21.00
By
Muhammad Abid'S
0
komentar
Elektronika - Teori dan Penerapan
Rangkaian Dioda
Perangkat elektronika mestinya dicatu oleh suplai arus searah DC (direct current) yang stabil agar dapat dengan baik. Baterai atau accu adalah sumber catu daya DC yang paling baik. Namun untuk aplikasi yang membutuhkan catu daya lebih besar, sumber dari baterai tidak cukup. Sumber catu daya yang besar adalah sumber bolak-balik AC (alternating current) dari pembangkit tenaga listrik. Untuk itu diperlukan suatu perangkat catu daya yang dapat mengubah arus AC menjadi DC. Pada tulisan kali ini disajikan prinsip rangkaian catu daya (power supply) linier mulai dari rangkaian penyearah yang paling sederhana sampai pada catu daya yang ter-regulasi.
PENYEARAH (RECTIFIER) DIODA
Prinsip penyearah (rectifier) yang paling sederhana
ditunjukkan pada gambar-1 berikut ini. Transformator diperlukan untuk
menurunkan tegangan AC dari jala-jala listrik pada kumparan primernya menjadi
tegangan AC yang lebih kecil pada kumparan sekundernya.
gambar 1 : rangkaian penyearah
sederhana
Pada rangkaian ini, dioda
berperan untuk hanya meneruskan tegangan positif ke beban RL. Ini yang disebut
dengan penyearah setengah gelombang (half wave). Untuk mendapatkan penyearah
gelombang penuh (full wave) diperlukan transformator dengan center tap (CT) seperti pada
gambar-2.
gambar 2 : rangkaian penyearah
gelombang penuh
Tegangan positif phasa yang
pertama diteruskan oleh D1 sedangkan phasa yang berikutnya dilewatkan melalui
D2 ke beban R1 dengan CT transformator sebagai common ground.. Dengan demikian beban R1
mendapat suplai tegangan gelombang penuh seperti gambar di atas. Untuk beberapa
aplikasi seperti misalnya untuk men-catu motor dc yang kecil atau lampu
pijar dc, bentuk tegangan seperti ini sudah cukup memadai. Walaupun terlihat di
sini tegangan ripple dari kedua rangkaian di
atas masih sangat besar.
gambar 3 : rangkaian penyearah
setengah gelombang dengah filter C
Gambar 3 adalah rangkaian
penyearah setengah gelombang dengan filter kapasitor C yang paralel terhadap
beban R. Ternyata dengan filter ini bentuk gelombang tegangan keluarnya bisa
menjadi rata. Gambar-4 menunjukkan bentuk keluaran tegangan DC dari
rangkaian penyearah setengah gelombang dengan filter kapasitor. Garis b-c
kira-kira adalah garis lurus dengan kemiringan tertentu, dimana pada keadaan
ini arus untuk beban R1 dicatu oleh tegangan kapasitor. Sebenarnya garis
b-c bukanlah garis lurus tetapi eksponensial sesuai dengan sifat pengosongan
kapasitor.
Kemiringan kurva b-c tergantung
dari besar arus I yang mengalir ke beban R. Jika arus I = 0 (tidak ada
beban) maka kurva b-c akan membentuk garis horizontal. Namun jika beban arus
semakin besar, kemiringan kurva b-c akan semakin tajam. Tegangan yang keluar
akan berbentuk gigi gergaji dengan tegangan ripple yang besarnya adalah :
Vr = VM -VL …....... (1)
dan tegangan
dc ke beban adalah Vdc = VM + Vr/2 .....
(2)
Rangkaian
penyearah yang baik adalah rangkaian yang memiliki tegangan ripple paling
kecil. VL adalah tegangan discharge atau
pengosongan kapasitor C, sehingga dapat ditulis :
VL = VM e -T/RC .......... (3)
Jika persamaan
(3) disubsitusi ke rumus (1), maka diperoleh :
Vr = VM (1 -
e -T/RC) ......
(4)
Jika T
<< RC, dapat ditulis : e -T/RC » 1 - T/RC
..... (5)
sehingga jika
ini disubsitusi ke rumus (4) dapat diperoleh persamaan yang lebih sederhana :
Vr = VM(T/RC)
.... (6)
VM/R tidak lain
adalah beban I, sehingga dengan ini terlihat hubungan antara beban arus I dan
nilai kapasitor C terhadap tegangan ripple Vr. Perhitungan
ini efektif untuk mendapatkan nilai tengangan ripple yang diinginkan.
Vr = I T/C
... (7)
Rumus ini
mengatakan, jika arus beban I semakin besar, maka tegangan ripple akan
semakin besar. Sebaliknya jika kapasitansi C semakin besar, tegangan ripple akan
semakin kecil. Untuk penyederhanaan biasanya dianggap T=Tp, yaitu
periode satu gelombang sinus dari jala-jala listrik yang frekuensinya 50Hz atau
60Hz. Jika frekuensi jala-jala listrik 50Hz, maka T = Tp = 1/f = 1/50 = 0.02
det. Ini berlaku untuk penyearah setengah gelombang. Untuk penyearah gelombang
penuh, tentu saja fekuensi gelombangnya dua kali lipat, sehingga T = 1/2 Tp =
0.01 det.
Penyearah
gelombang penuh dengan filter C dapat dibuat dengan menambahkan kapasitor pada
rangkaian gambar 2. Bisa juga dengan menggunakan transformator yang tanpa CT,
tetapi dengan merangkai 4 dioda seperti pada gambar-5 berikut ini.
gambar 5 :
rangkaian penyearah gelombang penuh dengan filter C
Sebagai
contoh, anda mendisain rangkaian penyearah gelombang penuh dari catu jala-jala
listrik 220V/50Hz untuk mensuplai beban sebesar 0.5 A. Berapa nilai kapasitor
yang diperlukan sehingga rangkaian ini memiliki tegangan ripple yang
tidak lebih dari 0.75 Vpp. Jika rumus (7) dibolak-balik maka diperoleh.
C = I.T/Vr = (0.5)
(0.01)/0.75 = 6600 uF.
Untuk
kapasitor yang sebesar ini banyak tersedia tipe elco yang memiliki polaritas
dan tegangan kerja maksimum tertentu. Tegangan kerja kapasitor yang digunakan
harus lebih besar dari tegangan keluaran catu daya. Anda barangkalai sekarang
paham mengapa rangkaian audio yang anda buat mendengung, coba periksa kembali
rangkaian penyearah catu daya yang anda buat, apakah tegangan ripple ini
cukup mengganggu. Jika dipasaran tidak tersedia kapasitor yang demikian besar,
tentu bisa dengan memparalel dua atau tiga buah kapasitor.
REGULATOR
Rangkaian
penyearah sudah cukup bagus jika tegangan ripple-nya kecil,
namun ada masalah stabilitas. Jika tegangan PLN naik/turun, maka tegangan
outputnya juga akan naik/turun. Seperti rangkaian penyearah di atas, jika arus
semakin besar ternyata tegangan dc keluarnya juga ikut turun. Untuk beberapa
aplikasi perubahan tegangan ini cukup mengganggu, sehingga diperlukan komponen
aktif yang dapat meregulasi tegangan keluaran ini menjadi stabil.
Rangkaian
regulator yang paling sederhana ditunjukkan pada gambar 6. Pada rangkaian ini,
zener bekerja pada daerah breakdown, sehingga menghasilkan
tegangan output yang sama dengan tegangan zener atau Vout = Vz. Namun
rangkaian ini hanya bermanfaat jika arus beban tidak lebih dari 50mA.
gambar 6 :
regulator zener
Prinsip
rangkaian catu daya yang seperti ini disebut shunt
regulator, salah satu ciri khasnya adalah komponen
regulator yang paralel dengan beban. Ciri lain dari shunt regulator
adalah, rentan terhadap short-circuit. Perhatikan
jika Vout terhubung singkat (short-circuit) maka arusnya
tetap I = Vin/R1. Disamping regulator shunt, ada juga
yang disebut dengan regulator seri. Prinsip
utama regulator seri seperti rangkaian pada gambar 7 berikut ini. Pada
rangkaian ini tegangan keluarannya adalah :
Vout = VZ + VBE
........... (8)
VBE adalah
tegangan base-emitor dari transistor
Q1 yang besarnya antara 0.2 - 0.7 volt tergantung dari jenis transistor yang
digunakan. Dengan mengabaikan arus IB yang
mengalir pada base transistor, dapat dihitung besar tahanan R2 yang diperlukan
adalah :
R2 = (Vin - Vz)/Iz .........(9)
Iz adalah
arus minimum yang diperlukan oleh dioda zener untuk mencapai tegangan breakdown zener
tersebut. Besar arus ini dapat diketahui dari datasheet yang besarnya
lebih kurang 20 mA.
gambar 7 :
regulator zener follower
Jika
diperlukan catu arus yang lebih besar, tentu perhitungan arus base IB pada
rangkaian di atas tidak bisa diabaikan lagi. Dimana seperti yang diketahui,
besar arus IC akan berbanding lurus terhadap arus IB atau dirumskan
dengan IC = bIB. Untuk
keperluan itu, transistor Q1 yang dipakai bisa diganti dengan tansistor darlington yang
biasanya memiliki nilai b yang cukup besar. Dengan transistor darlington, arus base
yang kecil bisa menghasilkan arus IC yang lebih besar.
Teknik
regulasi yang lebih baik lagi adalah dengan menggunakan Op-Amp untuk men-drive
transistor Q, seperti pada rangkaian gambar 8. Dioda zener disini tidak
langsung memberi umpan ke transistor Q, melainkan sebagai tegangan referensi
bagi Op-Amp IC1. Umpan balik pada pin negatif Op-amp adalah cuplikan dari
tegangan keluar regulator, yaitu :
Vin(-) =
(R2/(R1+R2)) Vout ....... (10)
Jika tegangan
keluar Vout menaik,
maka tegangan Vin(-) juga
akan menaik sampai tegangan ini sama dengan tegangan referensi Vz. Demikian
sebaliknya jika tegangan keluar Vout menurun,
misalnya karena suplai arus ke beban meningkat, Op-amp akan menjaga kestabilan
di titik referensi Vz dengan memberi arus IB ke transistor Q1.
Sehingga pada setiap saat Op-amp menjaga kestabilan :
Vin(-) = Vz .........
(11)
gambar 8 :
regulator dengan Op-amp
Dengan
mengabaikan tegangan VBE transistor Q1 dan mensubsitusi rumus (11)
ke dalam rumus (10) maka diperoleh hubungan matematis :
Vout = (
(R1+R2)/R2) Vz...........
(12)
Pada rangkaian
ini tegangan output dapat diatur dengan mengatur besar R1 dan R2.
Sekarang
mestinya tidak perlu susah payah lagi mencari op-amp, transistor dan komponen
lainnya untuk merealisasikan rangkaian regulator seperti di atas. Karena
rangkaian semacam ini sudah dikemas menjadi satu IC regulator tegangan tetap.
Saat ini sudah banyak dikenal komponen seri 78XX sebagai
regulator tegangan tetap positif dan seri 79XX yang
merupakan regulator untuk tegangan tetap negatif. Bahkan komponen ini biasanya
sudah dilengkapi dengan pembatas arus (current
limiter) dan juga pembatas suhu (thermal
shutdown). Komponen ini hanya tiga pin dan dengan
menambah beberapa komponen saja sudah dapat menjadi rangkaian catu daya yang
ter-regulasi dengan baik.
gambar 9 :
regulator dengan IC 78XX / 79XX
Misalnya 7805
adalah regulator untuk mendapat tegangan 5 volt, 7812 regulator tegangan 12
volt dan seterusnya. Sedangkan seri 79XX misalnya adalah 7905 dan 7912 yang
berturut-turut adalah regulator tegangan negatif 5 dan 12 volt.
Selain dari
regulator tegangan tetap ada juga IC regulator yang tegangannya dapat diatur.
Prinsipnya sama dengan regulator OP-amp yang dikemas dalam satu IC misalnya
LM317 untuk regulator variable positif dan LM337 untuk regulator variable
negatif. Bedanya resistor R1 dan R2 ada di luar IC, sehingga tegangan keluaran
dapat diatur melalui resistor eksternal tersebut.
Hanya saja
perlu diketahui supaya rangkaian regulator dengan IC tersebut bisa bekerja,
tengangan input harus lebih besar dari tegangan output regulatornya. Biasanya
perbedaan tegangan Vin terhadap Vout yang
direkomendasikan ada di dalam datasheet komponen tersebut. Pemakaian heatshink (aluminium
pendingin) dianjurkan jika komponen ini dipakai untuk men-catu arus yang besar.
Di dalam dat