Pengantar
Perangkat elektronik yang memerlukan arus DC mestinya dicatu oleh suplai arus searah DC (direct current ) yang stabil agar dapat bekerja 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
| DEFINISI POWER SUPPLY |
Power supply atau catu daya adalah sebuah peralatan penyedia tegangan atau sumber daya untuk peralatan elektronika dengan prinsip mengubah tegangan listrik yang tersedia dari jaringan distribusi transmisi listrik ke level yang diinginkan sehingga berimplikasi pada pengubahan daya listrik.
Dalam sistem pengubahan daya, terdapat empat jenis proses yang telah dikenal yaitu sistem pengubahan daya AC ke DC, DC ke DC, DC ke AC, dan AC ke AC. Masing masing sistem pengubahan memiliki keunikan aplikasi tersendiri, tetapi ada dua yang implementasinya kemudian berkembang pesat dan luas yaitu sistem pengubahan AC ke DC (DC power supply) dan DC ke DC (DC-DC converter) .
Tipe – tipe DC power supply :
Dalam materi ini khusus dibahas mengenai DC power supply, untuk materi DC converter kunjungi:
http://www.elektroindonesia.com/elektro/elek24.html
http://www.elektroindonesia.com/elektro/elek24.html
Beberapa fungsi yang masuk dalam proses pengubahan daya AC ke DC adalah sebagai berikut:
- Pengubahan Tegangan , berfungsi untuk mengubah tegangan listrik yang tersedia dari jaringan distribusi transmisi listrik ke level yang diinginkan
- Penyearah, sebagai pengubah arah tegangan atau voltase dari AC ke DC
- Filter atau penyaring, bertugas sebagai pembersih gelombang keluaran dari riak (ripple ) yang berasal dari proses penyearahan
- Pengaturan (regulatorion), bertujuan untuk mengendalikan tegangan keluaran sehingga menjadi stabil walaupun terjadi variasi atau perubahan pada suhu, beban, maupun tegangan masukan dari jaringan transmisi listrik
Idealnya, pengubahan daya ke DC memiliki karateristik seperti misalnya efisiensi 100%, gelombang keluaran yang tetap (constant output) walaupun dihadapkan pada variasi dari voltase transmisi (untuk power supply DC), arus pada beban, maupun suhu. Karakteristik ideal lainnya adalah tidak memiliki impedansi pada terminal keluaran (zero impedance output) untuk setiap jenjang frekuensi, dan juga tidak memiliki gangguan (noise) maupun ripple pada gelombang keluaran. Gambar 1 menunjukkan perbedaan dalam hal pengaturan beban dan ripple pada gelombang keluaran antara pengubah yang ideal dan yang praktis.
Gambar 1 . Karakteristik ideal dan praktis pada pengubah ke DC
Selanjutnya, pada Gambar 2 dapat dilihat dua buah contoh rangkaian yang umum dipakai untuk menghasilkan daya DC dari daya AC, yaitu rangkaian dengan konfigurasi Center-Tapped Transformer dan Penyearah Bridge (Bridge Rectifier). Kedua contoh tersebut memakai penyearah jenis gelombang penuh (full wave rectifier) yang mengakibatkan tingkatan ripple yang minimum pada gelombang keluaran.
Gambar 2 . Rangkaian dengan konfigurasi Center-Tapped Transformer dan Penyearah Bridge (Bridge Rectifier).
Power Supply tipe switching menjadi semakin populer pemakaiannya karena tipe ini memberikan penyediaan daya DC yang efisiensi dan densitas dayanya sangat tinggi dibandingkan dengan tipe linear. Untuk lebih jelasnya, beberapa perbandingan antara kedua tipe tersebut dapat dilihat pada Tabel 1.
Spesifikasi
|
Tipe Linear
|
Tipe Switching
|
Pengaturan Beban (Load regulatorion)
Variasi Gelombang Keluaran (Output Ripple) Variasi Voltase masukan (Input Voltage Range) Efisiensi Densitas Daya (Power Density) Waktu Peralihan (Transient Recovery) |
0.02-0.01%
0.5-2 mV rms +/- 10% 40-55% 0.5 W/in^3 50 usec |
0.1-1.0%
25-100 mV p-p +/- 50% 60-80% 2.3 W/in^3 300 usec |
Tabel 1. Perbandingan antara tipe Linear dan Switching
Salah satu topologi dari power supply tipe switching adalah dengan metode flyback (flyback regulator) seperti yang diilustrasikan pada Gambar 3 berikut ini.
Gambar 3 . Rangkaian dasar Flyback Regulator
Pengaturan besarnya daya keluaran melalui komponen switch dikendalikan dengan metode modulasi lebar pulsa atau PWM (Pulse Width Modulation) di mana semakin lama switch berstatus ON semakin banyak energi yang disimpan dalam transformer dan semakin besar pula daya yang dikirim ke beban. Selain itu, untuk menghasilkan tegangan keluaran yang stabil, maka tegangan tersebut dapat diumpan balik dan dibandingkan dengan tegangan referensi (reference voltage) dan selisihnya kemudian dapat digunakan untuk mengendalikan lamanya switch berstatus ON dan OFF. Pada gambar 4, dapat dilihat konfigurasi lengkap dari metode Flyback tersebut. Sebutan lain power supply tipe switching adalah tipe "off-line" karena tegangan DC yang menjadi masukan adalah melalui proses penyearah langsung dengan penyearah Bridge dari sisi AC atau dari jaringan listrik dengan tanpa menggunakan transformer 50 atau 60 Hz. Pada rangkaian yang sama juga terlihat adanya sistem umpan balik yang harus terisolasi dari sisi AC dengan menggunakan transformer ukuran kecil ataupun dengan opto-isolator.
| KONSEP PENYEARAHAN |
Penyearah dalam sistem, penyediaan sumber daya DC berfungsi sebagai pengubah arah tegangan atau voltase dari AC ke DC .
Catu daya dc adalah sumber bolak-balik AC ( alternating current ) dari pembangkit tenaga listrik yang diubah menjadi searah DC ( direct current) .
Konsep perubahan AC menjadi DC disebut penyearahan ( rectifiering ).
Ada 3 jenis penyearahan :
Rangkaian Penyearah 1/2 Gelombang
 |
Tegangan masukan (V in ) adalah sebuah tegangan sinussioda .
Asumsikan sebuah perilaku dioda ideal, pada setengah sinyal positif dioda mendapat pemberian bias maju (forward bias) sehingga menyebabkan setengah sinyal positif muncul pada RL atau beban.
|
Kondisi ini membuat dioda berlaku sebagai penghantar. Pada setengah putaran negatif, dioda mendapat bias mundur (reverse bias), sehingga dioda dalam kondisi tidak menghantar, oleh karena itu rangkaian memotong sinyal setengah negatif.
| |
 |  |
Tegangan output (V out ) setengah gelombang merupakan sebuah tegangan DC yang bergerak naik sampai maksimum dan menurun sampai nol, dan tetap nol selama sinyal negatif.
| |
- Nilai Sinyal DC setengah Gelombang
Pada prinsipnya, nilai DC setengah gelombang diperoleh dari :
karena nilai dari 
= 0,318V, sehingga :
= 0,318V, sehingga :
- Frekuensi Keluaran
Frekuansi keluaran sama dengan frekuensi masukan. Tiap-tiap putaran masukan menghasilkan satu putaran tegangan keluaran. Dengan demikian kita dapat menulis :
Rangkaian Penyearah Gelombang Penuh
 |
Perhatikan grounded center tap pada kumparan sekunder trafo ! Mengapa demikian ?
Rectifier gelombang penuh sama dengan rectifier ½ gelombang sehingga masing-masing rectifier gelombang penuh memiliki tegangan yang sama (equal) dengan setengah tegangan sekunder D1 menghantar ke sinyal setengah positif, dan dioda D2 menghantar ke sinyal setengah negatif. Hasilnya arus beban rectifier mengalir selama setengah sinyal bersama-sama.
|
Rectifier gelombang penuh berbuat sama dengan dua kali bolak-balik pada rectifier setengah gelombang.
| |
 |  |
- Nilai DC atau Nilai Rata-rata
Karena sinyal gelombang penuh mempunyai dua kali sinyal setengah positif, DC atau nilai rata-rata barnilai dua kali nilai dc setengah gelombang.
Pada prinsipnya, nilai dc penyearah gelombang penuh diperoleh dari :
 |
karena nilai dari 
= 0,636 V, sehingga :
= 0,636 V, sehingga : |
- Frekuensi Keluaran
Pada sebuah rectifier gelombang penuh, sesuatu tidak biasa terjadi pada frekuensi keluaran. Tegangan saluran AC mempunyai frekuensi 60 Hz. Karena itu, periode masukkannya sama dengan :
 |
Karena penyearahan gelombang penuh, periode sinyal gelombang penuh adalah setengah periode masukan :
 |
sehingga kita dapatkan
 |
Frekuensi sinyal gelombang penuh adalah dua kali frekuensi masukan. Hal ini beralasan karena sebuah keluaran gelombang penuh mempunyai dua kali periode masukan gelombang sinus, hanya saja rectifier gelombang penuh membalikkan masing-masing periode setengah negatif sehingga kita mendapatkan jumlah dua kali periode positif. Akibatnya, adalah penggandaaan frekuensi sehingga :
Gelombang penuh :
|  |
Rangkaian Penyearah Gelombang Penuh Sistem Jembatan
 |
Rectifier jembatan menyerupai rectifier gelombang penuh sebab ia memproduksi tegangan keluaran gelombang penuh. Dioda-dioda D1 dan D2 menghantar di atas setengan periode positif dan D3 dan D4 menghantar di atas setengah periode negatif. Sebagai hasilnya arus beban rectifier mengalir selama diantara setengah periode.
| ||
| |||
Karena sebuah penyearah jembatan menghasikan sebuah keluaran gelombang penuh, persamaan untuk nilai rata-rata dengan frekuensi keluaran sama seperti yang diberikan untuk penyearah gelombang penuh :
dan
| |||
| DEFINISI FILTER |
Fungsi filter pada catu daya adalah sebagai penyaring arus ripple akibat proses penyearahan yang masih terdapat arus AC. Filter yang umum dipakai adalah filter dengan kapasitor. Filter ini mampu membentuk bentuk gelombang tegangan keluarnya bisa menjadi rata.
Contoh rangkaian penyearah tanpa menggunakan filter
Contoh rangkaian penyearah dengan menggunakan filter kapasitor
- Arus Riak (Ripple Current)
Akibat dari arus ripple sedikit banyak mengganggu keluaran dari catu daya. Ilustrasi berikut menunjukkan bentuk keluaran tegangan DC dari rangkaian penyearah setengah gelombang dengan filter kapasitor.
Garis b-c kira-kira adalah garis lurus dengan kemiringan tertentu, di mana 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 bergantung pada 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 :
V r = V M -V L
|
dan tegangan dc ke beban adalah :
V dc = V M + V r /2
|
Supaya lebih jelas, lihat Simulasi 3
Sumber AC menghasilkan sebuah arus dalam induktor, kapasitor, dan resistor. Arus AC pada tiap-tiap komponen bergantung pada reaktansi induktif , reaktansi kapasitif , dan resistansi .
Induktor memiliki sebuah reaktansi yang diberikan oleh :
 |
Kapasitor memliki sebuah reaktansi yang diberikan oleh :
 |
 |
Persyaratan pertama desain filter induktor adalah untuk memperoleh nilai Xc lebih kecil dari R L. Persyaratan kedua desain filter induktor adalah untuk memperolah X L lebih besar dari X C. Ketika X L lebih besar dari X C , hampir semua tegangan AC melalui induktor , persamaan tegangan keluaran AC :
|
- Bentuk gelombang keluaran
Tegangan DC ideal didasarkan perilaku komponen penyearah yang diasumsikan ideal.
Tegangan DC aktual didasarkan pada hasil pengukuran.
Filter tipe induktor menghasilkan tegangan keluaran DC yang sama dengan nilai rata-rata tegangan rectifier. Filter tipe kapasitor menghasilkan tegangan keluaran DC yang sama dengan nilai puncak tegangan rectifier. Tipe ini umum dipakai dalam system DC power supply.
Prinsip filter kapasitor adalah proses pengisian dan pengosongan kapasitor. Saat dioda forward, kapasitor terisi dan tegangannya sama dengan periode ayunan tegangan sumber. Pengisian berlangsung sampai nilai maksimum, pada saat itu tegangan C sama dengan Vp
Pada ayunan turun kearah reverse, kapasitor akan mengosongkan muatannya. Jika tidak ada beban, maka nilainya konstan dan sama dengan Vp, tetapi jika ada beban maka keluarannya (Vout) memliki sedikit ripple akibat kondisi pengosongan. Untuk lebih jelas, mari kita lihat gambar berikut
 | Kondisi tanpa beban |
 | Kondisi berbeban |
Pada filter kapasitor perhitungan tegangan ripple :
 |
dimana :
V R = tegangan ripple puncak ke puncak
I = arus beban DC
f = frekuensi ripple
C = kapasitor filter
Rangkaian RC filter terdiri dari dua kapasitor C1 dan C2 dan sebuah resistor. Prinsip kerja filter ini adalah membuat gelombang yang dihasilkan dari rectifier mendekati gelombang DC murni.
Pada saat rectifier mengeluarkan gelombang tegangan pada nilai puncak, maka kapasitor C1 akan terisi dengan muatan (charge). Ketika gelombang tegangan menurun, nilainya menuju titik nol, C1 akan mengeluarkan muatan (discharge).
Kondisi C1 yang selalu terisi muatan dan mengeluarkannya membuat ripple gelombang semakin kecil ( b), selanjutnya gelombang diperhalus oleh C2 hingga gelombang tegangan keluaran menyerupai gelombang tegangan DC ( c ).
Pada akhirnya, gelombang tegangan output hampir menyerupai dengan gelombang tegangan DC ( d ).
Bentuk gelombang keluaran
| DEFINISI REGULATOR |
Regulator adalah rangkaian regulasi atau pengatur tegangan keluaran dari sebuah catu daya agar efek darinaik atau turunnya tegangan jala-jala tidak mempengaruhi tegangan catu daya sehingga menjadi stabil.
Rangkaian penyearah sudah cukup bagus jika tegangan ripple -nya kecil, tetapi 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 keluarannya juga ikut turun. Untuk beberapa aplikasi perubahan tegangan ini cukup mengganggu, sehingga diperlukan komponen aktif yang dapat meregulasi tegangan keluaran ini menjadi stabil.
- Perlunya Regulator
Ada beberapa alasan yang mungkin diperlukannya sebuah regulator....
- Fluktuasi tegangan jala-jala
- Perubahan tegangan akibat beban (loading)
- Perlu pembatasan arus dan tegangan untuk keperluan tertentu
Ada 4 jenis regulator :
- Regulator dengan Zener
- Regulator Zener Follower
- Regulator dengan op-amp
- Regulator dengan IC (Integrated Circuit)
 |
Rangkaian regulator yang paling sederhana, zener bekerja pada daerah breakdown sehingga menghasilkan tegangan output yang sama dengan tegangan zener atau :
Namun, rangkaian ini hanya bermanfaat jika arus beban tidak lebih dari 50mA.
|
 |
Regulator ini pada dasarnya adalah regulator zener yang dikonfigurasikan dengan sebuah transistor NPN untuk menghasilkan arus yang cukup besar. V BE adalah tegangan base-emitor dari transistor Q1 yang besarnya antara 0.2 - 0.7 volt bergantung pada jenis transistor yang digunakan. Dengan mengabaikan arus I B yang mengalir pada base transistor, dapat dihitung besar tahanan R2 yang diperlukan adalah :
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
|
Jika diperlukan catu arus yang lebih besar, tentu perhitungan arus base I B pada rangkaian di atas tidak bisa diabaikan lagi. Seperti yang diketahui, besar arus I C akan berbanding lurus terhadap arus I B atau dirumskan dengan :
IC = ß × IB .
|
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. Dioda zener di sini tidak langsung memberi umpan ke transistor Q, tetapi sebagai tegangan referensi bagi Op-Amp IC1. Umpan balik pada pin negatif Op-amp adalah cuplikan dari tegangan keluar regulator, yaitu :
Jika tegangan keluar V out menaik, tegangan V in(-) juga akan menaik sampai tegangan ini sama dengan tegangan referensi Vz. Demikian sebaliknya jika tegangan keluar V out menurun, misalnya karena suplai arus ke beban meningkat, Op-amp akan menjaga kestabilan di titik referensi V z dengan memberi arus IB ke transistor Q1 sehingga pada setiap saat Op-amp menjaga kestabilan:
|
V in(-) = V z
|
Dengan mengabaikan tegangan VBE transistor Q1 dan mensubsitusi rumus, diperoleh hubungan matematis :
V out = ( (R1+R2)/R2) V z
|
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 seri78XX 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.
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.
SIMULASI
Rectifier, Filter & Regulator
Rectifier, Filter & Regulator
Rectifier, Filter & Regulator
Sumber : m-Edukasi.net
No comments:
Post a Comment