didaktik 3 power supply - belajar, belajar, bekerja · pdf fileelektronik lain yang bukan...
TRANSCRIPT
Bab 3 DC Power Supply
1
BAB 3 DC POWER SUPPLY
Standar kompetensi : 1. Menyebutkan dan menjelaskan blok diagram DC PSU 2. Menganalisa faktor ripple penyearah 3. Menjelaskan fungsi blok rangkaian penyearah, filter, dan regulator OVERVIEW Hampir semua peralatan elektronik yang sifatnya “portable” (misalnya handphone, walkie talkie, remote control, dll) membutuhkan tegangan DC untuk beroperasi. Peralatan elektronik lain yang bukan “portable” –pun juga banyak membutuhkan tegangan DC untuk beroperasi, misalnya TV, Home Theater dan sejenisnya. DC Power Supply adalah piranti yang digunakan untuk mengubah arus AC menjadi arus DC dengan level tegangan sesuai dengan kebutuhan suatu alat tersebut. 1. Blok diagram DC PSU secara umum Gambar 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. Transformer Transformer yang sering digunakan dalam DC PSU adalah jenis step down yang berfungsi untuk memperkecil tegangan yang masuk ke dalam rectifier. Misalnya tegangan jala-jala PLN 220 VAC(berbahaya) akan diperkecil menjadi 20 VAC(tidak berbahaya) atau tegangan lain yang sesuai dengan kebutuhan. Output yang dihasilkan dari transformer step down hanya akan mengalami penurunan tegangan, sedangkan frekuensi dan fasenya tetap seperti tegangan input/primer, kecuali kalau jenis trafonya berbeda node/node-nya terbalik. 3. Rectifier/Rangkaian Penyearah Arus Secara umum rectifier berfungsi untuk menyearahkan arus. Arus output dari transformer(masih berupa arus bolak-balik) akan disearahkan menggunakan komponen
Transformer Rectifier Filter Regulator Load
220 V rms
Bab 3 DC Power Supply
2
dioda. Ada 2(dua) jenis penyearah pada DC PSU yaitu half wave rectifier dan full wave rectifier. 3. A Penyearah Setengah Gelombang / Half Wave Rectifier Gambar 2.2 di bawah menunjukkan contoh rangkaian penyearah setengah gelombang. Cara kerja rangkaian tersebut adalah sebagai berikut :
- selama periode sinyal positif(0 sampai π), maka titik A akan lebih positif dibandingkan titik B, akibatnya dioda D1 akan terbias maju(forward bias) sehingga arus dapat mengalir melewati RL.
- Arus yang mengalir melewati RL menghasilkan tegangan pada RL dimana polaritas tegangan sama dengan potensial sumber tegangan input-rectifier yaitu dari + menuju -.(menggunakan terminologi arus konvensional)
- Selama periode sinyal negatif(π sampai 2π ), maka titik A akan lebih negatif dibandingkan titik B, akibatnya dioda D1 akan terbias mundur(reverse bias) sehingga tidak ada arus mengalir melewati RL, hal ini berarti juga tidak ada tegangan pada RL(VRL = 0 digambarkan dengan garis horizontal berhimpit dengan sumbu 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 rectifier half wave untuk mengetahui kualitas rangkaian dengan pendekatan sebagai berikut(dengan mengacu kepada bentuk gelombang output rectifier ):
B
A
220 VS
D1
VRRL
π π3π2
tω
Vs = Vm sin tωvs(t) V m
-V m
0
(b) Input rectifier = output transformer
i(t) Im
0 π m I
Idc
(c) Output rectifier = tegangan pada RL
π π2 π3
(a ) Gambar rangkaian penyearah half wave
tω
Bab 3 DC Power Supply
3
0.318
jadi
318022
112
021
21
21
1
: dituliskandapat wave halfrectifier rata-rata DCoutput tegangan nperhitunga maka
arus) adatidak (karena0 maka 2 dan
maka 0 dimana
: yaitu bagian 2(dua) menjadi dibagidapat 2 sampai 0 antara waktu
0
0
mDC avg
mmmm
m
om
m
T
avgDC
m
vv
vvvv
v
tv
dttv
dttvT
v
tvttvtvt
=
===+=
+−=
−=
=
=
=≤≤=<<
∫
∫
.)(
)coscos(
)cos(
)sin(
)(
)(sin)(
πππ
ππ
π
ωπ
ππωπ
π
π
π
Gelombang output dari rectifier tidak hanya mengandung komponen DC saja, tetapi juga mengandung komponen AC, hal ini ditunjukkan oleh bentuk gelombangnya yang masih mempunyai bagian periodik(selubung gelombang output tidak berbentuk garis lurus melainkan amplitudonya masih naik-turun secara teratur), oleh karenanya komponen inilah yang dapat dianggap sebagai komponen AC dari output rectifier. Pendekatan untuk perhitungan tegangan AC efektif dari output rectifier dijelaskan sebagai berikut:
0.5
jadi
24 0-
21
21
2t 21
21
21
2t 21
21
21
21
21
1
: dituliskandapat wave halfrectifier efektif ACoutput tegangan nperhitunga maka
arus) adatidak (karena0 maka 2 dan
maka 0 dimana
: yaitu bagian 2(dua) menjadi dibagidapat 2 sampai 0 antara waktu
2
02
0 0
2
0
2
0
22
2
0
0
2 C
mAC rms
mmmm
m
m
m
T
rmsA
m
vv
vvtvdtdtv
dtv
dttv
dttv
dttvT
v
tvttvtvt
=
==⎥⎦⎤
⎢⎣⎡=⎥
⎦
⎤⎢⎣
⎡−=
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ −=
=
=
=
=≤≤=<<
∫ ∫
∫
∫
∫
∫
ππ π
π
π
π
ππ
π
π
π
ππωπ
π
cos
cos
sin
)sin(
)(
)(sin)(
3. B Penyearah Gelombang Penuh/ Full Wave Rectifier
Bab 3 DC Power Supply
4
Gambar 2.3 menunjukkan contoh rangkaian penyearah gelombang penuh. Cara kerja rangkaian tersebut adalah sebagai berikut :
- selama periode sinyal positif(0 sampai π), maka titik A akan lebih positif dibandingkan titik B, akibatnya dioda D2 dan D4 akan terbias maju(perhatikan bahwa 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 sama dengan potensial sumber tegangan input-rectifier yaitu dari + menuju -.(menggunakan terminologi arus konvensional)
- selama periode sinyal negatif(π sampai 2π ), maka titik A akan lebih negatif dibandingkan titik B, akibatnya dioda D2 dan D4 akan terbias mundur dan sebaliknya D1 dan D3 akan terbias maju. Karena D1 dan D3 konduksi, maka tetap ada 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 V 50 Hz Vp
D1
RL
Vo
D2
D3D4
Vs
(a)
A
B
Vm
Vo(t)
IDEAL
t0 π 2π 3π 4π(b)
Bab 3 DC Power Supply
5
mavgDC
mmmm
m
om
mm
T
DCavg
m
m
vv
vvvv
v
ttv
dttvtv
dttvT
v
ttvttvtv
6360
63602
24
11112
2021
21
21
1
2
0
gelombang periode setiapuntuk tegangan persamaan
2
2
0
0
.
.)(
)coscoscoscos(
)coscos(
)sinsin(
)(
,sin,sin)(
=
===+++=
−++−=
+−=
−=
=
<<−=<<=
=
∫∫
∫
πππ
ππππ
π
ωωπ
ππωπω
π
π
π
π
π
π
Jika output pada half wave rectifier terdapat komponen tegangan AC, maka sama halnya dengan output full wave rectifier juga terdapat komponen tegangan AC. Perhitungan komponen tegangan AC dijelaskan sebagai berikut :
0.707
jadi
220
21
0-211
2t 21
211
2t 21
211
1
1
1
: dituliskandapat wave fullrectifier efektif ACoutput tegangan nperhitunga maka
1 dan maka 0 dimana
,sebesar periode mempunyai ternyatarectifier wave full darioutput gelombang 2.3,gambar Dari
22
02
0 0
2
0
2
0
22
2
0
0
2 C
mAC rms
mmmmm
m
m
m
T
rmsA
m
vv
vvvtvdtdtv
dtv
dttv
dttv
dttvT
v
tvtvt
=
==−=⎥⎦⎤
⎢⎣⎡=⎥
⎦
⎤⎢⎣
⎡−=
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ −=
=
=
=
==<<
∫ ∫
∫
∫
∫
∫
)(cos
cos
sin
)sin(
)(
sin)(
ππππ
π
π
π
ωωππ
ππ π
π
π
π
3. C Faktor Riak/Ripple Factor
Bab 3 DC Power Supply
6
Faktor riak didefinisikan sebagai perbandingan antara tegangan riak efektif dengan tegangan dc rata-rata. Dituliskan dengan persamaan sebagai berikut :
rataratakomponenefektifskomponenr
−=
dc sinyal
ac inyal
averageDC
rmsripple
VV
r−
= -
Vripple-rms merupakan gelombang periodik(pengamatan secara grafik) dan dihitung sebagai komponen AC dari tegangan output rectifier, sedangkan VDC-average dapat dihitung dari persamaan 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 Gelombang Untuk dapat menghitung faktor riak/ripple factor dari tiap jenis penyearah, maka perlu menghitung tegangan ripple efektif dari setiap jenis penyearahnya. Proses perhitungan ditampilkan pada uraian berikut : Untuk penyearah setengah gelombang diketahui :
2 Cm
rmsAv
v = dan mm
avgDC vvv 3180 .==π
maka :
[ ] 2122 /
avgDCrmsACrmsr vvv −−− −=
21
22
21
22
121
12
⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡⎟⎠⎞
⎜⎝⎛−⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=
⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡⎟⎠⎞
⎜⎝⎛−⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=
π
π
m
m
v
v
mrmsr vv 3850,=− Faktor riak penyearah setengah gelombang dapat dihitung
%%,,% 1211003180
3850100 ===
−
− xvvx
vvr
m
m
avgDC
rmsr
Bab 3 DC Power Supply
7
3. C.2 Faktor Riak/Ripple Factor Penyearah Gelombang Penuh Untuk penyearah gelombang penuh diketahui :
2 C
mrmsA
vv = dan m
mavgDC vvv 6360
2 .==
π
maka :
[ ] 2122 /
avgDCrmsACrmsr vvv −−− −=
21
2
21
22
4
2
1
2
2
⎥⎦⎤
⎢⎣⎡ −=
⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛−⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
π
π
m
mm
v
vv
mrmsr vv 3080,=− Faktor riak penyearah gelombang penuh dapat dihitung :
%%,,% 481006360
3080100 ===
−
− xvvx
vvr
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
factor Penyearah ½ Gelombang 0.318Vm 0.5Vm 0.385Vm 121% Penyearah gelombang penuh 0.636Vm 0.707Vm 0.308Vm 48%
4. Filter Filter pada DC PSU berfungsi untuk menyaring riak gelombang dari rectifier. Pada pembahasan sebelumnya diketahui ternyata faktor riak dari rectifier masih sangat besar(121% untuk half wave rect. dan 47% untuk full wave rect.). Ripple ini akan menjadi penyebab banyak gangguan pada rangkaian yang sensitif terhadap perubahan tegangan, misalnya pada peralatan untuk telekomunikasi dan rangkaian digital. Ripple inilah yang akan dihilangkan atau diminimalkan dengan menggunakan filter. Jenis -jenis filter 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
Bab 3 DC Power Supply
8
Filter kapasitor adalah rangkaian filter yang paling sederhana karena hanya terdiri dari satu kapasitor yang dirangkai paralel dengan beban. Gambar 4.1b menunjukkan gambar rangkaian rectifier yang sudah ditambah dengan filter kapasitor. (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 menyimpan muatan 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 R beban. Jika dioda D dalam kondisi “OFF”, maka kapasitor C akan mengalirkan muatannya melewati R beban, sehingga pada R akan selalu ada arus listrik yang mengalir. Arah arus listrik pada R beban akan selalu searah/sama, tetapi level tegangannya akan bervariasi. Untuk lebih jelasnya, cara kerja filter kapasitor dapat digambarkan secara grafik sebagai berikut :
Gambar 4.2 Bentuk gelombang tegangan kapasitor
- Selama waktu T1, tegangan output rectifier yang membesar mengakibatkan dioda
D dalam kondisi “ON”, hal ini berarti kapasitor mempunyai kesempatan untuk mengisi muatannya(“Charging”). Perhatikan bahwa kapasitor dirangkai paralel
AC input AC input
Filter C
RLoad RLoad
D D
C
T1 T1T2 T2
V(t)
ωt
Keterangan
= tegangan output rectifier = tegangan
VmVDC-avg
Vr pp
Bab 3 DC Power Supply
9
dengan R beban. - Setelah tegangan rectifier mencapai puncak, maka berikutnya tegangan rectifier
berkurang hingga mencapai nol. Pada saat inilah dioda “D” akan berhenti konduksi karena tegangan pada kapasitor lebih besar dibandingkan tegangan rectifier.
- Muatan yang tersimpan pada kapasitor tidak bisa dikembalikan ke dioda “D” karena kondisi reverse dioda, melainkan muatan kapasitor akan dialirkan ke resistor beban. Arus dari kapasitor yang mengalir ke beban mengakibatkan muatan kapasitor berangsur berkurang(“Discharge”), sehingga tegangan beban juga mengecil.(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 beban sangat tergantung kepada muatan kapasitor.
- Baik selama T1 dan T2 tegangan kapasitor selalu berubah terhadap waktu, dimana persamaan tegangan kapasitor adalah :
∫= dttiC
tVc )()( 1
)()(
)()(
tQC
tV
dtdt
tdQC
tV
c
c
1
1
=
= ∫
Perubahan tegangan kapasitor per satuan waktu dapat dituliskan dengan persamaan :
CtitV
dtd
tQCdt
dtVdtd
c
c
)()(
)()(
=
=1
Pada ruas kiri persamaan di atas, perubahan tegangan kapasitor sama dengan tegangan ripple peak-to-peak itu sendiri. Hal ini dapat dituliskan sebagai : dVc(t) ≅ Vr pp sedangkan perubahan tegangan kapasitor terjadi selama waktu T1 dan T2. Dengan menganggap bahwa T1 << T2(dianggap bahwa waktu “charge” jauh lebih kecil dibandingkan waktu “discharge”) maka dianggap bahwa T ≅ T2, sehingga :
Bab 3 DC Power Supply
10
fCtiVrpp
CTtiVrpp
fT
Cti
TVrpp
Cti
TVrpp
.)().(
)()(
≅⇒≅
=
≅⇒≅
12
fCI
Vrpp dc
.=
Pada gambar 4.2, bentuk gelombang tegangan kapasitor sebenarnya bukanlah bentuk segitiga, melainkan kombinasi antara sinusoidal(selama T1) dan logaritmik(selama T2). Bentuk gelombang seperti gambar tersebut sangat rumit perhitungannya, sehingga untuk memudahkan perhitungan, maka digunakan pendekatan gelombang segitiga.(dianggap bahwa bentuk gelombang tegangan kapasitor tersebut berbentuk segitiga -- tentu ada error yang timbul --) Dengan asumsi di atas, maka akan digunakan persamaan nilai efektif bentuk tegangan segitiga yaitu :
3
VmVrms = *…
*persamaan di atas hanya berlaku untuk bentuk gelombang segitiga *penurunan rumus untuk tegangan efektif/rms gelombang segitiga tidak diuraikan disini
Tegangan ripple peak-to-peak adalah 2 x tegangan ripple maksimum atau
2
2
VrppVm
VmVrpp
=
=
Sehingga :
fC
IVV
V dcrpprpp
rmsr ..323232 ===−
Jadi
fC
IV dc
rmsr ..32=−
Dari persamaan di atas, dapat diturunkan persamaan untuk menghitung ripple factor dari filter kapasitor yaitu :
DC
dC
DC
dc
DC
dc
DC
rmsripple
VI
fCVfCI
VfC
I
VV
r .....
..32
11
32
32==== −
Bab 3 DC Power Supply
11
Dimana LDC
dc
RVI 1
=
Maka LRfC
r 1
32
1 ...
=
Jadi ripple factor pada rangkaian filter kapasitor dirumuskan :
LRfC
r...32
1= …..x 100%
Keterangan : C = kapasitansi kapasitor f = frekuensi output rectifier RL = resistansi beban Perhatikan bahwa variabel frekuensi pada persamaan di atas berbeda antara rectifier half wave dengan full wave. Jika rectifier yang digunakan adalah jenis full wave, maka frekuensi f harus dikali 2(perhatikan gambar 2.3) Dari analisa secara grafik pada gambar 4.2, maka dapat dihitung tegangan DC rata-rata yang mengalir ke beban sebesar :
m
L
LDC
mLL
LDC
mL
DC
mL
DCDC
L
DCm
dcm
rppmDC
rppDCm
VRfC
RfCV
VRfCRfC
RfCV
VRfC
V
VR
VfC
V
RV
fCV
fCI
V
VVV
VVV
=⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡ +
=⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡+
=⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡+
=+
−=
−=
−=
+=
......
.........
...
..
.
..
.
..
.
.
2
12
21
2
2
21
1
121
121
21
2121
Sehingga didapat :
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡+
=12
2
L
LmDC RfC
RfCVV...
...
Bab 3 DC Power Supply
12
4.2 Filter RC-Seri Filter RC-Seri adalah salah satu jenis filter yang dapat digunakan untuk mereduksi faktor riak pada filter kapasitor. Penggunaan filter RC-Seri dapat dipasang secara independen setelah rectifier ataupun kaskade setelah filter kapasitor. Namun pada umumnya untuk meningkatkan efisiensi dari filter RC-Seri, biasanya filter ini dipasang kaskade setelah filter kapasitor. 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 tegangan frekuensi 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
C R
RLoad
AC input
Filter RC
RLoad
D
C C
R
Filter C
Filter RC
C
R
Vin(t) Vout(t)
Bab 3 DC Power Supply
13
Arus yang melewati kapasitor dapat dihitung dengan cara membagi tegangan input dengan total impedansi rangkaian, atau dengan cara mudahnya :
C
in
XR(t)V
ti+
=)(
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 :
22cT XRZ +=
Sehingga
22c
in
XR
tVti
+=
)()(
Jika persamaan arus di atas disubstitusikan ke persamaan tegangan output, maka didapat :
C
c
in
Cout
XXR
tVXtitV
.)(
).()(
22 +=
=
Sehingga :
in
out
VV
=22
c
c
XR
X
+
=
12
12 +
cXR
Dengan asumsi bahwa ⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛2
2
cXR
>> 1
maka dapat ditulis menjadi :
in
out
VV
=
2
12
cXR
=
cXR1 =
RX c
RX
VV c
in
out =
4.3 Filter LC Seri
Bab 3 DC Power Supply
14
Filter LC-Seri mempunyai fungsi sama dengan filter RC-Seri, hanya saja menggunakan komponen induktor untuk mengurangi rugi-rugi tegangan pada sisi output filter. Gambar 4.5 menunjukkan rangkaian aplikasi filter jenis ini.
Gambar 4.5 Aplikasi filter LC-Seri dari rangkaian gambar 4.6 dapat dituliskan persamaan tegangan input-outputnya sebagai berikut :
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)V
ti+
=)(
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 :
22cLT XXZ +=
AC input
D
Filter LC
C L
RLoad
Filter LC
C
L
Vin(t) Vout(t)
Bab 3 DC Power Supply
15
Sehingga
22cL
in
XX
tVti
+=
)()(
Jika persamaan arus di atas disubstitusikan ke persamaan tegangan output, maka didapat :
C
cL
in
Cout
XXX
tVXtitV
.)(
).()(
22 +=
=
Sehingga :
in
out
VV
=22
cL
c
XX
X
+
=
12
12
+
cXL
X
Dengan asumsi bahwa ⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛2
2
cXX L >> 1
maka dapat ditulis menjadi :
in
out
VV
=
2
12
cXL
X =
c
L
XX1 =
L
c
XX
L
c
in
out
XX
VV
=
Harus diingat bahwa komponen induktor selalu mempunyai parameter faktor kualitas, yaitu perbandingan antara reaktansi induktif terhadap resistansi statik yang dirumuskan dengan :
DCDC
L
RL
RX
Q ω==
Faktor kualitas dari induktor diperlukan untuk perhitungan drop tegangan pada filter LC-Seri
Bab 3 DC Power Supply
16
4. 4 Filter Phi Filter Phi sebenarnya adalah filter kapasitor yang dikaskade dengan filter LC-Seri. Gambar 4.7 menunjukkan rangkaian aplikasi filter Phi
Gambar 4.7 Aplikasi filter Phi Tegangan n ripple rms dari rangkaian adalah :
( )∫=π
ωωπ 0
sin1 tdtVV rm
Vm adalah besaran tegangan ripple dari 0 ke π
Vr adalah besaran semua tegangan ripple
Vm didapat
ππω
ππ rrr
mVVV
V2
2.cos0
==−=
ππ rrm
rmsrVVVV .2
2
2
2===−
Karena fC
IV dc
rpp 2= maka
fCI
V dcr 2=
maka
Cdcdc
rmsr XIfCIV .2
22
==− π
dan ripplenya didapatkan
1
1
2
1 2
Ldc
CCdc
C
C
dc
rmsr
XVXXI
XX
VVr
....
== − ,
1
1
...2
LR
CC
XRXX
r =
AC input
Filter LC
RLoad
D
C C
L
Filter C
Bab 3 DC Power Supply
17
5. Regulator Regulator 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 Zener Gambar 5.1 menunjukkan kurva karakteristik dioda zener. Dioda zener biasanya digunakan pada rangkaian regulator dengan memanfaatkan karakteristiknya yang unik pada kurva reverse(kuadran 3) yaitu jika tegangan katoda-anoda mencapai titik breakdown zener, arus akan mengalir secara signifikan dan tegangan zener akan tetap dipertahankan pada level tegangan zener. Jika tegangan bias mundur terus diperbesar, maka dioda zener cenderung akan tetap mempertahankan level tegangannya pada kisaran Vz, tetapi arus yang mengalir akan bertambah secara kritis.
Gambar 5.1 Kurva karakteristik dioda zener
Germanium(Ge)
Silikon(Si)
0.3 0.7
Silicon Reverse breakdown(Vz)
VF
IF
Bab 3 DC Power Supply
18
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 = Vin Jadi 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 saja menjadi 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 Ω, karena itu regulasi zener tetap bagus 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 pada dioda 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
Bab 3 DC Power Supply
19
Contoh Soal : Diketahui : Rangkaian regulator zener seperti gambar berikut
VZ = 10 V IZ 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
100040
10001050
==−
=−
=
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 :
Ω===−
− 1250810mAI
VRL
ZL
minmax
4. Pada saat IL = maksimal, maka RL = minimal Penyelesaian untuk RL-max :
Ω===−
− 25040
10mAI
VRL
ZL
minmax
1K
IZ +
-VL50 V
IS
R RL
Bab 3 DC Power Supply
20
Secara grafik, kurva hambatan beban dan arus beban dapat digambarkan seperti gambar berikut :
Daerah yang diarsir menunjukkan batas nilai resistansi beban dan arus beban jika diinginkan bahwa tegangan beban tetap stabil 10 Volt. Jika nilai resistansi beban > 1250 Ω, maka arus yang mengalir melewati beban menjadi minimal dan akibatnya arus yang melewati zener menjadi maksimal. Hal ini berpotensi untuk merusakkan zener karena arus berlebih. Jika nilai resistansi beban < 250 Ω, maka arus yang mengalir melewati beban menjadi maksimal dan akibatnya arus yang melewati zener menjadi minimal. Hal ini mengakibatkan zener akan berhenti beroperasi atau zener tidak mendapatkan arus sehingga fungsi zener sebagai pembatas arus akan gagal(perhatikan kurva karakteristik zener) (Kondisi di atas hanya berlaku untuk VZ = 10 V, IZMAX = 32 mA atau Pz = 320 mW atau hanya pada contoh soal)
5.2 Regulator Seri Kelemahan 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 zener dapat 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
250Ω 1.25kΩRL
10 V
VL
8mA 40mAIL
10 V
V CE
Load Rs VBE
VE Vout
R
VZ
V in
IBVB
+
_
Bab 3 DC Power Supply
21
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 “ON” arus 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 karena selisih 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
Bab 3 DC Power Supply
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 Ω dan kapasitor 750 μF dalam 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 IR bila RL = 180 Ω
Jawab : VL = 9 V , IL = 50 mA , IZ = 0 , IR = 50 mA
7. Sama dengan soal nomor 6, bila RL = 470 Ω 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
kΩ di saat input filter 40 V dc dengan ripple 3,5 Vrms dari penyearah gelombang
penuh dan filter kapasitor. komponen bagian filter RC adalah R = 200 Ω dan C = 200
μF. Jawab : 9,289 V
220 W
20 V
IR
IZ
IL
VLRL
+
-
+
-