Rangkaian Sumber Tegangan Konstan
- Rangkaian akan bekerja secara normal, karena mendapat suplai tegangan yang sesuai dengan kebutuhan tegangan kerja.
- Rangkaian akan bekerja dengan aman, karena tidak akan menerima tegangan yang melebihi batas kemampuan rangkaian.
Dasar dari bekerjanya sebuah rangkaian catu daya konstan, ialah memanfaatkan komponen diode zener (zener diode). Komponen diode zener mempunya sifat-sifat atau karakteristik sebagai berikut:
Sebuah diode zener yang terbuat dari bahan silikon, akan mempunya sifat-sifat sebagai berikut:
Jika diode zener diberi tegangan maju (forward biased), maka bila tegangan itu masih di bawah tegangan aktif diode (di bawah 0,7V), maka arus diode akan mengalir cukup kecil. Dan jika tegangan forward yang diberikan mencapai nilai 0,7V, maka diode akan mengalirkan arus, yang disebut arus forward atau arus maju atau forward current.
Bila diode zener diberi tegangan mundur, atau tegangan terbalik (reverse biased), maka arus diode akan nol atau sangat kecil. Namun jika tegangan terbalik itu semakin diperbesar sampai mencapai nilai Breakdown-Voltage-nya (tegangan dadal, atau tegangan terobos atau tegangan jebol) yang disebut Vz , maka diode akan seperti hubung singkat, dan mengalirkan arus yang besar, tergantung nilai resistor yang terhubung secara seri dengan diode zener, dan tergantung juga nilai resistor beban yang paralel dengan diode zener.
Grafik karakteristik diode zener pada gambar 2 , dihasilkan dari rangkaian pengukuran sebagai berikut:
Pada gambar 3 sebelah kiri, sebuah diode zener Zd dihubungkan secara seri dengan resistor Rs, lalu keduanya disambungkan dengan sumber tegangan DC yaitu Vcc, dimana kaki Anoda diode zener (sisi atas) mendapat tegangan positif baterai melalui Rs, sedangkan kaki Katodanya terhubung ke sumber tegangan negatif baterai. Kondisi seperti ini dikatakan: diode mendapat tegangan forward atau tegangan maju. Jika tegangan sumber mencapai 0,7 Volt atau lebih, maka diode Zener akan menghantar (konduksi), tetapi tegangan pada diode akan bertahan pada angka 0,7 Volt dan sedikit di atasnya. Sedangkan sisanya, terdapat pada kaki-kaki resistor Rs.
Pada gambar yang sebelah kanan, sekarang diode zener diberi bias terbalik, yaitu kaki katode (sisi atas) terhubung ke +Vcc melalui Rs, dan kaki Anode (sisi bawah) tersambung ke negatif baterai atau -Vcc. Kondisi ini disebut: diode mendapat tegangan bias reverse atau tegangan mundur atau tegangan terbalik.
Jika tegangan tersebut masih relatif kecil, maka diode akan masif OFF atau tidak menghantar, hingga arus yang melewatinya akan sangat kecil atau Nol. Namu jika tegangan reverse itu semakin diperbesar, maka akan mencapai nilai Vz, yaitu nilai "tegangan terobos" atau "tegangan dadal". Dan oleh karena itu, diode akan mengalirkan arus bocor, atau arus longsor (avalanche current). Besarnya arus bocor ini tergantung besarnya resistor seri Rs dan tegangan sumber.
Dari gambar 4, sebuah diode zener memiliki tegangan kerja Vz sebesar 5,6 Volt. Terhubung seri dengan Rs. Lalu sebuah resistor beban RL terhubung paralel dengan diode zener tersebut. Jika nilai-nilai Rs dan RL diketahui, yakni misalnya: Rs = 1k dan RL = 10k, maka nilai-nilai semua arusnya dapat dicari:
Dengan Vcc = 12 Volt
Is = arus yang melewati Rs = tegangan pada Rs dibagi dengan nilai Rs.
Is = VRs / Rs = (Vcc - Vd) / Rs
Is = (12V - 5,6V) / 1k = 6,4V / 1k = 6,4 mA
Io = arus yang mengalir ke beban RL = (tegangan pada RL) dibagi dengan nilai RL, dan tegangan pada RL dalam rangkaian ini sama dengan tegangan pada diode zener, yaitu Vd.
Io = Vd / RL = 5,6V / 10k = 0,56 mA
Id = arus yang mengalir pada diode zener
Id = Is - Io = 6,4 mA - 0,56 mA = 5,84 mA
Selama arus output Io masih lebih kecil dari pada Is, maka tegangan output pada RL akan stabil.
Rangkaian gambar 4 tersebut menghasilkan tegangan positif di bagian outputnya. Untuk menstabilkan tegangan negatif, maka kita tinggal membalik arah diode zener, dan membalik juga polaritas tegangan sumber Vcc.
Kemampuan arus sebuah diode zener itu terbatas. Dengan pertimbangan praktis, pada umumnya, sebuah diode zener yang dijual di pasaran komersil akan dapat bekerja dengan aman selama arus yang melewatinya masih di bawah angkan 25 mA. Ini berarti kita tidak mungkin menggunakan rangkaian seperti gambar 4 tersebut untuk dapat mensuplai tegangan stabil yang membutuhkan arus yang cukup besar.
Untuk itulah, maka perlu ditambahkan sebuah penguat, misalnya sebuah transistor bipolar sebagai berikut
RANGKAIAN PENSTABIL TEGANGAN MENGGUNAKAN DIODE ZENER DAN TRANSISTOR
Dari gambar 5, diode zener Zd dan resistor seri R1 membentuk rangkaian penstabil tegangan positif, seperti yang sudah dijelaskan di atas. Tetapi tegangan output dari diode zener digunakan untuk memberikan bias kepada transistor. Untuk sebagai penguat penstabil tegangan positif ini, digunakanlah transistor NPN.
Cara kerja rangkaian sebagai berikut:
Diode zener Zd dan R1 menyediakan tegangan stabil sebesar Vd = Vz = 5,6 Volt. Tegangan 5,6 V ini diberikan ke kaki Basis transistor TR. Arus dari resistor seri disebut I1, arus diode disebut Id dan arus basis disebut Ib, dengan hubungan ketiganya sebagai berikut:
I1 = Id + Ib , atau
Ib = I1 - Id , atau
Id = I1 - Ib
Tegangan output diambil dari tegangan di kaki Emitor transistor TR, yaitu:
Vo = VE = VRL --> VRL = tegangan pada RL
Ketika transistor Silikon bekerja, maka di antara kaki Basis dan Emitor terdapat tegangan sebesar 0,7 Volt (kira-kira), yang disebut VBE , yaitu:
VBE = 0,7 Volt
Tegangan ini akan mengurangi tegangan dari diode zener. Karena itu, maka output yang diambil dari Emitor tidak lagi sebesar tegangan diode, tetapi masih dikurangi dengan VBE , sehingga :
Vo = VB - VBE = VD - VBE
Vo = 5,6 V - 0,7 V = 4,9 Volt
Berapa besarnya arus yang dapat dikeluarkan oleh Rangkaian Penstabil tegangan ini?
Kita lakukan analisis sederhana:
Kita tentukan nilai-nilai resistornya terlebih dahulu. Asumsikan :
R1 = 1k, RL = 100R atau 100 Ohm, Vcc = 12V dan tegangan kerja diode zener,
Vd = Vz = 5,6 Volt, faktor penguatan arus transistor hFE = 100.
Urutkan langkahnya dengan: menentukan Vo, lalu cari Io, kemudian cari IB, lalu cari I1 dan terakhir cari Id
Maka
Vo = VD - VBE = 5,6V - 0,7V = 4,9 Volt.
Io = Vo / RL = 4,9V / 100 Ohm = 49 mA
IB = Io / hFE = 49 mA / 100 = 0,49 mA
I1 = VR1 / R1 = (Vcc - VD) / R1
I1 = (12V - 5,6V) / 1k = 6,4V / 1k = 6,4 mA
Id = I1 - IB = 6,4 mA - 0,49mA = 5,91 mA
(Silahkan dicocokkan dengan gambar 6 di atas).
Dari gambar 6 , nilai I1 (arus pada R1) takkan berubah, selama Vcc tetap. Arus yang dapat dikeluarkan oleh Emitor TR akan maksimal jika seluruh arus yang melewati R1 , seluruhnya mengalir ke basis. Atau, jika Ib = I1. Karena itu, dlm contoh ini, Ib (maks) = I1
Ib (maks) = 6,4 mA
Dg Ib = 6,4 mA ini, maka arus output maks
Io (maks) = Ib (max) x hFE
Io (maks) = 6,4 mA x 100
Io (maks) = 640 mA.
Ini adalah 100x lipat besarnya, jika dibandingkan dengan arus output , bila hanya diode zener saja, tanpa penguat transistor (gambar 4).
Arus output sebesar 640 mA itu akan mengalir, tentu saja ditentukan juga oleh nilai resistansi RL, yakni:
RL = Vo / Io (maks) = 4,9V / 640mA = 7,65 Ohm
Rangkaian pada Gambar 5 dan Gambar 6 merupakan rangkaian penstabil tegangan yang menstabilkan tegangan positif. Tegangan masukan (Vcc) berupa tegangan positif yang belum stabil (unstabilized voltage), sedangkan tegangan keluaran (Vo) merupakan tegangan positif yang sudah stabil (stabilized voltage).
RANGKAIAN PENSTABIL TEGANGAN NEGATIF
Untuk versi penstabil tegangan negatif, rangkaiannya sebagai berikut. Di sini, pemasangan diode zener dibalik, dan transistor yang dipakai menggunakan jenis PNP.
Prinsip kerja rangkaian ini sama dengan rangkaian penstabil tegangan positif yang sudah dibahas. Yang berbeda adalah polaritas tegangannya dan juga arah-arah arusnya.
Saat ini sudah banyak tersedia di pasaran, keping-keping IC penstabil tegangan, atau regulator tegangan, seperti di bawah ini:
REGULATOR TEGANGAN SERI 78XX
Integrated Circuit (IC) ini terdiri memiliki tiga kaki:
Gambar 8: IC regulator tegangan positif seri 7805
Keterangan:
Angka "78" menunjukkan bahwa ini merupakan penstabil atau regulator tegangan positif.
Angka "05" menunjukkan bahwa tegangan output stabil yang dihasilkan adalah sebesar +5 Volt.
Dalam prakteknya, besarnya tegangan input yang diberikan kepada kaki (1) tidak boleh kurang dari (tegangan kerja + 3 Volt), sebab jika tidak, maka rangkaian tidak akan bekerja secara optimal.
Di pasaran tersedia varian : 7805, 7806, 7807, 7808, 7809, 7810, 7812, 7815, 7818, 7820 dan 7824.
REGULATOR TEGANGAN SERI 79XX
Integrated Circuit (IC) ini terdiri memiliki tiga kaki:
Keterangan:
Angka "79" menunjukkan bahwa ini merupakan penstabil atau regulator tegangan negatif.
Angka "05" menunjukkan bahwa tegangan output stabil yang dihasilkan adalah sebesar -5 Volt.
Dalam prakteknya, besarnya tegangan input yang diberikan kepada kaki (1) tidak boleh kurang dari (tegangan kerja + 3 Volt), sebab jika tidak, maka rangkaian tidak akan bekerja secara optimal.
Di pasaran tersedia varian : 7905, 7906, 7907, 7908, 7909, 7910, 7912, 7915, 7918, 7920 dan 7924.
RANGKAIAN REGULATOR TEGANGAN POSITIF
Rangkaian regulator di gambar 10 menggunakan IC regulator type 7805. Tegangan input berupa tegangan positif, minimal 8 Volt, dan output berupa tegangan positif +5 Volt (stabil). Kemampuan arusnya masih terbatas, yaitu maksimal 100 mA. Untuk menaikkan arus output, maka setelah IC perlu dipasang sebuah penguat Transistor NPN.
RANGKAIAN REGULATOR TEGANGAN NEGATIF
Perhatikan bahwa posisi kaki input dan Ground berbeda dengan seri 7805. Rangkaian ini menstabilkan tegangan negatif, dengan tegangan input setidaknya -8 Volt, maka di bagian output akan dihasilkan tegangan stabil -5 Volt. Batas kemampuan arus output juga terbatas di seputaran angka 100 mA. Dan untuk memperbesar kemampuan arus output, dibutuhkan penguat transistor berupa trasistor PNP dengan kemampuan arus yang cukup.
KARAKTERISTIK IC REGULATOR
Menurut lembar data (datasheet), berikut ini data-data spesifik dari IC regulator:
Sumber: https://www.alldatasheet.com
Menurut data di atas, kemampuan arus IC regulator terbatas pada maksimum 1,5 Ampere. Untuk menjaga kondisi kerja yang aman, maka disarankan agar dioperasikan pada batas maksimum 25% dari kemampuan aris maksimum. Semakin kecil arus output IC, maka IC tersebut akan semakin aman.
Untuk menaikkan kemampuan arus regulator, maka perlu dipasang satu buah atau lebih penguat transistor di belakangnya, yaitu transistor NPN.
Berikut ini karakteristik IC regulator tegangan Negatif.
Sama seperti seri 78xx , untuk seri 79xx juga mempunyai kemampuan arus yang terbatas pada 1,5A maksimum, sehingga untuk menghasilkan arus yang lebih besar, dibutuhkan satu buah transistor dengan kemampuan arus yang cukup besar.
RANGKAIAN REGULATOR TEGANGAN +12V/ 5A
Gambar 12: Rangkaian Regulator Tegangan +12V/ 5A
Pada gambar 12, sebuah transistor NPN type 2N3055 digunakan sebagai penguat arus. Transistor jenis 2N3055 memiliki kemampuan arus Kolektor maksimum sebesar 15A, hFE sebesar 50 dan disipasi daya 115Watt. Dengan demikian pemasangan satu buah transistor ini saja sudah cukup untuk menghasilkan arus output sampai dengan 5 Ampere. Ini adalah sepertiga dari kemampuan arus maksimum 2N3055. Dalam praktiknya, transistor ini harus menggunakan heatsink atau penyalur panas atau pendingin.
Oleh adanya tegangan aktif antara kaki Basis dan Emitter transistor yang nilainya sebesar VBE = 0,7V maka tegangan output di Emitter akan mengalami penurunan, yakni hanya sebesar 11,3 Volt. Untuk menaikkan kembali tegangan output sehingga kembali menjadi +12 Volt, maka dipasanglah sebuah diode Silikon yang mempunyai tegangan aktif sebesar 0,7 Volt juga, seperti nampak pada gambar 12. Diode dipasang antara kaki "GND" IC terhadap Ground rangkaian. Dengan tambahan diode ini, maka tegangan di kaki Basis transistor akan terangkat menjadi 12,7 Volt, dan mengakibatkan tegangan di kaki Emitter transistor menjadi +12 Volt. Ini adalah tegangan output Regulator, dengan kemampuan arus lebih dari 5 Ampere.
RANGKAIAN REGULATOR TEGANGAN -12V/ 5A
Gambar 13: Rangkaian Regulator Tegangan -12V/ 5A
Pada gambar 13, sebuah transistor PNP type MJ2955 digunakan sebagai penguat arus. Transistor jenis MJ2955 ini memiliki kemampuan arus Kolektor maksimum sebesar 15A, hFE sebesar 50 dan disipasi daya 115Watt. Dengan demikian pemasangan satu buah transistor ini saja sudah cukup untuk menghasilkan arus output sampai dengan 5 Ampere. Ini adalah sepertiga dari kemampuan arus maksimum MJ2955. Dalam praktiknya, transistor ini harus menggunakan heatsink atau penyalur panas atau pendingin.
Oleh adanya tegangan aktif antara kaki Basis dan Emitter transistor yang nilainya sebesar VBE = -0,7V maka tegangan output di Emitter akan mengalami penurunan, yakni hanya sebesar -11,3 Volt. Untuk menaikkan kembali tegangan output sehingga kembali menjadi -12 Volt, maka dipasanglah sebuah diode Silikon yang mempunyai tegangan aktif sebesar -0,7 Volt juga, seperti nampak pada gambar 12. Diode dipasang antara kaki "GND" IC terhadap Ground rangkaian. Dengan tambahan diode ini, maka tegangan di kaki Basis transistor akan terangkat menjadi -12,7 Volt, dan mengakibatkan tegangan di kaki Emitter transistor menjadi -12 Volt. Ini adalah tegangan output Regulator, dengan kemampuan arus lebih dari 5 Ampere.
Comments
Post a Comment