Sumber Arus Konstan

Sumber arus konstan adalah sumber arus listrik yang besarnya arus dibatasi pada suatu harga tertentu. Arus yang dilewatkan tidak akan melebihi batas arus yang telah ditetapkan. Dia bisa memberikan arus yang lebih kecil kepada beban, tergantung nilai resistansi bebannya, tetapi tidak akan lebih besar dari arus maksimumnya. Sumber arus konstan sangat penting, untuk mencatu peralatan yang beresiko rusak jika mengkonsumsi arus yang berlebihan. Misalnya saat pengisian accu mobil, atau baterai smartphone.

RANGKAIAN DASAR SUMBER ARUS KONSTAN

Rangkaian sumber arus konstan di dalamnya terdapat penstabil tegangan. Bisa berupa rangkaian diode zener, atau dapat juga IC regulator jenis 78xx atau 79xx sesuai kebutuhan. Berikut yang menggunakan diode zener.

Gambar 1: Sumber arus konstan dengan diode zener sebagai stabilisator tegangan bias transistor.

Dari gambar 1, transistor NPN diberi bias stabil di kaki Basisnya oleh rangkaian diode zener Zd dan resistor R. Di kaki-kaki diode Zd terdapat tegangan stabil sebesar V_Z dan ini juga merupakan tegangan di kaki Basis V_B di mana V_B = V_E + V_BE .      

Besarnya arus maksimum yang dapat diberikan, dihitung dengan:

I_max = V_E / R_E       (arus maks = tegangan di emitor dibagi tahanan emitor).

Perlu kita ingat bahwa transistor akan konduksi atau "ON" jika tegangan V_BE berada di kisaran 0,7V s/d 1V. Jika kurang dari itu, maka dia tidak akan konduksi.

Contoh:

Asumsikan : Vcc = 12V, transistor type TIP41 dengan V_BE = 0,7V, R_E = 100 Ohm. Zener diode punya tegangan kerja sebesar 5,6 Volt. Resistor seri R = 1k.

Maka:

Tegangan Basis, 

V_B = V_Z = 5,6V

Tegangan Emitor, 

V_E = V_B - V_BE = 5,6V - 0,7V = 4,9V

Arus maks = I_max

I_max = V_E / R_E = 4,9V / 100 Ohm

I_max = 0,049 Ampere = 49 mA.

Dengan demikian, pada contoh ini, arus beban dibatasi maksimum akan sebesar 49 mA saja. Untuk menaikkan kemampuan arus, maka nilai R_E perlu dikecilkan. Sebagai contoh, bila RE kita ganti dengan 10 Ohm, maka

I_max = V_E / R_E = 4,9V / 10 Ohm

I_max = 0,49 Ampere = 490 mA

Tetapi untuk itu harus diingat juga, agar arus Basis cukup besar untuk memberikan arus kolektor sebesar I_max atau dalam hal ini sebesar 490 mA.

Untuk transistor tipe TIP41 dengan hFE = 40 (datasheet), maka arus basis yang dibutuhkan akan sebesar:

I_B = I_C / hFE = 490/40 = 12,25 mA

Lalu dihitung nilai R yakni resistor yang terpasang dengan Zd

R = V_R / I_B = (Vcc - Vz) / 12,25 mA

R = (12V-5,6V) / 12,25 mA 

R = 6,4V / 12,25 mA = 522 Ohm.

Untuk versi transistor PNP, rangkaiannya sebagai berikut:

Gambar 2: Sumber arus konstan menggunakan diode zener dan transistor PNP

Untuk analisisnya sama dengan versi sebelumnya (NPN) tinggal membalik polaritasnya saja.

Tetapi sebuah diode zener memiliki keterbatasan, yakni kemampuan arusnya cukup kecil, kadang di bawah 50 mA. Untuk menaikkan kemampuan arus, maka dua buah transistor perlu disusun. Contoh rangkaian akan diberikan di bagian akhir artikel ini.

Sekarang kita akan melihat model lain, yakni jika menggunakan IC regulator. Sebagai berikut:

Gambar 3: Sumber arus konstan dengan IC7805 sebagai pembias tegangan konstan

Pada gambar 3, fungsi diode zener digantikan dengan sebuah IC regulator type 7805. Komponen ini mempunyai batas arus output maksimum sekitar 1,5A. Untuk pengoperasian secara aman, di samping digunakan heatsink (penyalur panas) atau pelat pendingan, maka arus output dapat dibatasi hingga maksimum sepertiga saja dari kemampuan arusnya, yakni sekitar 500mA saja. Sedangkan untuk transistornya dapat dipilih tipe 2N3055 dengan kemampuan arus 15A maksimum, dan faktor penguatan arus hFE antara 5 s/d 20, atau untuk dioperasikan pada arus kolektor 5A (ini sepertiga dari arus maks) maka bolehlah diasumsikan memiliki hFE = 15.

Dengan arus Basis maksimum 500mA (ini adalah output dari 7805), maka arus kolektor maksimum adalah Ic(max) = I_B x hFE = 500mA x 15 = 7,5 Ampere.

Dengan demikian rangkaian sumber arus konstan dapat memiliki kemampuan arus hingga 7,5 Ampere. 

Lantas berapakah nilai R_E?

R_E = V_E / I_E = V_E / (I_C + I_B) 

V_E = V_B - V_BE = 5V - 0,7V = 4,3V

Sehingga:

R_E = 4,3V / (7,5A+500mA) = 4,3V / 8A

R_E = 0,54 Ohm

Berapa kemampuan daya dari resistor ini?

P = E² / R_E = 4,3² / 0,54 = 34,2 Watt

Bisa digunakan kawat nikelin yang dapat dilewati arus maksimum 8A , dengan panjang tertentu agar memiliki resistansi sebesar 0,54 Ohm.

Untuk versi 79xx dan transistor PNP, rangkaian sebagai berikut. Dapat digunakan IC regulator type 7905 dan transistor MJ2955, yang merupakan transistor komplemen (pasangannya) dari 2N3055.

Gambar 4: Rangkaian Sumber Arus Konstan dengan IC 7905 sebagai pembias stabil dan transistor PNP.