## Analisa Perbandingan Switch Mode Power Supply (SMPS)

## dan Transformator Linear Pada Audio Amplifier
Cholish, Rimbawati, Abdul Azis Hutasuhut Program Studi Teknik Elektro, Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Sumatera Utara e-mail: cholish@umsu.co.id

## Abstract
The Advantages of electronics equipment requires the increased efficiency and technology to reduce the use  of  electrical  energy. The  electrical  equipment  in  residential  energy  consumption  is  the  dominant burden  on  electricity  supply  service. Audio  Amplifier  is  a  widely  used  household  appliance  in  general based  on  linear  transformer.  Linear  transformer  has  many deficiency such  as  dimensions  of  equipment and the use of technology control systems which less of good and large voltage drop. Because of that, the design  of  Switch  Mode  Power  Supply  (SMPS)  model would  be a  replacement  linear  transformer. In  this research, we will compare the performance of Linear Trafo with SMPS specification +/- 35VDC - 350W. By making modifications to SMPS on the transformer transformer windings which could be seen as significant comparison to the use of equipment.

## Keywords: Linear Transformer, Audio Amplier, Eficiency, SMPS

## Abstrak
Pemanfaatan  peralatan  elektronika  saat  ini  memerlukan  peningkatan  efisiensi  dan  teknologi  sehingga dapat  mengurangi  penggunaan  energi  listrik.  Peralatan  elektronika  pada  konsumsi  energi  rumah  tinggal merupakan  beban  yang  dominan  terhadap  pelayanan  pasokan  energi  listrik.  Audio  Amplifier  merupakan peralatan rumah tangga yang banyak digunakan pada umumnya berbasis trafo linier. Trafo linier tersebut memiliki  banyak  kekurangan  seperti  dimensi  peralatan  serta  penggunaan  teknologi  sistem  kontrol  yang kurang  baik  serta  tegangan  jatuh  yang  besar.  Mengingat  hal  tersebut  perancangan  model  Switch Mode Power  Supply  (SMPS) sebagai  pengganti  trafo  linear  banyak  dilakukan  peningkatan.  Pada  penelitian  ini akan dilakukan perbandingan terhadap kinerja Trafo Linear dengan SMPS spesifikasi +/- 35VDC – 350W. Dengan melakukan modifikasi terhadap SMPS pada lilitan trafo switching dapat dilihat perbandingan yang signifikan terhadap penggunaan peralatan yang akan diuji.
Kata kunci: Trafo Linier, Audio Amplifier, Efisiensi, SMPS

## 1. Pendahuluan
Kosmetik  telah Switch  Mode  Power  Supply  (SMPS)  adalah  jenis  power supply  yang  langsung menyearahkan  (rectify)  dan  menyaring  (Filter)  tegangan  Alternating  Current  (AC)  untuk mendapatkan tegangan Direct Current (DC). Tegangan Direct Current (DC) tersebut kemudian di  switch  ON  dan  OFF  pada  frekuensi  tinggi  dengan  sirkuit  frekuensi  tinggi  sehingga menghasilkan arus Alternating Current (AC) yang dapat melewati transformator frekuensi tinggi.
e-ISSN  2549-3701
Penelitian–penelitian terdahulu mengenai Switch Mode Power Supply sudah banyak dilakukan. penelitian  tentang  power  supply  yang  mencakup +  15V, -15V,  +  5V,  5V,  +  3.3V,  +  5V  tingkat tegangan terisolasi. Masukan untuk catu daya ini adalah 48V DC yang tersedia di semua situs telekomunikasi.  catu  daya  ini  mampu  menyediakan  tenaga  40W  keluaran  perkiraan  dengan efisiensi  80%.  Topologi  desain  power  supply  yang  dipilih  untuk  kertas  ini  converter  flyback karena flyback converter adalah pilihan yang lebih baik sebagai dibandingkan dengan topologi lainnya  untuk  desain  daya  rendah  dan  untuk  menghasilkan  beberapa  tingkatan  tegangan output. power supply ini dirancang oleh biaya rendah dan komponen diskrit yang sangat efisien dan kertas juga menjelaskan kriteria memilih komponen. Power supply ini dirancang agar dapat digunakan  untuk  hampir  semua  produk  aplikasi  dalam  telekomunikasi  tertanam  karena serbaguna dengan berbagai tingkat tegangan output yang konstan [1].
Kemudian  penelitian  dilakukan  oleh Kwon  [2],  penelitian  ini  membahas  tentang  efisiensi  tinggi AC-DC  power  switch-modus  pasokan  (SMP)  menggunakan  converter  sirkuit  jembatan  penuh. converter  yang  di  rancang  menggunakan  tiga  sirkuit  converter  jembatan  penuh.  Dua  full- jembatan  dioda  converter  sirkuit  dan  satu  full-jembatan  MOSFET  converter  sirkuit.  Dua jembatan  konverter  penuh  dimanfaatkan  pada  input  AC  primer  dan  sekunder  DC  output, masing-masing,  dan  jembatan  converter  MOSFET  penuh  digunakan  untuk  mengkonversi tegangan  DC  ke  tegangan  AC  dengan  frekuensi  tinggi  yang  dikonversi  ke  tegangan  DC  lain dengan  transformator  dan  jembatan  dioda  penuh  converter  di  bagian  sekunder,  yang  hanya disebut  sebagai  DC-DC  converter  jembatan  penuh.  Namun  konverter  konvensional  jembatan penuh  memiliki  batas  di  rasio  tugas  operasi  dalam  operasi  normal,  karena  mengakibatkan hilangnya konduksi lainnya di operasi beban ringan.
Oleh  karena  itu,  converter  yang  dirancang  menyelesaikan  kelemahan  dari  converter konvensional  jembatan  penuh  menggunakan  modifikasi  sirkuit  jembatan  penuh  dengan memblokir  kapasitor  DC  di  bagian  primer.  Dengan  demikian,  konverter  yang  dirancang  telah meningkatkan efisiensi total dan kinerja.
Tidak  sampai  disitu,    ada  penelitian  tentang  merancang  Mode  Switch  Power  Supply  (SMPS) tegangan  tinggi  untuk  sistem  laser.  Tujuannya  adalah  untuk  memiliki  risiko  rendah  dan  tinggi yang  efisien  untuk  berurusan  dengan  sistem  laser.  Pada  tahap  primer  sinyal  input  dari  12  V diberikan  menjadi  pembanding  yang  bertindak  sebagai  peralih  unit  kontrol  drive.  MOSFET bekerja sebagai unit switching. Ini membuat sinyal yang diberikan menjadi isolasi transformator untuk meningkatkan ke tegangan 230VAC. Jaringan terdiri dari dioda dan kapasitor digunakan untuk  memperbaiki  tegangan  output  menjadi  sinyal  DC  halus.  Kinerja  tegangan  tinggi  SMP sirkuit  bergantung  pada  arus  pasokan  input,  input  frekuensi,  perlawanan  umpan  balik  negatif dan tahap jumlah pengganda tegangan [3].
Ada juga penelitian mengenai  tegangan DC variable yang diperoleh dengan mengguakan buck converter  transistor  MJ15004  dengan  mikrokontroler  TL494,  sebagai  jantung  utama  dari rangkaian ini untuk mengontrol dan mengatur tegangan output dengan mengambil umpan balik dari  keluaran.  TL494  menghasilkan  pulsa  PWM  untuk  transistor  sesuai  dengan  besarnya tegangan  output  yang  dibutuhkan  komponen  lain  dari  sirkuit.  Peran  utama  dari  rangkaian  ini adalah untuk mengatur tegangan output dari jarak 0 - 40V [4].
Berkaitan  dengan  hal  itu,  penelitian  ini  bertujuan  Untuk  melakukan  perbandingan  terhadap kinerja  Trafo  Linear  dengan  SMPS  spesifikasi  +/- 35VDC – 350W.  Dengan  melakukan
modifikasi terhadap SMPS pada lilitan trafo switching dapat dilihat perbandingan yang signifikan terhadap penggunaan peralatan yang akan diuji.

## 2. Landasan Teori

## 2.1 Power Supply (Catu Daya)
Power Supply atau dalam Bahasa Indonesia disebut dengan catu daya adalah suatu alat listrik yang dapat menyediakan energi listrik untuk perangkat listrik ataupun elektronika lainnya. Pada dasarnya  power  supply  atau  catu  daya  ini  memerlukan  sumber  energi  listrik  yang  kemudian mengubahnya  menjadi  energi  listrik  yang  dibutuhkan  oleh  perangkat  elektronika  lainnya.  Oleh karenaa  itu  power  supply  kadang – kadang  disebut  juga  dengan istilah  Electric  Power Converter.
Gambar 1.  Jenis – jenis Power Supply
Berdasarkan fungsinya power supply dapat dibedakan menjadi
1. Regulated Power Supply,
2. Unregulated Power Supply
3. Adjustable Supply.

## Regulated Power Supply
Regulated  Power  Supply  adalah  power  supply  yang  dapat  menjaga  kestabilan  tegangan  dan arus listrik meskipun terdapat perubahan atau variasi pada beban atau sumber listrik (Tegangan dan Arus Input).
e-ISSN  2549-3701
Gambar 2. Block Diagram Regulated Power Supply

## Unregulated Power Supply
Unregulated  Power  Supply  adalah  power  supply  yang  tegangan  ataupun  arus  listriknya  dapat berubah ketika beban berubah atau sumber listriknya mengalami perubahan.
Gambar 3. Blok Diagram Unregulated Power Suppy
Terdapat dua topologi pada Unregulated Power Supply, yaitu sebagai berikut.
1. Half Wave Unregulated Power Supply
2. Full Wave Unregulated Power Supply

## Adjustable Power Supply
Adjustable  Power  Supply  adalah  power  supplay  yang  tegangan  atau  arusnya  dapat  diatur sesuai  kebutuhan  dengan  menggunakan  Knob  Mekanik.  Terdapat  2  jenis  Adjustable  Power Supply, yaitu Regulated Adjustable Power Supply dan Unreulated Adjustable Power Supply.
Gambar 4.  Rangkaian Adjustable Power Supply
Berdasarkan metode konversinya, power supply dapat dibedakan menjadi a. DC Power Supply
b. AC to DC Power Supply
c. AC Power Supply
d. Programmable Power Supply
e. Uninterruptible Power Supply (UPS)
f. High Voltage Power Supply
g. Switch Mode Power Supply (SMPS)

## Switch Mode Power Supply (SMPS)
Switch  Mode  Power  Supply  (SMPS)  adalah  jenis  power  supply  yang  langsung  menyearahkan (Rectify)  dan  menyaring  (Filter)  tegangan  input  AC  untuk  mendapatkan  tegangan  DC. Tegangan  DC  tersebut  kemudian  di  Swich  ON  dan  OFF  pada  frekuensi  tinggi  dengan  sirkuit frekuensi  tinggi  sehingga  menghasilkan  arus  AC  yang  dapat  melewati  transformator  frekuensi tinggi.
Keuntungan utama dari metode ini adalah efisiensi yang lebih besar karena switching transistor daya sedikit berkurang ketika berada di luar daerah aktif yaitu, ketika transistor berfungsi seperti tombol dan juga memiliki diabaikan jatuh tegangan atau arus yang dapat diabaikan melaluinya. Keuntungan  lain  termasuk  ukuran  yang  lebih  kecil  dan  bobot  yang  lebih  ringan  dari pengurangan  transformator  frekuensi  rendah  yang  memiliki  berat  yang  tinggi  dan  panas  yang dihasilkan lebih rendah karena efisiensi  yang lebih tinggi. Kerugian meliputi kompleksitas yang lebih  besar,  generasi  amplitudo  tinggi,  energi  frekuensi  tinggi  yang  low-pass  filter  harus  blok untuk menghindari gangguan elektromagnetik (EMI).
e-ISSN  2549-3701

## Gambar 5.  Blok Diagram SMPS

## Bagian – bagian dasar pada switch Mode Power Supply (SMPS)
Switch Mode Power Supply (SMPS) memiliki bagian – bagian penting meliputi:
1. bagian penyearah
2. bagian pencacah
3. bagian driver control
4. trafo switching
5. bagian penyearahan & filtering
6. bagian loop umpan balik
7. rangkaian komparator.

## Bagian Penyearah
Bagian penyearah pada SMPS berperan menyearahkan tegangan masukan dari listrik ac 220v disearahkan  menjadi  tegangan  dc  menggunakan  diode  bridge  5 – 8  Ampere  dan  3  buah  elco filter besar, yaitu sebuah elco dengan besaran berkisar 450V/220uF dan 480V/680uF.
Gambar 6.  Dioda Bridge

## Bagian Pencacah
Bagian pencacah atau power-switching. Tegangan masukan dc dicacah dengan menggunakan “power switch on-off” sehingga menghasilkan tegangan pulsa-pulsa dc dengan frekwensi tinggi.
Gambar br 7. Mosfet IRFP460

## SMPS Controller Driver
SMPS Controller driver yaitu bagian pembangkit pulsa PWM (Pulse Wave Modulation).
Gambar 8. IC TL494CJ

## Trafo Switching
Banyak  jenis  model  trafo  switchig  yang  digunakan  pada  Switch  Mode  Power Supply  (SMPS) diantaranya yaitu: E25 dengan ratio 15 : 15, dan lain sebagainya.
Gambar 9. Trafo Switching yang digunakan pada SMPS
Rumus untuk menentukan jumlah lilitan pada trafo switching adalah sebagai berikut:
Dimana :
e-ISSN  2549-3701
NP = Jumlah Lilitan Primer 108 x 0,5 = Konstanta VL-N = Tegangan 220 VAC 1,414 = Konstanta nilai dari Elco 4 = Konstanta BMax = Kekuatan Medan Magnet (Gauss) AE = Luas Permukaan Inti Ferit dari Trafo Switching (Cm2) F = Frekuensi Kerja (Hz) Dimana: NS
= Jumlah Lilitan Skunder
VOut = Tegangan Output Skunder (Volt DC) Ratio = Perbandingan Lilitan Primer dan Skunder
Dimana:
Ratio = Perbandingan Lilitan Primer dan Skunder Vin min = 212 x 0,98 x 0,5 (Konstanta) VOut
= Tegangan Keluaran Yang diinginkan (VDC)

## Penyearahan dan Filtering
Pada  bagian  ini  tegangan  yang  dikeluarkan  dari  trafo  ke  sisi  skunder  masih  berupa  pulsa – pulsa  frekwensi  tinggi,  sehingga  perlu  dirubah  menjadi  tegangan  Direct  Current  (DC) menggunakan dioda penyearah dan filter elco.

## Loop Umpan Balik
Loop Umpan balik adalah bagian circuit umpan balik dari tegangan B+ ke bagian primer Trafo.

## Rangkaian Komparator (Pembanding)
Sebuah sirkuit komparator pada bagian skunder Switch Mode Power Supply (SMPS) berfungsi untuk  mendeteksi  jika  terjadi  perubahan  tegangan  keluaran  B+.  Komparator  bekerja  dengan cara  membandingkan  tegangan  keluaran  B+  dengan  sebuah  tegangan  “refrensi”  (biasanya berupa  tegangan  diode  zener  6.8v).  Kopling  menggunakan  photocoupler  bertuuan  untuk mengisolasi ground bagian primer yang menyetrum jika dipegang (HOT chasis) dengan ground bagian sekunder (COLD chasis).
(B)
Gambar 10.  (A) Dioda Zener 6.8V, (B) Photocoupler

## 3. Metodologi Penelitian
Penelitian  ini  adalah  eksperimen  dengan  perbandingan  Switch  Mode  Power  Supply  (SMPS) dengan Trafo Linier Pada Power Amplifier.
e-ISSN  2549-3701
5 A F0 1 L F0 1 10 m H 5A + - D B 01 2 2 0 K R 01 2 2 0 K R 02 1 K /2 W R 03 1 K /2 W R 04 2: 1: 1 T 01 E E -1 9 2 R 2 R 07 2 R 2 R 08 8 V 2 D Z 02 8 V 2 D Z 04 8 V 2 D Z 01 8 V 2 D Z 03 P0 1 AC 2 20 V IN 1 2 3 4 5 6 T O C U C N 01 V 01 IR FP 46 0 V 02 IR FP 46 0 1 0 0 /2 W R 09 Q 03 E 13 00 7 1 2 V /1 W D Z 05 2 2 0 K R 06 2 2 0 K R 05 IN 1 O U T 3 2 G N D U 03 L 78 15 C V V C C + 12 V V C C + 12 V V C C + 12 V 1: 60 T 02 1 0 0 R 12 IN 4 1 4 8 D 08 1 K R 13 1 K R 14 D0 1 HF A0 8T A6 0C D 02 H FA 08 T A 60 C D 03 H FA 08 T A 60 C 12 0u H L F0 2 K 3 A 2 1 VR EF U 01 TL 43 1A C L PR 2 2 K /2 W R 11 2 2 K /2 W R 10 P0 2 V O U T 4 7 K R 19 1 0 0 n F C 22 1 0 K R 15 2 K 2 R 16 5 6 K R 17 5 0 K V R 4 7 K R 18 U 02 PC 81 7 2 0 0 V 4 7 0 u F C 03 2 0 0 V 4 7 0 u F C 05 2 0 0 V 4 7 0 u F C 04 2 0 0 V 4 7 0 u F C 06 5 0 V 1 0 0 0 u F C 15 5 0 V 1 0 0 0 u F C 14 5 0 V 1 0 u F C 21 2 5 V 1 0 0 u F C 19 2 5 V 2 2 0 u F C 18 2 5 V 1 0 0 u F C 20 1 0 0 n F C 01 2 u 2 /2 5 0 V C 07 1 n F /1 K V C 09 1 0 0 n F C 02 47 0n F C0 8 1 n F /1 0 0 V C 10 1 n F /1 0 0 V C 11 1 n F /1 0 0 V C 12 1 n F /1 0 0 V C 13 1 0 0 n F /1 0 0 v C 16 1 0 0 n F /1 0 0 v C 17 F R 1 0 4 D 04 F R 1 0 4 D 05 IN 4 0 0 7 D 09 F R 1 0 4 D 06 IN 4 0 0 7 D 07 T 03 E R -3 9 2R 5 T H 1

## 4. Hasil dan Pembahasan
Beban
(Ohm)
V Sumber (V AC ) Daya Input (Watt) Arus Input (A) Tegangan Keluaran (V DC ) Arus Keluaran (A) Daya Output (Watt) V Drop out (Volt) Eff (%) 0 225,1 7,11 0,05 74,8 - - - - 100 224,4 48,31 0,26 60,8 0,57 34,56 14 71,72 50 228,7 82,30 0,42 55,9 1,03 57,57 18,9 65,19 33,33 229,2 108,7 0,54 51,8 1,44 74,59 23 68,62 25 228,2 133,74 0,65 47,9 1,80 86,22 26,9 64,46 20 228 154,36 0,74 44,7 2,12 94,76 30,1 61,38
Tabel 4.7 Hasil data akhir Power Supply berbasis Trafo Linier
Beban (Ohm) V Sumber (V AC ) Daya Input (Watt) Arus Input (A) Tegangan Keluaran (V DC ) Arus Keluaran (A) Daya Output (Watt) V Drop out (Volt) Eff (%) 0 226,2 1,10 0,02 70,2 - - - - 100 225,8 56,33 0,53 70 0,67 46,9 0,2 83,25 50 225,6 108,13 0,88 70 1,28 89,6 0,2 82,26 33,33 224,6 156,84 1,2 69,8 1,96 136,80 0,4 87,22 25 225,6 209,54 1,59 69,8 2,58 180,08 0,4 85,94 20 224,9 257,36 1,93 69,8 3,26 227,54 0,4 88,41
Tabel 4.8 Hasil data akhir Switch Mode Power Supply (SMPS)
Berdasarkan hasil pengujian pada peralatan maka diperoleh data hasil berupa tabel berikut ini: Dari  pengujian  yang  dilakukan  terhadap  Switch  Mode  Power  Supply  (SMPS)  maupun  Power Supply Berbasis Trafo Linier, maka diperoleh grafik .perbandingan dibawah ini:
e-ISSN  2549-3701
Gambar 4.16 Grafik perbandingan Beban terhadap Daya
Gambar 4.17 Grafik Perbandingan Beban Terhadap VDrop
Gambar 4.18 Grafik Perbandingan Beban Terhadap Efesiensi
Berdasarkan grafik tersebut terlihat bahwa setelah melakukan pengujian kedua,  Switch  Mode Power  Supply  (SMPS)  memperoleh  hasil  cukup  memuaskan  dengan    Vdrop  tegangan  Output yang  kecil untuk semua karakter beban. Efisiensinya juga tinggi rata – rata masih diatas angka 80% dan hal ini tentunya mempengaruhi daya outpurt yang dihasilkan yaitu tinggi (POut Max = 227,54 Watt).  Jauh Berbeda dari Power Supply  berbasis Trafo Linier, Vdrop outputnya  begitu besar, efesiensinya tertingginya hanya 71,72 %.

## 5. KESIMPULAN
Berdasarkan  hasil  yang  diperoleh  melalui  pengukuran  masing-masing  peralatan  dapat disimpulkan sebagai berikut ini:
1. SMPS  memperoleh  hasil  memuaskan  dengan  menunjukkan  kerakteristik  yang sempurna terhadap Audio Amplifier.
2. Dari  hasil  perbandingan  yang  diperoleh  dari  hasil  akhir  yang  terlampir  pada  tabel maupun grafik untuk pengujian setelah Vdrop output  dapat di minimalisir  untuk semua karakter  beban  (100 – 20 Ω),  Daya  output  max  227,  54  watt  dan  efisiensi  yang  tinggi yaitu  berkisar  pada  angka  80 – 88%.  Hal  ini  jauh  lebih  baik  dari  Trafo  Linier, Berdasarkan  hasil  tersebut  SMPS  lebih  unggul  dari  Trafo  linier  dan  SMPS  sudah  bisa dikatakan sempurna.

## REFERENSI
[1] Amit,  Manoj  Kumar. Design  and  Implementation  of  Multiple  Output  Switch  Mode  Power  Supply.
International Jurnal of Engineering Trends and Technology (IJETT ), 4 (10). 2013
[2] Kwon Su-Han, Yoo Doo-Hee, Jeong Gang-Youl. High-Efficiency AC-DC Switch-Mode Power Supply Using Full-Bridge Converter Circuits. International Jurnal of Control and Automation , 7(6). 2014.
[3] Ngah Demon, Siti Zulaikha. Tamuri, Abdul Rahman. Bidin Noriah. High Voltage Switch Mode Power Supply  for  Laser  System.  “ Department  of  Physics  centre  of  Foundation  Studies, Natinal  Defense University Malaysia. Kuala Lumpur. 2008
[4] Manasa.  Variable  Switched  Mode  Power  Supply  Using  TL494. Project  Report  Submitted  in  Partial Fulfilment of the  Requirements  for  the  Award of  the  Degree  of  Bachelor  of  Technology in  Electrical and  Electronics  Engineering, Gokaraju  Rangaraju  Institute  of  Engineering  and  Technology Hyderabad. 2014
[5] EE IIT. Design of Transformer for Switched Mode Power Supply (SMPS) Circuits. Version 2 EE IIT. Kharagpur.
[6] Fundamental of Power Electronics. Chapter 15: Transformer Design.
[7] IEEE. Switching Mode Power Supplies. IEEE Canadian Review, fall/autum, 61. 2009.
[8] Mohammad,  Kamil.  Switch  Mode  Power  Supply  (SMPS)  Topologies  (Part 1). Microchip Technology Inc. USA. 2007.
[9] Wuidart  L.  Topologies  for  Switched  Mode  Power  Supplies. Application  Note,  STMicroelectronics, Italy. 1999.
[10] SCILLC. Switch-Mode Power Supply Refrence Manucal. ON Semiconductor, USA.2014
[11] Texas Instruments Incorporated. Section 4: Power Transformer Design. Dallas: Texas. 2001.
[12] Zhang,  J,  H.  Basic  Concepts  of  Linear  Regulator  and  Switching  Mode  Power  Supplies. Linear Technology, USA. 2013