Embed Size (px)
Citation preview
Laporan Tugas 3 Praktikum Elektronika Power Supply dengan Adjustable
Oleh : 1. Yuni Almaadin (2206.100.035) 2. Robby Hartanto (2206.100.xxx) 3. Didi (2206.100.xxx)
Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya 2008
1. Dasar teori Salah satu peralatan elektronika yang mutlak diperlukan adalah power
supply, karena hampir semua peralatan elektronika pasti memerlukan sumber tegangan. Power supply yang harus memiliki output yang stabil, tahan terhadap noise, dan juga memiliki sistem pengaman (untuk mengantisipasi short circuit). Karena itulah, sebuah power supply yang mutunya baik memiliki harga relatif mahal.
Terkadang kita membutuhkan power supply yang tegangan outputnya dapat kita ubah‐ubah sesuai dengan keinginan kita. Power supply yang dapat kita ubah‐ubah tegangan ouputnya secara linear adalah Power Supply Adjustable. Beberapa komponen yang kita gunakan untuk membuat sebuah power supply adjustable adalah sebagai berikut.
A. Transformator Transformator adalah suatu komponen listrik yang mampu mentransfer
energy dari satu rangkaian ke rangkaian yang lain. Dalam sebuah transformator, terdapat dua buah kumparan yang dililitkan pada inti besi. Kumparan pertama atau kumparan primer dihubungkan dengan sebuah tegangan bolak‐balik (AC) dan kumparan kedua atau kumparan sekunder merupakan terminal output dari transformator.
Transformator tidak dapat digunakan untuk mengubah tegangan DC. Ia hanya dapat mengubah tegangan AC. Jika tegangan input lebih besar daripada tegangan output maka disebut trafo step up sedangkan jika tegangan input lebih kecil daripada tegangan output maka disebut trafo step down.
Pada trafo, perbandingan antara tegangan input dengan tegangan output sama dengan perbandingan antara banyaknya lilitan primer dengan lilitan sekunder. Jika kumparan primer lebih banyak daripada kumparan sekunder maka trafo tersebut adalah trafo step down. Jika kumparan primer lebih sedikit daripada kumparan sekunder maka trafo tersebut adalah trafo step up. Hubungan antara tegangan input, tegangan output, kumparan primer, dan kumparan sekunder dirumuskan sebagai berikut.
Prinsip kerja dari trafo adalah sebagai berikut. Ketika Kumparan primer dihubungkan dengan sumber tegangan bolak‐balik, perubahan arus listrik pada kumparan primer menimbulkan medan magnet yang berubah. Medan magnet yang berubah diperkuat oleh adanya inti besi dan dihantarkan inti besi ke kumparan sekunder, sehingga pada ujung‐ujung kumparan sekunder akan timbul ggl induksi. Efek ini dinamakan induktansi timbal‐balik (mutual inductance).
B. Dioda
Dioda adalah komponen elektronika yang terbuat dari bahan semikonduktor. Dioda memiliki fungsi hanya mengalirkan arus satu arah saja. Dioda memiliki fungsi yang unik yaitu hanya dapat mengalirkan arus satu arah saja. Struktur dioda tidak lain adalah sambungan semikonduktor P dan N. Satu sisi adalah semikonduktor dengan tipe P dan satu sisinya yang lain adalah tipe N. Dengan struktur demikian arus hanya akan dapat mengalir dari sisi P menuju sisi N.
Simbol dan struktur dioda
Gambar ilustrasi di atas menunjukkan sambungan PN dengan sedikit porsi kecil yang disebut lapisan deplesi (depletion layer), dimana terdapat keseimbangan hole dan elektron. Seperti yang sudah diketahui, pada sisi P banyak terbentuk hole‐hole yang siap menerima elektron sedangkan di sisi N banyak terdapat elektron‐elektron yang siap untuk bebas merdeka. Lalu jika diberi bias positif, dengan arti kata memberi tegangan potensial sisi P lebih besar dari sisi N, maka elektron dari sisi N dengan serta merta akan tergerak untuk mengisi hole di sisi P. Tentu kalau elektron mengisi hole disisi P, maka akan terbentuk hole pada sisi N karena ditinggal elektron. Ini disebut aliran hole dari P menuju N, Kalau mengunakan terminologi arus listrik, maka dikatakan terjadi aliran listrik dari sisi P ke sisi N.
dioda dengan bias maju
Sebalikya apakah yang terjadi jika polaritas tegangan dibalik yaitu dengan memberikan bias negatif (reverse bias). Dalam hal ini, sisi N mendapat polaritas tegangan lebih besar dari sisi P.
dioda dengan bias negatif
Tentu jawabanya adalah tidak akan terjadi perpindahan elektron atau aliran hole dari P ke N maupun sebaliknya. Karena baik hole dan elektron masing‐masing tertarik ke arah kutup berlawanan. Bahkan lapisan deplesi (depletion layer) semakin besar dan menghalangi terjadinya arus.
Demikianlah sekelumit bagaimana dioda hanya dapat mengalirkan arus satu arah saja. Dengan tegangan bias maju yang kecil saja dioda sudah menjadi konduktor. Tidak serta merta diatas 0 volt, tetapi memang tegangan beberapa volt diatas nol baru bisa terjadi konduksi. Ini disebabkan karena adanya dinding deplesi (deplesion layer). Untuk dioda yang terbuat dari bahan Silikon tegangan konduksi adalah diatas 0.7 volt. Kira‐kira 0.2 volt batas minimum untuk dioda yang terbuat dari bahan Germanium.
grafik arus dioda
Sebaliknya untuk bias negatif dioda tidak dapat mengalirkan arus, namun memang ada batasnya. Sampai beberapa puluh bahkan ratusan volt baru terjadi breakdown, dimana dioda tidak lagi dapat menahan aliran elektron yang terbentuk di lapisan deplesi.
Dioda hanya bisa dialiri arus DC searah saja, pada arah sebaliknya arus DC tidak akan mengalir. Apabila dioda silicon dialiri arus AC ialah arus listrik dari PLN, maka yang mangalir hanya satu arah saja sehingga arus output dioda berupa arus DC.
Bila anoda diberi potensial positif dan katoda negatif, dikatakan dioda diberi forward bias dan bila sebaliknya, dikatakan dioda diberi reverse bias. Pada forward bias, perbedaan voltage antara katoda dan anoda disebut threshold voltage atau knee voltage. Besar voltage ini tergantung dari jenis diodanya, bisa 0.2V, 0.6V dan sebagainya.
Bila dioda diberi reverse bias (yang beda voltagenya tergantung dari tegangan catu) tegangan tersebut disebut tegangan terbalik. Tegangan terbalik ini tidak boleh melampaui harga tertentu, harga ini disebut breakdown voltage, misalnya dioda type 1N4001 sebasar 50V.
Dioda jenis germanium misalnya type 1N4148 atau 1N60 bila diberikan forward bias dapat meneruskan getaran frekuensi radio dan bila forward bias dihilangkan, akan memblok getaran frekuensi radio tersebut. Adanya sifat ini, dioda jenis tersebut digunakan untuk switch.
Untuk membuat penyearah pada power supply, di pasaran banyak terjual dioda bridge. Dioda ini adalah dioda silicon yang dirangkai menjadi suatu bridge dan dikemas menjadi satu kesatuan komponen. Di pasaran terjual berbagai bentuk dioda bridge dengan berbagai macam kapasitasnya. Ukuran dioda bridge yang utama adalah voltage dan ampere maksimumnya.
Banyak sekali penggunaan dioda dan secara umum dioda dapat digunakan
antara lain untuk : 1. Pengaman 2. Penyearah 3. Voltage regulator 4. Modulator 5. Pengendali frekuensi 6. Indikator 7. Switch Dalam rangkaian elektronika, ada beberapa diode special yang sering
digunakan. Berikut ini adalah beberapa contoh diode special. a) Dioda Zener adalah suatu dioda yang mempunyai sifat bahwa tegangan
terbaliknya sangat stabil, tegangan ini dinamakan tegangan zener. Di atas tegangan zener, dioda ini akan menghantar listrik ke dua arah. Dioda ini digunakan sebagai voltage stabilizer atau voltage regulator. Bentuk dioda ini seperti dioda biasa, perbedaan hanya dapat dilihat dari type yang tertulis pada bodynya dan zener voltage dilihat pada vademicum.
Dioda Zener
Simbol Dioda
b) Suatu jenis dioda yang lain adalah Light Emiting Diode (LED) yang dapat mengeluarkan cahaya bila diberikan forward bias. Dioda jenis ini banyak digunakan sebagai indikator dan display. Misalnya dapat digunakan untuk seven segmen (display angka).
c) Dioda foto mempunyai sifat lain lagi, yang berkebalikan dengan LED ialah
akan menghasilkan arus listrik bila terkena cahaya. Besarnya arus listrik tergantung dari besarnya cahaya yang masuk.
d) Dioda Kapasiansi Variabel yang disebut juga dioda varicap atau dioda varactor. Sifat dioda ini ialah bila dipasangkan menurut arah terbalik akan berperan sebagai kondensator. Kapasitansinya tergantung pada tegangan yang masuk. Dioda jenis ini banyak digunakan pada modulator FM dan juga pada VCO suatu PLL (Phase Lock Loop).
C. Kapasitor Kapasitor (Kondensator) yang dalam rangkaian elektronika
dilambangkan dengan huruf "C" adalah suatu alat yang dapat menyimpan energi/muatan listrik di dalam medan listrik, dengan cara mengumpulkan ketidakseimbangan internal dari muatan listrik. Kapasitor ditemukan oleh Michael Faraday (1791 ‐ 1867). Satuan kapasitor disebut Farad (F).
Struktur sebuah kapasitor terbuat dari 2 buah plat metal yang
dipisahkan oleh suatu bahan dielektrik. Bahan‐bahan dielektrik yang umum dikenal misalnya udara vakum, keramik, gelas dan lain‐lain. Jika kedua ujung plat metal diberi tegangan listrik, maka muatan‐muatan positif akan mengumpul pada salah satu kaki (elektroda) metalnya dan pada saat yang sama muatan‐muatan negative terkumpul pada ujung metal yang satu lagi. Muatan positif tidak dapat mengalir menuju ujung kutub negatif dan sebaliknya muatan negatif tidak bisa menuju ke ujung kutub positif, karena terpisah oleh bahan dielektrik yang non‐konduktif. Muatan elektrik ini tersimpan selama tidak ada konduksi pada ujung‐ujung kakinya. Di alam bebas, phenomena kapasitor ini terjadi pada saat terkumpulnya muatan‐muatan positif dan negatif di awan.
Berdasarkan kegunaannya kondensator di bagi menjadi : 1. Kondensator tetap (nilai kapasitasnya tetap tidak dapat diubah) 2. Kondensator elektrolit (Electrolit Condenser = Elco) 3. Kondensator variabel (nilai kapasitasnya dapat diubah‐ubah)
Pada kapasitor yang berukuran besar, nilai kapasitansi umumnya ditulis dengan angka yang jelas. Lengkap dengan nilai tegangan maksimum dan polaritasnya. Misalnya pada kapasitor elco dengan jelas tertulis kapasitansinya sebesar 100 µF 25v yang artinya kapasitor/ kondensator tersebut memiliki nilai
Simbol Kapasitor, Polar Kapasitor, dan Variabel Kapasitor
LED
kapasitansi 100 µF dengan tegangan kerja maksimal yang diperbolehkan sebesar 25 volt.
Kapasitor yang ukuran fisiknya kecil biasanya hanya bertuliskan 2 (dua) atau 3 (tiga) angka saja. Jika hanya ada dua angka, satuannya adalah pF (pico farads).
Kapasitor terdiri dari beberapa tipe, tergantung dari bahan dielektriknya. Untuk lebih sederhana dapat dibagi menjadi 3 bagian, yaitu kapasitor electrostatic, electrolytic dan electrochemical.
☯ Kapasitor Electrostatic Kapasitor electrostatic adalah kelompok kapasitor yang dibuat dengan
bahan dielektrik dari keramik, film dan mika. Keramik dan mika adalah bahan yang popular serta murah untuk membuat kapasitor yang kapasitansinya kecil.
Tersedia dari besaran pF sampai beberapa µF, yang biasanya untuk aplikasi rangkaian yang berkenaan dengan frekuensi tinggi. Termasuk kelompok bahan dielektrik film adalah bahan‐bahan material seperti polyester (polyethylene terephthalate atau dikenal dengan sebutan mylar), polystyrene, polyprophylene, polycarbonate, metalized paper dan lainnya. Mylar, MKM, MKT adalah beberapa contoh sebutan merek dagang untuk kapasitor dengan bahan‐bahan dielektrik film. Umumnya kapasitor kelompok ini adalah non‐polar.
☯ Kapasitor Electrolytic Kelompok kapasitor electrolytic terdiri dari kapasitor‐kapasitor yang
bahan dielektriknya adalah lapisan metal‐oksida. Umumnya kapasitor yang termasuk kelompok ini adalah kapasitor polar dengan tanda + dan ‐ di badannya. Mengapa kapasitor ini dapat memiliki polaritas, adalah karena proses pembuatannya menggunakan elektrolisa sehingga terbentuk kutub positif anoda dan kutub negatif katoda.
Telah lama diketahui beberapa metal seperti tantalum, aluminium, magnesium, titanium, niobium, zirconium dan seng (zinc) permukaannya dapat dioksidasi sehingga membentuk lapisan metal‐oksida (oxide film). Lapisan oksidasi ini terbentuk melalui proses elektrolisa, seperti pada proses penyepuhan emas. Elektroda metal yang dicelup ke dalam larutan elektrolit (sodium borate) lalu diberi tegangan positif (anoda) dan larutan electrolit diberi tegangan negatif (katoda). Oksigen pada larutan electrolyte terlepas dan mengoksidasi permukaan plat metal. Contohnya, jika digunakan Aluminium, maka akan terbentuk lapisan Aluminium‐oksida (Al2O3) pada permukaannya.
Dengan demikian berturut‐turut plat metal (anoda), lapisan‐metal‐oksida dan electrolyte (katoda) membentuk kapasitor. Dalam hal ini lapisan‐metal‐oksida sebagai dielektrik.
Karena alasan ekonomis dan praktis, umumnya bahan metal yang banyak digunakan adalah aluminium dan tantalum. Bahan yang paling banyak dan murah adalah aluminium. Untuk mendapatkan permukaan yang luas, bahan plat Aluminium ini biasanya digulung radial. Sehingga dengan
cara itu dapat diperoleh kapasitor yang kapasitansinya besar. Sebagai contoh 100uF, 470uF, 4700uF dan lain‐lain, yang sering juga disebut kapasitor elco.
Bahan electrolyte pada kapasitor tantalum ada yang cair tetapi ada juga yang padat. Disebut electrolyte padat, tetapi sebenarnya bukan larutan electrolit yang menjadi elektroda negatif‐nya, melainkan bahan lain yaitu manganese‐dioksida. Dengan demikian kapasitor jenis ini bisa memiliki kapasitansi yang besar namun menjadi lebih ramping dan mungil. Selain itu karena seluruhnya padat, maka waktu kerjanya (lifetime) menjadi lebih tahan lama. Kapasitor tipe ini juga memiliki arus bocor yang sangat kecil Jadi dapat dipahami mengapa kapasitor Tantalum menjadi relatif mahal.
☯ Kapasitor Electrochemical Satu jenis kapasitor lain adalah kapasitor electrochemical. Termasuk
kapasitor jenis ini adalah battery dan accu. Pada kenyataannya battery dan accu adalah kapasitor yang sangat baik, karena memiliki kapasitansi yang besar dan arus bocor (leakage current) yang sangat kecil. Tipe kapasitor jenis ini juga masih dalam pengembangan untuk mendapatkan kapasitansi yang besar namun kecil dan ringan, misalnya untuk aplikasi mobil elektrik dan telepon selular.
D. Transistor Bipolar Komponen semiconductor selanjutnya adalah transistor, komponen ini boleh
dikatakan termasuk komponen yang susunannya sederhana bila dibandingkan dengan Integrated Circuit. Pada prinsipnya, suatu transistor terdiri atas dua buah dioda yang disatukan. Agar transistor dapat bekerja, kepada kaki‐kakinya harus diberikan tegangan, tegangan ini dinamakan bias voltage. Basis‐emitor diberikan forward voltage, sedangkan basis‐kolektor diberikan reverse voltage. Sifat transistor adalah bahwa antara kolektor dan emitor akan ada arus (transistor akan menghantar) bila ada arus basis. Makin besar arus basis makin besar penghatarannya.
Berbagai bentuk transistor yang terjual di pasaran, bahan selubung kemasannya juga ada berbagai macam misalnya selubung logam, keramik dan ada yang berselubung polyester. Transistor pada umumnya mempunyai tiga kaki, kaki pertama disebut basis, kaki berikutnya dinamakan kolektor dan kaki yang ketiga disebut emitor. Transistor dapat dipergunakan antara lain untuk : 1. Sebagai penguat arus, tegangan dan daya (AC dan DC) 2. Sebagai penyearah 3. Sebagai mixer 4. Sebagai osilator 5. Sebagai switch
Transistor NPN dan PNP
E. Potentiometer Potentiometer adalah suatu tahanan yang nilainya dapat kita ubah‐ubah.
Cara pengubahan nilai resistansi dari potensiometer dapat kita lakukan dengan memutar ujung dari potensiometer. Perubahan dari nilai potensiometer adalah linear. Biasanya, potensiometer digunakan pada radio sebagai pengatur tinggi rendah volume radio, sensor gerak pada lengan robot, joystick, dll.
F. Voltage Regulator Regulator tiga terminal adalah “ Integrated Voltage Regulator Circuit “ yang
dirancang untuk mempertahankan tegangan outputnya tetap dan mudah untuk dirangkai. Keuntungannya adalah : 1. Membutuhkan penambahan komponen luar yang sangat sedikit, ukuran kecil 2. Mempunyai proteksi terhadap arus hubung singkat. 3. Mempunyai automatic thermal shutdown. 4. Mempunyai tegangan output yang sangat konstan 5. Mempunyai arus rendah 6. Mempunyai ripple output yang sangat kecil. 7. Pembiayaan rendah
Seri LM 78XX adalah regulator dengan tiga terminal, dapat diperoleh dengan berbagai tegangan tetap. Beberapa IC regulator mempunyai kode yang
dibuat oleh pabrik pembuat komponen, sebagai contoh : IC LM.7805 AC Z yang artinya sebagai berikut: a. LM Linear Monolithic b. 78L Bagian nomor dasar yang menyatakan tegangan positip c. 06 Tegangan output d. AC Standart ketepatan e. Z Tipe pembungkus , ZTO‐92 Plastic
Seri LM 78XXC dapat diperoleh dalam kemasan TO‐3 alamunium , arus keluaran (output) 1A ,boleh lebih asalkan IC regulator dilengkapi dengan pendingin (heatsink). Regulator LM 78XXC mudah dipakai dan tambahan komponen‐komponen ektern tidak banyak. Sifat‐sifat IC regulator LM 78XX adalah sebagai berikut:
a. Arus keluaran melebihi 1A b. Pengamanan pembebanan lebih termik c. Tidak diperlukan komponen tambahan d. Ada pengamanan untuk transistor keluaran (output) e. Dapat diperoleh dalam kemasan TO‐3 aluminium
Arus maksimum regulator IC yang dikirim ke beban tergantung pada tiga faktor, yaitu :
1. Temperatur 2. Perbedaan antara tegangan input dan output atau disebut diferensial input
output 3. Arus beban. Pada rangkaian operational amplifier dan microprocessor
dibutuhkan catu daya yang membutuhkan dua polaritas sumbertegangan, misal +5V dan ‐5V.
Seri LM 79XXC , LM 79LXX adalah regulator tegangan negatif 3 terminal.
Seri LM 79XXC dikemas dalam kemasan daya TO‐200 dan mampu mengeluarkan arus 1,5 ampere. Sifat‐sifat regulatorLM79XXC adalah sebagai berikut : a. Mempunyai pengaman daerah,hubung singkat dan termik b. Penindasan kerut (ripple) tinggi c. Arus keluara 1,5 A d. Tegangan keluaran stelan pendahuluan 4%
Untuk seri LM79LXX AC ,piranti ini telah dirancang untuk mengeluarkan tegangan tetap dan dapat diperoleh dalam kemsan TO‐92 dengan 3 kawat. Sifat‐sifat regulator ini adalah sebagai berikut : 1. Arus keluaran 100mA 2. Mudah dikompensasi dengan kodensator kapasitas kecil 0,1 μ A 3. Mudah distel untuk tegangan keluaran tinggi 4. Penyimpangan tegangan keluaran stelan ± 5 %
2. Desain Skematik
3. Prinsip Kerja Rangkaian Power supply adjustable adalah suatu rangkaian yang dapat mengubah
tegangan AC 220 V menjadi tegangan DC dengan range tegangan tertentu yang bisa diubah‐ubah nilainya menggunakan potensiometer.
Jika tegangan AC diberikan kepada rangkaian ini maka tegangan akan diturunkan menjadi tegangan AC yang lebih rendah amplitudonya. Kemudian tegangan yang sudah diturunkan ini akan masuk ke rangkaian fullwave rectifier. Output dari rangkaian fullwave rectifier ini akan menjadi tegangan DC.
Pada saat terminal 12 positif dan terminal 7 negatif , dioda‐dioda D2 dan D3 berada dalam kondisi menghantar seadangkan D4 dan D1 tidak menghantar karena D2 dan D3 pada kondisi forward bias dan D4 dan D1 pada kondisi reverse bias. Pada saat terminal A negatif dan B positip , dioda yang menghantar adalah D4 dan D1, sedang D2 dan D3 tidak menghantar karena pada saat itu D4 dan D1 pada kondisi forward bias dan D2 dan D3 pada kondisi reverse bias. Dengan demikian setiap setengah perioda tegangan bolak balik ada dua diode yang menghantar (conduct) secara bersamaan dan dua buah dioda lainnya tidak menghantar sehingga menghasilkan bentuk gelombang penuh. Tegangan rata‐rata (Udc) sama dengan sistem penyearah dengan menggunakan trafo CT.
Setelah dihasilkan tegangan seperti pada gambar di atas maka langkah
berikutnya, gelombang tersebut difilter menggunakan kapasitor agar didapatkan bentuk gelombang yang lebih rata seperti pada gambar di bawah ini.
Semakin besar nilai kapasitor yang digunakan maka akan semakin rata
tegangan DC yang dihasilkan. Setelah tegangan difilter kemudian diteruskan ke voltage regulator. Voltage
regulator digunakan untuk membatasi besarnya tegangan. Misalnya transformator yang kita gunakan menghasilkan tegangan output 6 V dan kita gunakan voltage regulator LM7805 maka output tegangan maksimal adalah 5 V. Fungsi dari LED adalah sebagai indicator bahwa ada tegangan pada output.
Untuk mengubah‐ubah nilai tegangan maka kita gunakan potensiometer.
4. Fungsi tiap‐tiap Komponen a. Transformator
Fungsinya adalah sebagai transformer (pengubah) nilai tegangan. Dalam rangkaian ini kita gunakan untuk menurunkan tegangan menjadi misalnya 6 V.
b. Diode full wave rectifier Fungsinya adalah sebagai penyearah.
c. Kapasitor Fungsinya adalah sebagai filter.
d. IC LM78xx Fungsinya adalah sebagai voltage regulator untuk membatasi nilai output tegangan agar tidak melebihi batas yang kita inginkan.
e. Potensiometer Fungsinya untuk mengubah‐ubah nilai tegangan output dari power supply yang kita desain.
f. Transistor TIP3055 Fungsinya sebagai penguat arus karena arus terdisipasi oleh IC LM78xx dan potensiometer.
5. Manfaat Power Supply dengan Adjustable. Manfaat dari power supply adjustable adalah sebagai input tegangan pada rangkaian yang membutuhkan nilai yang bisa kita ubah‐ubah. Misalnya kita ingin
melakukan percobaan untuk mengukur besarnya penguatan suatu amplifier dengan tegangan supply yang tidak sama.
