Didaktik 3 Power-supply

7/28/2019 Didaktik 3 Power-supply

1/22

Bab 3 DC Power Supply

[email protected] 1

BAB 3DC POWER SUPPLY

Standar kompetensi :

1. Menyebutkan dan menjelaskan blok diagram DC PSU

2. Menganalisa faktor ripple penyearah3. Menjelaskan fungsi blok rangkaian penyearah, filter, dan regulator

OVERVIEWHampir semua peralatan elektronik yang sifatnya portable (misalnya handphone, walkietalkie, remote control, dll) membutuhkan tegangan DC untuk beroperasi. Peralatanelektronik lain yang bukan portable pun juga banyak membutuhkan tegangan DCuntuk beroperasi, misalnya TV, Home Theater dan sejenisnya.DC Power Supply adalah piranti yang digunakan untuk mengubah arus AC menjadi arusDC dengan level tegangan sesuai dengan kebutuhan suatu alat tersebut.

1. Blok diagram DC PSU secara umumGambar 2.1 berikut adalah blok diagram DC PSU secara umum :

Gambar 2.1

Blok diagram DC power supply

Fungsi dari setiap bagian DC PSU dijelaskan sebagai berikut :

2. TransformerTransformer yang sering digunakan dalam DC PSU adalah jenis step down yang berfungsiuntuk memperkecil tegangan yang masuk ke dalam rectifier. Misalnya tegangan jala-jalaPLN 220 VAC(berbahaya) akan diperkecil menjadi 20 VAC(tidak berbahaya) atau teganganlain yang sesuai dengan kebutuhan. Output yang dihasilkan dari transformer step downhanya akan mengalami penurunan tegangan, sedangkan frekuensi dan fasenya tetapseperti tegangan input/primer, kecuali kalau jenis trafonya berbeda node/node-nyaterbalik.

3. Rectifier/Rangkaian Penyearah ArusSecara umum rectifier berfungsi untuk menyearahkan arus. Arus output daritransformer(masih berupa arus bolak-balik) akan disearahkan menggunakan komponen

Transformer Rectifier Filter Regulator Load

220 V rms


2/22


[email protected] 2

dioda. Ada 2(dua) jenis penyearah pada DC PSU yaitu half wave rectifier dan full waverectifier.

3. A Penyearah Setengah Gelombang / Half Wave RectifierGambar 2.2 di bawah menunjukkan contoh rangkaian penyearah setengah gelombang.

Cara kerja rangkaian tersebut adalah sebagai berikut :- selama periode sinyal positif(0 sampai ), maka titik A akan lebih positif

dibandingkan titik B, akibatnya dioda D1 akan terbias maju(forward bias) sehinggaarus dapat mengalir melewati RL.

- Arus yang mengalir melewati RL menghasilkan tegangan pada RL dimana polaritastegangan sama dengan potensial sumber tegangan input-rectifier yaitu dari +menuju -.(menggunakan terminologi arus konvensional)

- Selama periode sinyal negatif( sampai 2 ), maka titik A akan lebih negatifdibandingkan titik B, akibatnya dioda D1 akan terbias mundur(reverse bias)sehingga tidak ada arus mengalir melewati RL, hal ini berarti juga tidak adategangan pada RL(VRL = 0 digambarkan dengan garis horizontal berhimpit dengansumbu waktu t.)

Gambar 2.2

(a)Rangkaian half wave

(b)Bentuk gelombang input rectifier half wave

(c)Bentuk gelombang output rectifier half wave

Selain analisa secara grafik, perlu juga menghitung tegangan output rectifierhalf waveuntuk mengetahui kualitas rangkaian dengan pendekatan sebagai berikut(denganmengacu kepada bentuk gelombang outputrectifier):

B

A

220 VS

D1

VR

RL

32

t

Vs =Vm sin tvs(t)

Vm

-Vm

0

(b) Input rectifier =output transformer

i(t)Im

0mI

Idc

(c) Output rectifier =tegangan pada RL

2 3

(a ) Gambar rangkaian penyearah half wave

t


3/22


[email protected] 3

0.318jadi

31802

211

2

02

1

2

1

2

1

1

:dituliskandapatwavehalfrectifierrata-rataDCoutputtegangannperhitungamaka

arus)adatidak(karena0maka2dan

maka0dimana

:yaitubagian2(dua)menjadidibagidapat2sampai0antarawaktu

0

0

mDC avg

mmmm

m

om

m

T

avgDC

m

vv

vvvv

v

tv

dttv

dttvTv

tvt

tvtvt

=

===+=

+=

=

=

=

=

=


4/22


[email protected] 4

Gambar 2.3 menunjukkan contoh rangkaian penyearah gelombang penuh. Cara kerjarangkaian tersebut adalah sebagai berikut :

- selama periode sinyal positif(0 sampai ), maka titik A akan lebih positifdibandingkan titik B, akibatnya dioda D2 dan D4 akan terbias maju(perhatikanbahwa Anoda D2 terhubung ke + dan Katoda D4 terhubung ke - ) sedangkan D1

dan D3 terbias mundur.- karena D2 dan D4 dalam keadaan konduksi, maka arus akan mengalir melewati RL

mengakibatkan adanya tegangan pada RL dimana polaritas tegangan samadengan potensial sumber tegangan input-rectifier yaitu dari + menuju -.(menggunakan terminologi arus konvensional)

- selama periode sinyal negatif( sampai 2 ), maka titik A akan lebih negatifdibandingkan titik B, akibatnya dioda D2 dan D4 akan terbias mundur dansebaliknya D1 dan D3 akan terbias maju. Karena D1 dan D3 konduksi, maka tetapada arus mengalir melewati RL, hal ini berarti tetap ada tegangan pada RL(VRL = + ,karena arah arus pada RL tetap sama seperti sebelumnya)

Gambar 2.3

(a)Rangkaian full wave

(b)Bentuk gelombang output rectifier full wave

220 V50 Hz

Vp

D1

RL

Vo

D2

D3D4

Vs

(a)

A

B

Vm

Vo t

IDEAL

t0 2 3 4

(b)


5/22


[email protected] 5

mavgDC

mmmm

m

om

mm

T

DCavg

m

m

vv

vvvv

v

ttv

dttvtv

dttvT

v

ttv

ttvtv

6360

63602

2

41111

2

202

1

2

1

2

1

1

2

0

gelombangperiodesetiapuntukteganganpersamaan

2

2

0

0

.

.)(

)coscoscoscos(

)coscos(

)sinsin(

)(

,sin

,sin)(

=

===+++=

++=

+=

=

=


6/22


[email protected] 6

Faktor riak didefinisikan sebagai perbandingan antara tegangan riak efektif dengantegangan dc rata-rata. Dituliskan dengan persamaan sebagai berikut :

rataratakomponen

efektifskomponenr

=

dcsinyal

acinyal

averageDC

rmsripple

VVr

= -

Vripple-rms merupakan gelombang periodik(pengamatan secara grafik) dan dihitung sebagaikomponen AC dari tegangan output rectifier, sedangkan VDC-average dapat dihitung daripersamaan integral sinusoidal yang sudah dibahas pada bagian 3.A dan 3.B

Persamaan untuk menghitung tegangan ripple efektif dituliskan sebagai berikut :

[ ] 2122 /avgDCrmsACrmsr VVV =

3. C.1 Faktor Riak/Ripple Factor Penyearah Setengah GelombangUntuk dapat menghitung faktor riak/ripple factor dari tiap jenis penyearah, maka perlumenghitung tegangan ripple efektif dari setiap jenis penyearahnya. Proses perhitunganditampilkan pada uraian berikut :

Untuk penyearah setengah gelombang diketahui :

2C

mrmsA

vv = dan m

mavgDC v

vv 3180 .==

maka :

[ ] 2122 /avgDCrmsACrmsr vvv =

21

22

21

22

1

2

1

1

2

=

=

m

m

v

v

mrmsr vv 3850,=

Faktor riak penyearah setengah gelombang dapat dihitung

%%,

,% 121100

3180

3850100 ===

xv

vx

v

vr

m

m

avgDC

rmsr


7/22


[email protected] 7

3. C.2 Faktor Riak/Ripple Factor Penyearah Gelombang PenuhUntuk penyearah gelombang penuh diketahui :

2

Cm

rmsA

vv = dan m

mavgDC v

vv 6360

2 .==

maka :

[ ] 2122 /avgDCrmsACrmsr vvv =

21

2

21

22

4

2

1

2

2

=

=

m

mm

v

vv

mrmsr vv 3080,=

Faktor riak penyearah gelombang penuh dapat dihitung :

%%,

,% 48100

6360

3080100 ===

xv

vx

v

vr

m

m

avgDC

rmsr

Dari hasil perhitungan di atas dapat,maka dapat dibuat tabel kesimpulan seperti berikut :

Tabel 2.1 Perbandingan besaran tegangan penyearah

VDC-avg VAC-rms Vr-rms Ripple

factorPenyearah Gelombang 0.318Vm 0.5Vm 0.385Vm 121%

Penyearah gelombang penuh 0.636Vm 0.707Vm 0.308Vm 48%

4. FilterFilter pada DC PSU berfungsi untuk menyaring riak gelombang dari rectifier. Padapembahasan sebelumnya diketahui ternyata faktor riak dari rectifier masih sangatbesar(121% untuk half wave rect. dan 47% untuk full waverect.). Ripple ini akan menjadipenyebab banyak gangguan pada rangkaian yang sensitif terhadap perubahantegangan, misalnya pada peralatan untuk telekomunikasi dan rangkaian digital. Ripple

inilah yang akan dihilangkan atau diminimalkan dengan menggunakan filter. Jenis -jenisfilter yang biasa digunakan pada DC PSU diantaranya :

Filter C( Filter Kapasitor ) Filter RC-Seri ( Resistor Kapasitor ) Filter LC-Seri ( Induktor Kapasitor ) Filter PHI

4.1 Filter Kapasitor


8/22


[email protected] 8

Filterkapasitor adalah rangkaian filteryang paling sederhana karena hanya terdiri

dari satu kapasitor yang dirangkai paralel dengan beban. Gambar 4.1b menunjukkan

gambar rangkaian rectifieryang sudah ditambah dengan filterkapasitor.

(a) tanpa filter (b) dengan filter

(c) bentuk gelombang tanpa filter (d) bentuk gelombang setelah ada filter

Gambar 4.1

Filter kapasitor

Cara kerja filter kapasitor didasarkan pada kemampuan kapasitor untuk menyimpanmuatan listrik untuk waktu sementara. Jika dioda D dalam kondisi ON atau konduksi,maka arus dari trafo juga akan bercabang dua, mengisi kapasitor dan mengalir melewati Rbeban. Jika dioda D dalam kondisi OFF, maka kapasitor C akan mengalirkan muatannyamelewati R beban, sehingga pada R akan selalu ada arus listrik yang mengalir. Arah aruslistrik pada R beban akan selalu searah/sama, tetapi level tegangannya akan bervariasi.

Untuk lebih jelasnya, cara kerja filter kapasitor dapat digambarkan secara grafik sebagaiberikut :

Gambar 4.2Bentuk gelombang tegangan kapasitor

- Selama waktu T1, tegangan output rectifier yang membesar mengakibatkan diodaD dalam kondisi ON, hal ini berarti kapasitor mempunyai kesempatan untukmengisi muatannya(Charging). Perhatikan bahwa kapasitor dirangkai paralel

AC input AC input

Filter C

RLoad RLoad

D D

C

T1 T1T2 T2

V t

t

Keterangan

=tegangan output rectifier

=tegangan

VVDC-avg

Vr pp


9/22


[email protected] 9

dengan R beban.

- Setelah tegangan rectifier mencapai puncak, maka berikutnya tegangan rectifierberkurang hingga mencapai nol. Pada saat inilah dioda D akan berhenti konduksikarena tegangan pada kapasitor lebih besar dibandingkan tegangan rectifier.

- Muatan yang tersimpan pada kapasitor tidak bisa dikembalikan ke dioda D karenakondisi reverse dioda, melainkan muatan kapasitor akan dialirkan ke resistor beban.

Arus dari kapasitor yang mengalir ke beban mengakibatkan muatan kapasitorberangsur berkurang(Discharge), sehingga tegangan beban jugamengecil.(digambarkan dengan gradien garis negatif)

Penurunan rumus untuk filter kapasitor dijelaskan sebagai berikut :

- Selama T1 tegangan kapasitor tidak perlu dipermasalahkan, karena arus beban di-supply langsung dari dioda D.

- Yang menjadi masalah adalah selama T2 dimana arus yang mengalir ke bebansangat tergantung kepada muatan kapasitor.

- Baik selama T1 dan T2 tegangan kapasitor selalu berubah terhadap waktu, dimanapersamaan tegangan kapasitor adalah :

= dttiCtVc )()(1

)()(

)()(

tQC

tV

dtdt

tdQ

CtV

c

c

1

1

=

=

Perubahan tegangan kapasitor per satuan waktu dapat dituliskan dengan persamaan :

C

titV

dt

d

tQCdt

dtV

dt

d

c

c

)()(

)()(

=

=1

Pada ruas kiri persamaan di atas, perubahan tegangan kapasitor sama dengan teganganripple peak-to-peak itu sendiri. Hal ini dapat dituliskan sebagai :

dVc(t) Vr pp

sedangkan perubahan tegangan kapasitor terjadi selama waktu T1 dan T2. Denganmenganggap bahwa T1


10/22


[email protected] 10

fC

tiVrpp

C

TtiVrpp

fT

C

ti

T

Vrpp

C

ti

T

Vrpp

.

)().(

)()(

=

1

2

fC

IVrpp dc

.=

Pada gambar 4.2, bentuk gelombang tegangan kapasitor sebenarnya bukanlah bentuksegitiga, melainkan kombinasi antara sinusoidal(selama T1) dan logaritmik(selama T2).Bentuk gelombang seperti gambar tersebut sangat rumit perhitungannya, sehingga untukmemudahkan perhitungan, maka digunakan pendekatan gelombang segitiga.(dianggapbahwa bentuk gelombang tegangan kapasitor tersebut berbentuk segitiga -- tentu adaerror yang timbul --)

Dengan asumsi di atas, maka akan digunakan persamaan nilai efektif bentuk tegangansegitiga yaitu :

3

VmVrms = *

*persamaan di atas hanya berlaku untuk bentuk gelombang segitiga*penurunan rumus untuk tegangan efektif/rms gelombang segitiga tidak diuraikandisini

Tegangan ripple peak-to-peak adalah 2 x tegangan ripple maksimum atau

2

2

VrppVm

VmVrpp

=

=

Sehingga :

fC

IVV

V dcrpp

rpp

rmsr..32323

2 ===

Jadi

fC

IV dcrmsr

..32=

Dari persamaan di atas, dapat diturunkan persamaan untuk menghitung ripple factor darifilter kapasitor yaitu :

DC

dC

DC

dc

DC

dc

DC

rmsripple

V

I

fCVfC

I

V

fC

I

V

Vr .

....

..

32

11

32

32====


11/22



DimanaLDC

dc

RV

I 1=

MakaLRfC

r1

32

1.

..=

Jadi ripple factor pada rangkaian filter kapasitor dirumuskan :

LRfCr

...321= ..x 100%

Keterangan :

C = kapasitansi kapasitor

f= frekuensi output rectifierRL = resistansi beban

Perhatikan bahwa variabel frekuensi pada persamaan di atas berbeda antara rectifier halfwave dengan full wave. Jika rectifier yang digunakan adalah jenis full wave, maka frekuensi

fharus dikali 2(perhatikan gambar 2.3)

Dari analisa secara grafik pada gambar 4.2, maka dapat dihitung tegangan DC rata-ratayang mengalir ke beban sebesar :

m

L

LDC

m

LL

LDC

m

L

DC

m

L

DCDC

L

DC

m

dcm

rppmDC

rppDCm

VRfC

RfCV

VRfCRfC

RfCV

VRfC

V

VR

V

fCV

R

V

fCV

fC

IV

VVV

VVV

=

+

=

+

=

+

=+

=

=

=

+=

...

...

......

...

...

..

.

...

..

.

.

2

12

2

1

2

2

2

11

1

2

1

1

2

1

2

1

2

1

2

1

Sehingga didapat :

+=

12

2

L

LmDC

RfC

RfCVV

...

...


12/22



4.2 Filter RC-SeriFilter RC-Seri adalah salah satu jenis filter yang dapat digunakan untuk mereduksi faktor riakpada filter kapasitor. Penggunaan filter RC-Seri dapat dipasang secara independen setelahrectifier ataupun kaskade setelah filter kapasitor. Namun pada umumnya untukmeningkatkan efisiensi dari filter RC-Seri, biasanya filter ini dipasang kaskade setelah filterkapasitor. Gambar 4.3 menunjukkan kemungkinan pemasangan filter RC-Seri.

(a) filter RC dipasang setelah rectifier

(b) filter RC dipasang kaskade

Gambar 4.3 Aplikasi filter RC-Seri

Cara kerja filter RC-Seri sama dengan cara kerja Low Pass Filter yaitu melewatkan teganganfrekuensi rendah dan menghambat tegangan frekuensi tinggi.

Gambar 4.4 Low Pass Filter

Dari gambar 4.4 di atas, persamaan tegangan input adalah :

Vin(t) = VR(t)+ Vc(t)

sedangkan tegangan output adalah sama dengan tegangan kapasitor, maka persamaan

tegangan di atas dapat ditulis juga :Vin(t) = VR(t)+ Vout(t)

dengan menggunakan persamaan hukum Ohm, dapat ditulis bahwa :

Vout(t) = i(t)* . Xc

* i(t) =arus yang mengalir melewati R dan kapasitor

AC input

D

Filter RC

CR

RLoad

AC input

Filter RC

RLoad

D

C C

R

Filter C

Filter RC

C

R

Vin(t) Vout(t)


13/22



Arus yang melewati kapasitor dapat dihitung dengan cara membagi tegangan input

dengan total impedansi rangkaian, atau dengan cara mudahnya :

C

in

XR

(t)Vti

+=)(

Tetapi mengingat bahwa yang diperhitungkan disini adalah tegangan AC(ripple adalah

komponen tegangan AC yang terdapat pada output filter) maka persamaan di atas tidak

bisa ditulis secara mentah, melainkan harus menggunakan perhitungan impedansi total

dalam sistem tegangan AC yaitu :

22

cT XRZ +=

Sehingga

22c

in

XR

tVti

+=

)()(

Jika persamaan arus di atas disubstitusikan ke persamaan tegangan output, maka didapat :

C

c

in

Cout

XXR

tV

XtitV

.)(

).()(

22 +=

=

Sehingga :

in

out

V

V=

22

c

c

XR

X

+

=

12

1

2+

cX

R

Dengan asumsi bahwa

2

2

cX

R>> 1

maka dapat ditulis menjadi :

in

out

V

V=

2

1

2

cXR

=

cXR

1 =R

X c

R

X

V

V c

in

out =

4.3 Filter LC Seri


14/22



Filter LC-Seri mempunyai fungsi sama dengan filter RC-Seri, hanya saja menggunakankomponen induktor untuk mengurangi rugi-rugi tegangan pada sisi output filter. Gambar4.5 menunjukkan rangkaian aplikasi filter jenis ini.

Gambar 4.5 Aplikasi filter LC-Seri

dari rangkaian gambar 4.6 dapat dituliskan persamaan tegangan input-outputnya sebagaiberikut :

Gambar 4.6 Aplikasi filter LC-Seri

Vin(t) = VL(t)+ Vc(t)

sedangkan tegangan output adalah sama dengan tegangan kapasitor, maka persamaan

tegangan di atas dapat ditulis juga :

Vin(t) = VL(t)+ Vout(t)

dengan menggunakan persamaan hukum Ohm, dapat ditulis bahwa :

Vout(t) = i(t)* . Xc

* i(t) =arus yang mengalir melewati L dan kapasitor

Arus yang melewati kapasitor dapat dihitung dengan cara membagi tegangan input

dengan total impedansi rangkaian, atau dengan cara mudahnya :

CL

in

XX

(t)Vti

+=)(

Tetapi mengingat bahwa yang diperhitungkan disini adalah tegangan AC(ripple adalah

komponen tegangan AC yang terdapat pada output filter) maka persamaan di atas tidak

bisa ditulis secara mentah, melainkan harus menggunakan perhitungan impedansi total

dalam sistem tegangan AC yaitu :

22

cLT XXZ +=

AC input

D

Filter LC

C

L

RLoad

Filter LC

C

L

Vin(t) Vout(t)


15/22



Sehingga

22

cL

in

XX

tVti

+=

)()(

Jika persamaan arus di atas disubstitusikan ke persamaan tegangan output, maka didapat :

C

cL

in

Cout

XXX

tV

XtitV

.)(

).()(

22 +=

=

Sehingga :

in

out

V

V=

22

cL

c

XX

X

+

=

12

1

2

+

cX

LX

Dengan asumsi bahwa

2

2

cX

XL >> 1

maka dapat ditulis menjadi :

in

out

V

V=

2

1

2

cX

LX

=

c

L

X

X

1 =L

c

X

X

L

c

in

out

X

X

V

V=

Harus diingat bahwa komponen induktor selalu mempunyai parameter faktor kualitas,yaitu perbandingan antara reaktansi induktif terhadap resistansi statik yang dirumuskandengan :

DCDC

L

R

L

R

XQ

==

Faktor kualitas dari induktor diperlukan untuk perhitungan drop tegangan pada filter LC-Seri


16/22



4. 4 Filter PhiFilter Phi sebenarnya adalah filter kapasitor yang dikaskade dengan filter LC-Seri. Gambar4.7 menunjukkan rangkaian aplikasi filter Phi

Gambar 4.7 Aplikasi filter Phi

Tegangan nripple rmsdari rangkaian adalah :

( )=

0

sin1

tdtVV rm

Vmadalah besaran tegangan ripple dari 0 ke

Vradalah besaran semua tegangan ripple

Vmdidapat

rrrm

VVVV

22.cos

0===

rrmrmsr

VVVV

.2

2

2

2===

KarenafC

IV dcrpp2

= makafC

IV dcr2

=

maka

Cdcdc

rmsr XIfC

IV .2

2

2==

dan ripplenya didapatkan

1

1

2

12

Ldc

CCdc

C

C

dc

rmsr

XV

XXI

X

X

V

Vr

.

...== ,

1

1

.

..2

LR

CC

XR

XXr =

AC input

Filter LC

RLoad

D

C C

L

Filter C


17/22



5. RegulatorRegulator pada DC PSU mempunyai beberapa fungsi, diantaranya adalah :

- sebagai penyesuai tegangan beban

- sebagai penstabil tegangan beban- sebagai penstabil arus beban

Jenis regulator yang umum digunakan pada DC PSU diantaranya adalah :

- Regulator Zener- Regulator Seri- Regulator dengan IC

5.1 Regulator ZenerGambar 5.1 menunjukkan kurva karakteristik dioda zener. Dioda zener biasanya digunakanpada rangkaian regulator dengan memanfaatkan karakteristiknya yang unik pada kurva

reverse(kuadran 3) yaitu jika tegangan katoda-anoda mencapai titik breakdown zener, arusakan mengalir secara signifikan dan tegangan zener akan tetap dipertahankan pada leveltegangan zener. Jika tegangan bias mundur terus diperbesar, maka dioda zenercenderung akan tetap mempertahankan level tegangannya pada kisaran Vz, tetapi arus

yang mengalir akan bertambah secara kritis.

Gambar 5.1Kurva karakteristik dioda zener

Germanium(Ge)

Silikon(Si)

0.3 0.7

Silicon Reverse

breakdown(Vz)

VF

IF


18/22



Gambar 5.2 menunjukkan gambar rangkaian aplikasi regulator zener.

Gambar 5. 2 Regulator tegangan dengan zener

Cara kerja rangkaian regulator zener dapat dirumuskan sebagai berikut :

- jika Vin >> Vz, maka Vout = Vz

- Jika Vin Vz, maka Vout = VinJadi fungsi dari dioda zener pada rangkaian gambar 5.2 di atas adalah sebagai pembatas

tegangan bagi hambatan beban. Tegangan beban tidak akan melebihi tegangan dioda

zener karena beban dan dioda zener dirangkai paralel, tetapi tegangan beban bisa sajamenjadi lebih kecil dibandingkan tegangan zener jika tegangan input turun sampai di

bawah ambang batas tegangan zener. Jika terjadi hal seperti ini, maka rangkaian dapat

dikatakan gagal dalam mengatur tegangan beban karena kesalahan tegangan input..

Umumnya harga resistansi zener RZ antara 10 30 , karena itu regulasi zener tetapbagus selama tahanan beban RL cukup besar dibandingkan dari harga RZ(--- dengan

catatan kemampuan arus masih terjangkau---). Pada Gambar 5. 2 jika tegangan Vin

konstan dan hambatan beban bertambah, maka arus beban akan menjadi kecil, akibatnya

sebagian besar arus harus dialirkan melalui dioda zener supaya tegangan beban tetap

konstan. Sebaliknya jika hambatan beban berkurang, maka arus beban bertambah besar.

Kebutuhan arus beban yang lebih besar ini dapat dipenuhi jika arus yang mengalir padadioda dikurangi dan diberikan ke beban. Jadi dalam hal ini rangkaian tetap memenuhi

hukum Kirchoff tentang arus. Hubungan arus beban dan arus zener dapat dituliskan :

Is = Iz + IL

Dimana

Is = arus maksimal dari sumber tegangan yang dapat dialirkan ke beban

Iz = arus maksimal yang dapat dialirkan melewati dioda zener

IL = arus beban

Vin(unregulated)

Rs

Vz RL Vout(regulated)

Is

IZ

IL


19/22



Contoh Soal :

Diketahui : Rangkaian regulator zener seperti gambar berikut

VZ=10 VIZ MAX =32 mA

Ditanya : Tentukan RL-max dan RL-min sehingga tegangan beban tetap konstan 10 V

Jawab :

1. Arus maksimal yang dapat disupply oleh sumber tegangan dengan

konfigurasi di atas adalah :

mAR

VVI

s

ZinS 40

1000

40

1000

1050==

=

=

2. Arus maksimal zener adalah 32 mA, berarti arus minimal beban = 8 mA

Is = Iz + IL => IL = IS IZ

IL = 40 mA 32 mA

IL = 8 mA

3. Pada saat IL = minimal, maka RL = maksimal

Penyelesaian untuk RL-max :

===

12508

10

mAI

VR

L

ZL

min

max

4. Pada saat IL = maksimal, maka RL = minimal

Penyelesaian untuk RL-max :

===

25040

10

mAI

VR

L

ZL

min

max

1K

IZ+

-VL50 V

IS

RRL


20/22



Secara grafik, kurva hambatan beban dan arus beban dapat digambarkan sepertigambar berikut :

Daerah yang diarsir menunjukkan batas nilai resistansi beban dan arus beban jikadiinginkan bahwa tegangan beban tetap stabil 10 Volt.

Jika nilai resistansi beban > 1250 , maka arus yang mengalir melewati bebanmenjadi minimal dan akibatnya arus yang melewati zener menjadi maksimal. Halini berpotensi untuk merusakkan zener karena arus berlebih.

Jika nilai resistansi beban < 250 , maka arus yang mengalir melewati bebanmenjadi maksimal dan akibatnya arus yang melewati zener menjadi minimal. Halini mengakibatkan zener akan berhenti beroperasi atau zener tidak mendapatkanarus sehingga fungsi zener sebagai pembatas arus akan gagal(perhatikan kurvakarakteristik zener)

(Kondisi di atas hanya berlaku untuk VZ= 10 V, IZMAX= 32 mA atau Pz = 320 mWatau hanya pada contoh soal)

5.2 Regulator SeriKelemahan rangkaian regulator zener terletak pada kemampuan pengaliran arus zener

yang rata-rata kecil atau daya zener yang relatif kecil. Hal ini berarti regulator zener tidak

sesuai untuk beban yang membutuhkan arus besar walaupun rangkaian regulator zenerdapat dirancang untuk range arus beban yang lebar. Alternatif lain untuk memperbaiki

kinerja regulator zener adalah dengan regulator seri yaitu memasang transistor sebagai

current booster. Gambar 5.3 menunjukkan rangkaian regulator seri.

Gambar 5.3 Rangkaian regulator seri

Cara kerja rangkaian regulator seri :

1. Rs dan zener membentuk rangkaian seri yang berfungsi sama persis dengan rangkaian

regulator zener. Yang dimanfaatkan dari sambungan Rs dan zener adalah tegangan

250 1.25kR

L

10 V

VL

8mA 40mA

IL

10 V

VCE

Load

Rs VBE

VE Vout

R

VZ

Vin

IBVB

+

_


21/22



pada dioda zener atau tegangan pada katoda zener yang relatif stabil selama dioda

zener mendapatkan cukup arus.

2. Tegangan yang stabil pada dioda zener(atau pada kutub katoda zener) digunakan

sebagai umpan bagi terminal basis transistor NPN untuk syarat dasar transistor dapat

bekerja.

3. Karena tegangan basis transistor NPN relatif konstan, maka pada saat transistor ONarus akan dapar mengalir dari kolektor menuju ke emitor.

4. Arus dari emitor akan melewati hambatan beban sehingga menimbulkan tegangan

pada beban.

5. Karena transistor NPN membutuhkan selisih tegangan antara Basis-Emitor( 0.7 Volt

untuk Si ) untuk dapat terus bekerja/ON, maka tegangan Emitor akan selalu lebih kecil

dibandingkan tegangan Basis.

6. Jika ternyata tegangan Emitor naik mendekati tegangan Basis(VBE < 0.7), maka tentu

saja transistor akan OFF dengan sendirinya karena syarat minimal selisih tegangan

tidak terpenuhi. Akibatnya adalah tegangan pada beban menjadi nol

(VE 0) Volt, selanjutnya hal ini akan memicu transistor untuk ON lagi karenaselisih tegangan Basis-Emitor menjadi lebih besar dari 0.7 Volt.

7. Jadi transistor NPN di atas akan ON atau OFF secara otomatis dimana tegangan

beban relatif konstan pada kisaran Vz 0.7

8. Perhatikan bahwa arus yang mengalir ke beban tidak berasal dari zener(zener dan

beban bukanlah rangkaian paralel) melainkan diambil langsung dari sumber tegangan

melalui transistor NPN terlebih dahulu. Hal ini berarti dioda zener akan tetap aman

karena pada saat arus beban minimal ataupun arus beban maksimal dioda zener

hanya akan dialiri arus sesuai dengan arus ratingnya. Hal ini berbeda dengan prinsip

kerja regulator zener yang saling memberi dan menerima antara zener dan

hambatan beban karena keduanya paralel.9. Karena zener tidak saling berbagi arus dengan beban, maka risiko bahwa zener

menjadi over current dapat dikurangi dan risiko tersebut dialihkan ke transistor NPN

yang mengalirkan arus beban, maka disipasi daya transistor

Dengan adanya cara kerja di atas, maka regulator seri dapat memberikan kinerja lebih baik

dibandingkan regulator zener, karena regulator seri sudah menggunakan sistem kendali

arus yang otomatis ON atau OFF

Daftar Pustaka

http://www.tpub.com/content/neets/14179/index.htm


22/22


putut son@yahoo com 22

Soal Latihan :

1. Berapakah faktor ripple sinyal sinusoida yang mempunyai puncak ripple 2 V pada rata-

rata 50 V ?

Jawab: 0,4

2. Penyearah setengah gelombang membuat 20 V dc. Berapakah nilai tegangan ripple ?

Jawab: 1,2089 V

3. Berapakah tegangan ripple rms penyearah gelombang penuh dengan tegangan

output 8 V dc.

Jawab: 0,98 V

4. Filter kapasitor sederhana didukung oleh penyearah gelombang penuh menghasilkan

16 V dc pada 9,5 % faktor ripple. Berapakah tegangan ripple keluaran (rms) ?

Jawab: 1,52 V

5. Berapakah tegangan maksimum filter kapasitor, bila R = 200 dan kapasitor 750 Fdalam hubungan paralel dan frekuensi power supply 60 Hz. Filter ini menghasilkan

tegangan output 12 V

Jawab: 12,33 V

6. Tentukan VL, IL, IZ, dan IRbila RL= 180

Jawab: VL= 9 V , IL= 50 mA , IZ= 0 , IR= 50 mA

7. Sama dengan soal nomor 6, bila RL= 470 Jawab: VL= 10 V , IL= 21,3 mA , IZ= 24,1 mA , IR= 45,4 mA

8. Hitung tegangan ripple rms pada output bagian filter RC yang mendukung beban 2

k di saat input filter 40 V dc dengan ripple 3,5 Vrms dari penyearah gelombang

penuh dan filter kapasitor. komponen bagian filter RCadalah R= 200 dan C = 200

F.Jawab: 9,289 V

220 W

20 V

IR

IZ

IL

VLRL

+

-

+

-

Didaktik 3 Power-supply

Documents

Transcript of Didaktik 3 Power-supply