CATU DAYA
Saya menemukan artikel ini di kumpulan arsip-arsip tulian saya,entah tahun berapa saya menyusunnya.Sepertinya artikel ini sangat berguna,jadi saya muat di blog ini.
Segala instrumen elektronik memerlukan sumber daya DC untuk beroperasi.Ada beberapa yang menggunakan sumber daya dari baterai, namun pada umumnya sumber daya diperoleh dari suatu rangkaian yang mengubah tegangan dari jaringan listrik (220 V, 50 Hz) menjadi suatu nilai tegangan DC.
Pencatu daya dituntut memberikan arus dan tegangan DC dengan toleransi tegangan kecil, tegangan catu yang tidak dipengaruhi oleh tegangan masukan dan beban, dan tegangan kerut (ripple) yang rendah.Ini berarti pencatu daya harus melakukan stabilisasi dan regulasi yang baik.
Rangkaian dasar catu daya setengah gelombang atau gelombang penuh memiliki tegangan keluaran yang bukanlah suatu nilai DC yang konstan.Walaupun setelah melewati filter yang berupa kondensator, namun diatas keluaran DC tersebut menumpuk suatu gelombang bolak – balik yang disebut ripple atau kerut.Gambar 1a. adalah rangkaian dasar catu daya dengan penyearah gelombang penuh yang menggunakan dua buah dioda dan trafo bertap tengah (CT), sedangkan gambar 1.b. menggunakan penyearah jembatan dan trafo tanpa bertap tengah.
(a)
(b)
Gambar 1. Rangkaian dasar catu daya dengan
(a) penyearah gelombang penuh menggunakan dua buah dioda dan (b) menggunakan penyearah jembatan.
Setelah rangkaian penyearah dan filter, suatu catu daya membutuhkan rangkaian pengatur tegangan.Salah satu jenis rangkaian pengatur tegangan yang menggunakan transistor adalah pengatur seri.Rangkaian pengatur seri sederhana diperlihatkan dalam gambar 2.R1 membatasi arus yang melalui dioda zener ke suatu taraf yang aman.Suatu tegangan yang pasti timbul pada dioda zener.Tegangan di emitor adalah tegangan pada dioda zener dikurangi tegangan sambungan basis-emitor yang besarnya kira - kira 0,7 Volt.Karena arus yang diberikan ke beban mengalir melalui transistor, dioda zener daya rendah dapat digunakan tanpa memperhatikan kebutuhan arus dari beban.Kondensator C1 digunakanuntuk menolak setiap desis biasa atau desis dari jaringan yang muncul pada dioda zener.
Gambar 2.Rangkaian Pengatur Tegangan.
Agar dapat memberikan arus yang lebih tinggi kepada beban maka digunakan sepasang darlington sebagai ganti dari transistor tunggal.Dalam gambar 3., digunakan transistor yang kuat dan berdaya tinggi sebagai Tr2.Diantara basis Tr1 dan emitor Tr2 terdapat tegangan jatuh yang berkisar 1 Volt.Bila digunakan dioda zener 15 Volt, maka di emitor Tr2 terdapat tegangan kira - kira 14 Volt.Untuk meminimalkan tegangan jatuh tersebut dapat digunakan transistor germanium untuk Tr1
Gambar 3. Menggunakan pasangan darlington sebagai ganti transistor tunggal.
Untuk rangkaian digital yang melibatkan banyak IC TTL dan LED 7 segment, diperlukan rangkaian catu daya 5 Volt yang dapat memberikan arus yang cukup besar.Rangkaian lengkap catu daya tersebut diperlihatkan pada gambar 4.Rangkaian tersebut menggunakan rangkaian pengatur tegangan umpan balik.Sejumlah tegangan keluaran diumpan balikkan kepada basis Tr2.Rangkaian catu daya pada gambar 4 merupakan variasi dari pengatur seri yang telah diberikan sebelumnya.Tegangan di C1 dapat dihitung dengan cara dibawah ini :
U C1 = 9 Volt x √2 – 1,4
= 11,3 volt
1,4 merupakan penurunan tegangan oleh dioda penyearah.Tegangan kerja kondensator harus selalu lebih tinggi dari tegangan yang melintasinya.Trafo harus mampu mengeluarkan arus 1,5 kali lebih besar dari arus yang dibutuhkan rangkaian.
Walaupun cukup sederhana tetapi rangkaian catu daya tersebut mempunyai stabilitas yang baik terhadap tegangan masukan dan beban.Untuk keperluan tegangan keluaran yang lain, maka perlu dilakukan penyesuaian terhadap tegangan sekunder Trafo, D5, R2, dan VR.
Gambar 4. Rangkaian catu daya 5 Volt menggunakan pengatur tegangan umpan
balik.
Untuk keperluan laboratorium atau eksperimen kita memerlukan catu daya variabel.Dengan catu daya tersebut kita dapat memenuhi kebutuhan berbagai macam rangkaian yang sedang dirancang atau diuji.Rangkaian catu daya variabel dapat dilihat pada gambar 5. Dalam rangkaian tersebut, Tr1 dan Tr2 bertugas sebagai penguat kesalahan yang dirangkai sebagai penguat differensial.Rangkaian tersebut meningkatkan stabilitas tegangan keluaran terhadap perubahan temperatur sekitar.Tegangan acuan yang diperoleh melalui dioda zener 3,9 Volt diberikan ke penguat differensial lewat basis Tr1 dan disitu diperbandingkan dengan tegangan keluaran yang diperoleh dari potensiometer.Bila tegangan keluaran turun yang disebabkan bertambahnya beban, maka arus basis Tr2 mengecil, maka lewat Tr2 pun berkurang arusnya sehingga menaikkan tegangan kolektor.Hal ini menyebabkan Tr3 lebih menghantar dan memaksa keluaran kembali pada tegangan yang sangat mendekati nilai semula.Kebalikannya terjadi bila tegangan keluaran naik oleh suatu sebab.
Untuk menaikkan tegangan keluaran maksimalnya maka tegangan sekunder trafo dapat diganti dengan yang lebih tinggi sedangkan tegangan minimalnya sesuai dengan tegangan dari dioda zener yang dipakai, yaitu 3,9 Volt.Rangkaian catu daya tersebut paling tidak dapat memberikan arus sebesar 2 A.
Gambar 5.Catu daya dengan tegangan keluaran yang dapat diatur.
Selain menggunakan transistor, catu daya variabel juga dapat dibuat menggunakan op-amp (Gambar 6).Tegangan acuan diberikan kepada penguat tak membalik (+) sedangkan masukan membalik ( - ) mendapatkan tegangan keluaran lewat potensiometer.Karena op-amp berpenguatan tinggi, maka hanya sedikit selisih di antara kedua masukan akan menyebabkan keluaran op-amp berayun dalam saturasi positif atau negatif.Dalam rangkaian tersebut digunakan IC 741 yang merupakan penguat differensial dengan penguatan yang sangat tinggi, sehingga dapat dibuat catu daya yang relatif sederhana dengan kehandalan tinggi.
Gambar 6.Rangkaian catu daya variabel menggunakan op amp.
Dengan adanya IC pengatur tegangan tipe 78xx dan 79xx, dapat dibuat pencatu daya dengan sedikit komponen eksternal yang distabilkan dengan prima.IC dengan tiga kaki ini yaitu masukan, ground, dan keluaran, mudah didapatkan dan tersedia untuk tegangan keluaran dari 5 Volt sampai dengan 24 Volt.Semua tipe dilengkapi pembatas arus keluaran dan pelindung pembebanlebihan termik intern.Gambar 7 adalah rangkaian catu daya 5 Volt menggunakan IC 7805.IC 7805 memberikan tegangan keluaran 5 Volt dengan arus sampai 1A.Untuk arus keluaran yang lain juga tersedia misalnya 78L05 yang dapat memberikan arus sampai dngan 100 mA.Agar IC pengatur tegangan dapat bekerja dengan baik, tegangan masukan harus lebih tinggi dari tegangan keluaran yang diperlukan.Karena adanya variasi tegangan jaringan, maka langkah yang baik bila ada tegangan lebih 5 Volt sampai 10 Volt di kondensator C1.Untuk catu daya 5 Volt, dapat dipakai trafo dengan tegangan sekunder 9 Volt sehingga tegangan di C1 menurut perhitungan adalah 11,3 Volt.Kondensator C2 dipasang secara fisik sedekat mungkin dengan kaki IC pengatur tegangan.Kondensator ini terutama diperlukan bila IC pengatur tegangan berada jauh dari kondensator C1.Rangkaian tersebut juga dapat digunakan untuk pencatu daya dengan tegangan keluaran yang lain.Untuk IC 7812 dapat menggunkan trafo dengan tegangan sekunder 15 Volt.
Gambar 7.Rangkaian catu daya 5 V menggunakan IC pengatur tegangan.
Beberapa rangkaian misalnya yang menggunakan op-amp membutuhkan catu daya negatif, selain catu daya positif.Rangkaian catu daya ganda atau simetris ±12 Volt diperlihatkan pada gambar 8. Rangkaian tersebut menggunakan trafo bertap tengah.Untuk mendapatkan tegangan negatif digunakan IC pengatur tegangan 7912.Sama seperti rangkaian sebelumnya, catu daya tersebut juga dapat digunakan untuk IC pengatur tegangan dengan tegangan keluaran yang lain.
Gambar 8.Rangkaian catu daya simetris +/- 12 V.
Agar dapat memberikan arus keluaran yang lebih tinggi, maka dapat ditambahkan transistor daya pada rangkaian catu daya, seperti diperlihatkan pada gambar 9. Terdapat sedikit tegangan jatuh yang diakibatkan tegangan sambungan basis-emitor transistor.Untuk catu daya positif menggunakan transistor NPN sedangkan catu daya negatif menggunakan transistor PNP.
Gambar 9. Menggunakan transistor agar IC pengatur tegangan dapat memberikan arus yang lebih tinggi, (a) Catu daya positif menggunakan transistor NPN dan (b) catu daya negatif menggunakan transistor PNP.
Walaupun IC pengatur tegangan tipe 78xx dan 79xx dirancang untuk tegangan keluaran yang tertentu, tetapi dengan tambahan komponen eksternal kita dapat mengubah besarnya tegangan keluaran tersebut.Salah satunya adalah mengunakan dioda yang dihubungkan ke terminal ground dari IC (Gambar 10).Dalam gambar tersebut menggunakan contoh pengatur tegangan 7805 dan di keluarannya terdapat tegangan sebesar 5,6 Volt.
Gambar 10. Menambahkan sebuah dioda pada pengatur tegangan positif dan negatif untuk mengubah besarnya tegangan keluaran.
Bila menggunakan dua buah dioda, maka tegangan keluarannya sebesar 6,2 Volt (Gambar 11).Rangkaian tersebut juga dapat diterapkan pada pengatur tegangan seri 79xx.
Gambar 11. Menggunakan dua buah dioda untuk mengubah tegangan keluaran.
Dioda zener juga dapat digunakan untuk keperluan tersebut (Gambar 12).Tegangan keluaran adalah penjumlahan besarnya tegangan keluaran IC dengan tegangan dioda zener, tentu saja tegangan masukan harus melebihi hasil penjumlahan tersebut.
Gambar 12. Bila menggunakan dioda zener, maka tegangan keluaran adalah penjumlahan tegangan dioda zener dengan tegangan keluaran IC pengatur tegangan.
Selain IC pengatur tegangan dengan tegangan keluaran yang tetap, juga tersedia IC untuk tegangan keluaran yang dapat diatur.Salah satunya adalah LM 317, yang merupakan IC pengatur tegangan positif 3 terminal yang dapat distel.LM 317 mempunyai jangkah tegangan keluaran antara 1,2 Volt sampai dengan 37 Volt.dengan arus 1,5 A, dan juga memiliki pembatas arus keluaran dan pelindung pembebanlebihan termik intern.Tegangan keluaran dapat dihitung dengan rumus :
Vo = 1,25 V ( 1 + R2/R1)
IC ini memerlukan dua resistor ekstern untuk menyetel tegangan keluaran yang salah satunya dapat memakai potensiometer, untuk tegangan keluaran variabel.Untuk pengatur tegangan negatifnya adalah LM 337.
Gambar 13. Catu daya menggunakan IC pengatur tegangan dengan tegangan keluaran yang dapat diatur.
Rangkaian catu daya dengan tegangan keluaran yang variabel seperti pada gambar 6,dan13.membutuhkan meter tegangan pada panel depannya untuk menunjukkan tegangan keluarannya.Lebih baik bila terdapat juga meter arus.Gambar 14 menjelaskan pemasangan meter tegangan dan arus pada rangkaian catu daya.
Gambar 14. Penambahan meter tegangan dan arus pada catu daya.
Sebagai alternatif meter - meter tersebut, maka dapat digunakan meter untuk arus kecil misalnya 100 uA sebagai meter tegangan dan arus.Selanjutnya meter - meter tersebut dapat dikalibrasi dengan membandingkan dengan alat ukur yang presisi lalu memberi tulisan dan angka - angka yang sesuai pada meter - meter tersebut.Nilai resistor - resistor tersebut dapat disesuaikan menurut kebutuhan.
Gambar 15. Menggunakan mikro ampere meter sebagai meter tegangan dan arus.
(a)
(b)
Gambar 1. Rangkaian dasar catu daya dengan
(a) penyearah gelombang penuh menggunakan dua buah dioda dan (b) menggunakan penyearah jembatan.
Setelah rangkaian penyearah dan filter, suatu catu daya membutuhkan rangkaian pengatur tegangan.Salah satu jenis rangkaian pengatur tegangan yang menggunakan transistor adalah pengatur seri.Rangkaian pengatur seri sederhana diperlihatkan dalam gambar 2.R1 membatasi arus yang melalui dioda zener ke suatu taraf yang aman.Suatu tegangan yang pasti timbul pada dioda zener.Tegangan di emitor adalah tegangan pada dioda zener dikurangi tegangan sambungan basis-emitor yang besarnya kira - kira 0,7 Volt.Karena arus yang diberikan ke beban mengalir melalui transistor, dioda zener daya rendah dapat digunakan tanpa memperhatikan kebutuhan arus dari beban.Kondensator C1 digunakanuntuk menolak setiap desis biasa atau desis dari jaringan yang muncul pada dioda zener.
Gambar 2.Rangkaian Pengatur Tegangan.
Agar dapat memberikan arus yang lebih tinggi kepada beban maka digunakan sepasang darlington sebagai ganti dari transistor tunggal.Dalam gambar 3., digunakan transistor yang kuat dan berdaya tinggi sebagai Tr2.Diantara basis Tr1 dan emitor Tr2 terdapat tegangan jatuh yang berkisar 1 Volt.Bila digunakan dioda zener 15 Volt, maka di emitor Tr2 terdapat tegangan kira - kira 14 Volt.Untuk meminimalkan tegangan jatuh tersebut dapat digunakan transistor germanium untuk Tr1
Gambar 3. Menggunakan pasangan darlington sebagai ganti transistor tunggal.
Untuk rangkaian digital yang melibatkan banyak IC TTL dan LED 7 segment, diperlukan rangkaian catu daya 5 Volt yang dapat memberikan arus yang cukup besar.Rangkaian lengkap catu daya tersebut diperlihatkan pada gambar 4.Rangkaian tersebut menggunakan rangkaian pengatur tegangan umpan balik.Sejumlah tegangan keluaran diumpan balikkan kepada basis Tr2.Rangkaian catu daya pada gambar 4 merupakan variasi dari pengatur seri yang telah diberikan sebelumnya.Tegangan di C1 dapat dihitung dengan cara dibawah ini :
U C1 = 9 Volt x √2 – 1,4
= 11,3 volt
1,4 merupakan penurunan tegangan oleh dioda penyearah.Tegangan kerja kondensator harus selalu lebih tinggi dari tegangan yang melintasinya.Trafo harus mampu mengeluarkan arus 1,5 kali lebih besar dari arus yang dibutuhkan rangkaian.
Walaupun cukup sederhana tetapi rangkaian catu daya tersebut mempunyai stabilitas yang baik terhadap tegangan masukan dan beban.Untuk keperluan tegangan keluaran yang lain, maka perlu dilakukan penyesuaian terhadap tegangan sekunder Trafo, D5, R2, dan VR.
Gambar 4. Rangkaian catu daya 5 Volt menggunakan pengatur tegangan umpan
balik.
Untuk keperluan laboratorium atau eksperimen kita memerlukan catu daya variabel.Dengan catu daya tersebut kita dapat memenuhi kebutuhan berbagai macam rangkaian yang sedang dirancang atau diuji.Rangkaian catu daya variabel dapat dilihat pada gambar 5. Dalam rangkaian tersebut, Tr1 dan Tr2 bertugas sebagai penguat kesalahan yang dirangkai sebagai penguat differensial.Rangkaian tersebut meningkatkan stabilitas tegangan keluaran terhadap perubahan temperatur sekitar.Tegangan acuan yang diperoleh melalui dioda zener 3,9 Volt diberikan ke penguat differensial lewat basis Tr1 dan disitu diperbandingkan dengan tegangan keluaran yang diperoleh dari potensiometer.Bila tegangan keluaran turun yang disebabkan bertambahnya beban, maka arus basis Tr2 mengecil, maka lewat Tr2 pun berkurang arusnya sehingga menaikkan tegangan kolektor.Hal ini menyebabkan Tr3 lebih menghantar dan memaksa keluaran kembali pada tegangan yang sangat mendekati nilai semula.Kebalikannya terjadi bila tegangan keluaran naik oleh suatu sebab.
Untuk menaikkan tegangan keluaran maksimalnya maka tegangan sekunder trafo dapat diganti dengan yang lebih tinggi sedangkan tegangan minimalnya sesuai dengan tegangan dari dioda zener yang dipakai, yaitu 3,9 Volt.Rangkaian catu daya tersebut paling tidak dapat memberikan arus sebesar 2 A.
Gambar 5.Catu daya dengan tegangan keluaran yang dapat diatur.
Selain menggunakan transistor, catu daya variabel juga dapat dibuat menggunakan op-amp (Gambar 6).Tegangan acuan diberikan kepada penguat tak membalik (+) sedangkan masukan membalik ( - ) mendapatkan tegangan keluaran lewat potensiometer.Karena op-amp berpenguatan tinggi, maka hanya sedikit selisih di antara kedua masukan akan menyebabkan keluaran op-amp berayun dalam saturasi positif atau negatif.Dalam rangkaian tersebut digunakan IC 741 yang merupakan penguat differensial dengan penguatan yang sangat tinggi, sehingga dapat dibuat catu daya yang relatif sederhana dengan kehandalan tinggi.
Gambar 6.Rangkaian catu daya variabel menggunakan op amp.
Dengan adanya IC pengatur tegangan tipe 78xx dan 79xx, dapat dibuat pencatu daya dengan sedikit komponen eksternal yang distabilkan dengan prima.IC dengan tiga kaki ini yaitu masukan, ground, dan keluaran, mudah didapatkan dan tersedia untuk tegangan keluaran dari 5 Volt sampai dengan 24 Volt.Semua tipe dilengkapi pembatas arus keluaran dan pelindung pembebanlebihan termik intern.Gambar 7 adalah rangkaian catu daya 5 Volt menggunakan IC 7805.IC 7805 memberikan tegangan keluaran 5 Volt dengan arus sampai 1A.Untuk arus keluaran yang lain juga tersedia misalnya 78L05 yang dapat memberikan arus sampai dngan 100 mA.Agar IC pengatur tegangan dapat bekerja dengan baik, tegangan masukan harus lebih tinggi dari tegangan keluaran yang diperlukan.Karena adanya variasi tegangan jaringan, maka langkah yang baik bila ada tegangan lebih 5 Volt sampai 10 Volt di kondensator C1.Untuk catu daya 5 Volt, dapat dipakai trafo dengan tegangan sekunder 9 Volt sehingga tegangan di C1 menurut perhitungan adalah 11,3 Volt.Kondensator C2 dipasang secara fisik sedekat mungkin dengan kaki IC pengatur tegangan.Kondensator ini terutama diperlukan bila IC pengatur tegangan berada jauh dari kondensator C1.Rangkaian tersebut juga dapat digunakan untuk pencatu daya dengan tegangan keluaran yang lain.Untuk IC 7812 dapat menggunkan trafo dengan tegangan sekunder 15 Volt.
Gambar 7.Rangkaian catu daya 5 V menggunakan IC pengatur tegangan.
Beberapa rangkaian misalnya yang menggunakan op-amp membutuhkan catu daya negatif, selain catu daya positif.Rangkaian catu daya ganda atau simetris ±12 Volt diperlihatkan pada gambar 8. Rangkaian tersebut menggunakan trafo bertap tengah.Untuk mendapatkan tegangan negatif digunakan IC pengatur tegangan 7912.Sama seperti rangkaian sebelumnya, catu daya tersebut juga dapat digunakan untuk IC pengatur tegangan dengan tegangan keluaran yang lain.
Gambar 8.Rangkaian catu daya simetris +/- 12 V.
Agar dapat memberikan arus keluaran yang lebih tinggi, maka dapat ditambahkan transistor daya pada rangkaian catu daya, seperti diperlihatkan pada gambar 9. Terdapat sedikit tegangan jatuh yang diakibatkan tegangan sambungan basis-emitor transistor.Untuk catu daya positif menggunakan transistor NPN sedangkan catu daya negatif menggunakan transistor PNP.
Gambar 9. Menggunakan transistor agar IC pengatur tegangan dapat memberikan arus yang lebih tinggi, (a) Catu daya positif menggunakan transistor NPN dan (b) catu daya negatif menggunakan transistor PNP.
Walaupun IC pengatur tegangan tipe 78xx dan 79xx dirancang untuk tegangan keluaran yang tertentu, tetapi dengan tambahan komponen eksternal kita dapat mengubah besarnya tegangan keluaran tersebut.Salah satunya adalah mengunakan dioda yang dihubungkan ke terminal ground dari IC (Gambar 10).Dalam gambar tersebut menggunakan contoh pengatur tegangan 7805 dan di keluarannya terdapat tegangan sebesar 5,6 Volt.
Gambar 10. Menambahkan sebuah dioda pada pengatur tegangan positif dan negatif untuk mengubah besarnya tegangan keluaran.
Bila menggunakan dua buah dioda, maka tegangan keluarannya sebesar 6,2 Volt (Gambar 11).Rangkaian tersebut juga dapat diterapkan pada pengatur tegangan seri 79xx.
Gambar 11. Menggunakan dua buah dioda untuk mengubah tegangan keluaran.
Dioda zener juga dapat digunakan untuk keperluan tersebut (Gambar 12).Tegangan keluaran adalah penjumlahan besarnya tegangan keluaran IC dengan tegangan dioda zener, tentu saja tegangan masukan harus melebihi hasil penjumlahan tersebut.
Gambar 12. Bila menggunakan dioda zener, maka tegangan keluaran adalah penjumlahan tegangan dioda zener dengan tegangan keluaran IC pengatur tegangan.
Selain IC pengatur tegangan dengan tegangan keluaran yang tetap, juga tersedia IC untuk tegangan keluaran yang dapat diatur.Salah satunya adalah LM 317, yang merupakan IC pengatur tegangan positif 3 terminal yang dapat distel.LM 317 mempunyai jangkah tegangan keluaran antara 1,2 Volt sampai dengan 37 Volt.dengan arus 1,5 A, dan juga memiliki pembatas arus keluaran dan pelindung pembebanlebihan termik intern.Tegangan keluaran dapat dihitung dengan rumus :
Vo = 1,25 V ( 1 + R2/R1)
IC ini memerlukan dua resistor ekstern untuk menyetel tegangan keluaran yang salah satunya dapat memakai potensiometer, untuk tegangan keluaran variabel.Untuk pengatur tegangan negatifnya adalah LM 337.
Gambar 13. Catu daya menggunakan IC pengatur tegangan dengan tegangan keluaran yang dapat diatur.
Rangkaian catu daya dengan tegangan keluaran yang variabel seperti pada gambar 6,dan13.membutuhkan meter tegangan pada panel depannya untuk menunjukkan tegangan keluarannya.Lebih baik bila terdapat juga meter arus.Gambar 14 menjelaskan pemasangan meter tegangan dan arus pada rangkaian catu daya.
Gambar 14. Penambahan meter tegangan dan arus pada catu daya.
Sebagai alternatif meter - meter tersebut, maka dapat digunakan meter untuk arus kecil misalnya 100 uA sebagai meter tegangan dan arus.Selanjutnya meter - meter tersebut dapat dikalibrasi dengan membandingkan dengan alat ukur yang presisi lalu memberi tulisan dan angka - angka yang sesuai pada meter - meter tersebut.Nilai resistor - resistor tersebut dapat disesuaikan menurut kebutuhan.
Gambar 15. Menggunakan mikro ampere meter sebagai meter tegangan dan arus.
