Deskripsi Power Supply (Catu Daya)
Power Supply merupakan pemberi sumber
daya bagi perangkat elektronika . Perangkat elektronika mestinya dicatu oleh power supply arus searah DC (direct
current)
yang stabil agar dapat 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.
Pada tulisan kali ini disajikan prinsip rangkaian catu daya (power supply) linier mulai dari rangkaian penyearah yang paling
sederhana sampai pada power supplydengan regulator zener,
op amp dan regulator 78xx.
PENYEARAH (RECTIFIER)
Prinsip
penyearah (rectifier) yang paling sederhana
ditunjukkan pada gambar dibawah berikut ini. Transformator diperlukan untuk
menurunkan tegangan AC dari jala-jala listrik pada kumparan primernya menjadi
tegangan AC yang lebih kecil pada kumparan sekundernya.
Rangkaian Penyearah Sederhana
Pada rangkaian ini, dioda berperan untuk hanya meneruskan
tegangan positif ke beban RL. Ini yang disebut dengan penyearah setengah gelombang (half wave). Untuk mendapatkan
penyearahgelombang penuh (full wave) diperlukan
transformator dengan center tap (CT) seperti pada gambar-2.
Rangkaian Penyearah
Sederhana
Tegangan positif phasa yang pertama diteruskan oleh D1
sedangkan phasa yang berikutnya dilewatkan melalui D2 ke beban R1 dengan CT
transformator sebagai common ground.. Dengan demikian beban R1 mendapat suplai
tegangan gelombang penuh seperti
gambar di atas. Untuk beberapa aplikasi seperti misalnya untuk men-catu
motor dc yang kecil atau lampu pijar dc, bentuk tegangan seperti ini sudah cukup
memadai. Walaupun terlihat di sini tegangan ripple dari kedua rangkaian di atas
masih sangat besar.
Rangkaian Penyearah
Setengah Gelombang Dengah Filter C
Gambar diatas adalah rangkaian penyearah setengah gelombang dengan
filter kapasitor C yang paralel terhadap beban R. Ternyata dengan filter ini
bentuk gelombang tegangan keluarnya bisa menjadi rata. Gambar-4
menunjukkan bentuk keluaran tegangan DC dari rangkaian penyearah setengah gelombang dengan
filter kapasitor. Garis b-c kira-kira adalah garis lurus dengan kemiringan
tertentu, dimana 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.
Bentuk Gelombang
Dengan Filter Kapasitor
Kemiringan kurva b-c tergantung dari 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 :
Vr = VM -VL ………. (1)
dan tegangan dc ke beban adalah:
Vdc = VM + Vr/2 ….. (2)
Rangkaian penyearah yang baik adalah rangkaian yang memiliki
tegangan ripple paling kecil. VL adalah tegangan discharge atau pengosongan
kapasitor C, sehingga dapat ditulis :
VL = VM e –T/RC ………. (3)
Jika persamaan (3) disubsitusi ke rumus (1), maka diperoleh :
Vr = VM (1 – e –T/RC) …… (4)
Jika T << RC, dapat ditulis :
e –T/RC » 1 – T/RC ….. (5)
sehingga jika ini disubsitusi ke rumus (4) dapat diperoleh
persamaan yang lebih sederhana :
Vr = VM(T/RC) …. (6)
VM/R tidak lain adalah beban I, sehingga dengan ini terlihat
hubungan antara beban arus I dan nilai kapasitor C terhadap tegangan ripple Vr.
Perhitungan ini efektif untuk mendapatkan nilai tengangan ripple yang
diinginkan.
Vr = I T/C … (7)
Rumus ini mengatakan, jika arus beban I semakin besar, maka
tegangan ripple akan semakin besar. Sebaliknya jika kapasitansi C semakin
besar, tegangan ripple akan semakin kecil. Untuk penyederhanaan biasanya
dianggap T=Tp, yaitu periode satu gelombang sinus dari jala-jala listrik yang
frekuensinya 50Hz atau 60Hz. Jika frekuensi jala-jala listrik 50Hz, maka T = Tp
= 1/f = 1/50 = 0.02 det. Ini berlaku untuk penyearah setengah gelombang. Untuk
penyearah gelombang penuh, tentu saja fekuensi
gelombangnya dua kali lipat, sehingga T = 1/2 Tp = 0.01 det.
Penyearah gelombang penuh dengan filter C dapat dibuat dengan
menambahkan kapasitor pada rangkaian gambar 2. Bisa juga dengan menggunakan transformator
yang tanpa CT, tetapi dengan merangkai 4 dioda seperti pada gambar-5 berikut
ini.
Rangkaian Penyearah
Gelombang Penuh Dengan Filter C
Sebagai contoh, anda mendisain rangkaian penyearah gelombang
penuh dari catu jala-jala listrik 220V/50Hz untuk mensuplai beban sebesar 0.5
A. Berapa nilai kapasitor yang diperlukan sehingga rangkaian ini memiliki
tegangan ripple yang tidak lebih dari 0.75 Vpp. Jika rumus (7) dibolak-balik
maka diperoleh.
C = I.T/Vr = (0.5) (0.01)/0.75 = 6600 uF.
Untuk kapasitor yang sebesar ini banyak tersedia tipe elco
yang memiliki polaritas dan tegangan kerja maksimum tertentu. Tegangan kerja
kapasitor yang digunakan harus lebih besar dari tegangan keluaran catu daya.
Anda barangkalai sekarang paham mengapa rangkaian audio yang anda buat
mendengung, coba periksa kembali rangkaian penyearah catu daya yang anda buat,
apakah tegangan ripple ini cukup mengganggu. Jika dipasaran tidak tersedia
kapasitor yang demikian besar, tentu bisa dengan memparalel dua atau tiga buah
kapasitor.
REGULATOR
REGULATOR
Rangkaian penyearah sudah cukup bagus jika tegangan
ripple-nya kecil, namun 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 keluarnya juga ikut turun.
Untuk beberapa aplikasi perubahan tegangan ini cukup mengganggu, sehingga
diperlukankomponen aktif
yang dapat meregulasi tegangan keluaran ini menjadi stabil.
Rangkaian regulator yang paling sederhana ditunjukkan pada
gambar 6. Pada rangkaian ini, zener bekerja pada daerah breakdown, sehingga
menghasilkan tegangan output yang sama dengan tegangan zener atau Vout = Vz.
Namun rangkaian ini hanya bermanfaat jika arus beban tidak lebih dari 50mA.
