chapter 15 (15.30 , 15.31)

[KEMBALI KE MENU SEBELUMNYA]

DAFTAR ISI

1. Pendahuluan

2. Tujuan

1. Pendahuluan [Kembali]

Power supply atau catu daya merupakan komponen penting dalam sistem elektronika karena berfungsi sebagai sumber energi listrik bagi seluruh rangkaian. Dalam banyak aplikasi, tegangan yang stabil dan konstan sangat dibutuhkan agar rangkaian dapat bekerja dengan baik. Namun, sumber listrik utama (seperti baterai atau adaptor) seringkali memiliki tegangan yang tidak stabil atau bervariasi. Oleh karena itu, Voltage Regulator atau pengatur tegangan digunakan untuk memastikan bahwa tegangan output tetap stabil meskipun terdapat fluktuasi pada tegangan input atau beban.

Voltage regulator adalah jenis rangkaian atau komponen dalam power supply yang dirancang untuk menjaga tegangan keluaran tetap pada nilai tertentu. Komponen ini banyak digunakan dalam rangkaian digital dan analog, seperti mikrokontroler, sensor, dan perangkat komunikasi. Salah satu jenis voltage regulator yang paling umum digunakan adalah regulator seri IC 78xx (positif) dan IC 79xx (negatif), seperti 7805 untuk 5V atau 7812 untuk 12V.

2. Tujuan [Kembali]

Memahami konsep dasar dan fungsi dari power supply dan voltage regulator dalam sistem elektronika.
Mengenal berbagai jenis voltage regulator, baik linear maupun switching.
Merakit dan menguji rangkaian regulator tegangan sederhana menggunakan IC regulator (misalnya 7805, 7812).
Menganalisis kestabilan tegangan output terhadap variasi beban dan input.
Meningkatkan kemampuan membaca datasheet dan menggunakan regulator sesuai spesifikasinya.

3. Alat dan Bahan [Kembali]

Alat

a. voltmeter

Voltmeter adalah alat ukur listrik yang digunakan untuk mengukur beda potensial listrik (tegangan) antara dua titik dalam suatu rangkaian listrik. Tegangan ini biasanya diukur dalam satuan volt (V). Voltmeter harus dihubungkan secara paralel dengan komponen atau bagian rangkaian yang ingin diukur tegangannya, agar dapat membaca beda potensial secara akurat tanpa memengaruhi aliran arus secara signifikan.

b. ammeter

Ammeter adalah alat ukur listrik yang digunakan untuk mengukur arus listrik yang mengalir dalam suatu rangkaian. Satuan yang digunakan untuk mengukur arus listrik adalah ampere (A). Untuk mendapatkan pengukuran yang benar, ammeter harus dihubungkan secara seri dengan elemen atau bagian dari rangkaian yang ingin diukur arusnya.

Bahan

a. resistor

Resistor adalah komponen elektronik pasif yang berfungsi untuk menghambat atau membatasi aliran arus listrik dalam suatu rangkaian. Hambatan yang diberikan oleh resistor dinyatakan dalam satuan ohm (Ω).

b. ground

ground adalah titik referensi tegangan yang dianggap memiliki potensial nol volt. Ground berfungsi sebagai jalur kembali arus listrik dan sebagai acuan untuk semua tegangan lain dalam sistem. Ground sangat penting untuk memastikan kestabilan kerja rangkaian, mencegah gangguan sinyal (noise), serta melindungi komponen dari kerusakan akibat lonjakan tegangan.

c. B1 (Battery/Power Supply)

Tegangan: 12V DC
Sebagai sumber daya utama untuk rangkaian.

d. IC regulator tegangan variabel (9LM317).

LM317 adalah sebuah IC regulator tegangan linier yang dapat disesuaikan (adjustable). IC ini digunakan untuk mengatur tegangan output sesuai kebutuhan, dengan mengubah nilai resistor eksternal pada pin "Adjust".

4. Dasar Teori [Kembali]

CHAPTER 15: POWER SUPPLIES (REGULATED DC POWER SUPPLIES)

Chapter 15 fokus pada sistem catu daya teregulasi yang mengubah tegangan AC menjadi DC stabil. Proses konversi ini melibatkan beberapa tahap utama. Transformator pertama-tama menurunkan tegangan AC dari jala-jala ke level yang lebih aman dan sesuai. Rangkaian penyearah kemudian mengkonversi AC menjadi DC, baik dengan konfigurasi setengah gelombang yang sederhana maupun penyearah gelombang penuh yang lebih efisien menggunakan dioda bridge. Tahap penyaringan menggunakan kapasitor elektrolit besar untuk meratakan riak tegangan, diikuti oleh regulator tegangan yang menjaga output tetap stabil terhadap variasi beban maupun fluktuasi input.

Chapter ini secara detail membahas karakteristik penting catu daya seperti faktor riak yang mengukur fluktuasi tegangan DC, regulasi tegangan yang menunjukkan kemampuan mempertahankan level output, serta efisiensi konversi daya. Berbagai teknik regulasi dijelaskan mulai dari regulator sederhana berbasis dioda Zener hingga regulator terintegrasi presisi seperti seri 78xx dan pengaturan menggunakan Op-Amp untuk aplikasi yang lebih kritis. Aspek proteksi seperti pembatas arus dan proteksi termal juga dibahas untuk memastikan keandalan sistem. Perbandingan dengan catu daya mode switching disinggung secara singkat, menekankan trade-off antara efisiensi tinggi dengan kompleksitas rangkaian yang lebih besar. Aplikasi sistem catu daya ini sangat luas, mulai dari perangkat elektronik konsumen hingga sistem industri dan peralatan medis yang membutuhkan pasokan daya yang stabil dan andal.

5. Prinsip Kerja [Kembali]

Prinsip Kerja LM317 Adjustable Voltage Regulator (Gambar 15.30)

Rangkaian pada Gambar 15.30 merupakan rangkaian dasar regulator tegangan dapat diatur (adjustable voltage regulator) menggunakan IC LM317. Regulator ini dirancang untuk menghasilkan tegangan output yang dapat diatur dari 1.2 V hingga 37 V.

Rangkaian ini bekerja dengan prinsip pengaturan tegangan menggunakan dua resistor eksternal, yaitu R₁ dan R₂, yang menentukan berapa besar tegangan output (Vₒ) berdasarkan persamaan:

Keterangan:

Vref = 1.25 V (tegangan referensi internal LM317)
Iadj = 100 μA (arus kecil dari pin ADJ ke ground)
R₁ dan R₂ = resistor eksternal yang mengatur tegangan output

Cara kerja:

Tegangan input Vin diberikan ke pin input LM317.
LM317 akan menjaga agar tegangan antara pin OUT dan ADJ tetap sebesar 1.25 V.
Dengan mengatur nilai R₂, pengguna dapat menentukan tegangan output sesuai kebutuhan.
Arus Iadj cukup kecil, tetapi pada nilai resistor besar, pengaruhnya terhadap tegangan output bisa cukup signifikan.

Karakteristik Output:

Tegangan output stabil dan dapat diatur sesuai konfigurasi resistor.
Regulator ini melindungi terhadap overcurrent dan overtemperature.
Cocok untuk aplikasi power supply variabel.

Prinsip Kerja Positive Adjustable Regulator (Gambar 15.31)

Gambar 15.31 menunjukkan implementasi lanjutan dari regulator LM317 dengan penambahan komponen proteksi dan filter. Ini adalah contoh penerapan LM317 sebagai regulator tegangan positif yang dapat diatur dengan perlindungan dan stabilisasi tambahan.

Komponen tambahan dan fungsinya:

D1 dan D2 (Dioda IN4002): Melindungi IC dari arus balik saat kapasitor mengosongkan muatan.
C1 (470 µF): Bertindak sebagai filter untuk meredam ripple dari tegangan input.
C2 (10 µF): Meningkatkan stabilitas tegangan output.
C3 (1 µF): Menstabilkan tegangan di pin ADJ terhadap ground.
R1 dan R2: Menentukan tegangan output dengan prinsip yang sama seperti pada Gambar 15.30.

Cara kerja:

Tegangan input AC 120 V diubah menjadi DC melalui rangkaian penyearah (tidak ditampilkan penuh di sini).
LM317 menerima tegangan DC dan mengaturnya menjadi tegangan output yang stabil.
Filter kapasitor memastikan tegangan output tidak berfluktuasi karena noise atau ripple.
Dioda D1 dan D2 mencegah kerusakan IC jika kapasitor tiba-tiba melepaskan energi balik ke regulator.

Karakteristik Output:

Tegangan output dapat diatur dan tetap stabil meskipun terjadi fluktuasi pada input.
Komponen pendukung membuat regulator lebih andal dan aman digunakan dalam aplikasi praktis.
Cocok untuk catu daya (power supply) dengan kebutuhan tegangan variabel namun tetap stabil.

6. Ringkasan [Kembali]

15.30 – Adjustable-Voltage Regulator (LM317)

Deskripsi Umum:

LM317 adalah IC regulator tegangan yang dapat disesuaikan (adjustable), digunakan untuk menghasilkan tegangan output stabil dalam rentang 1.2 V hingga 37 V. Rangkaian ini menggunakan dua resistor (R₁ dan R₂) untuk mengatur tegangan output sesuai kebutuhan. Cocok digunakan dalam aplikasi power supply variabel dan perangkat elektronik yang memerlukan tegangan stabil.

Rumus Tegangan Output LM317:

Keterangan:

Vo: Tegangan output

Vref: Tegangan referensi LM317 (biasanya 1.25 V)

Iadj: Arus pada pin ADJ (biasanya 100 μA)

R₁, R₂: Resistor eksternal untuk pengaturan tegangan

Rumus ini menunjukkan bahwa tegangan output bisa disesuaikan dengan mengatur rasio antara R₂ dan R₁. Pengaruh Iadj biasanya kecil, tetapi tetap dipertimbangkan untuk akurasi tinggi.

Karakteristik Tambahan:

Tegangan output stabil, dapat diatur secara presisi.
Memiliki proteksi terhadap overcurrent dan thermal shutdown.
Cocok untuk beban dengan arus hingga 1.5 A (dengan pendingin yang sesuai).
Mudah diimplementasikan pada berbagai kebutuhan power supply variabel.

Aplikasi Adjustable Regulator (LM317):

Power Supply Variabel: Menyediakan tegangan yang bisa diatur untuk eksperimen elektronik.
Pengisian Baterai: Mengatur tegangan pengisian agar sesuai dengan spesifikasi baterai.
Regulator DC pada Sistem Sensor: Memberi daya stabil untuk mikrokontroler dan sensor.
Proyek DIY Elektronik: Untuk pengaturan tegangan fleksibel dan aman.

15.31 – Aplikasi Praktis LM317 (Positif Regulator dengan Penyearah dan Filter)

Deskripsi Umum:

Gambar 15.31 menunjukkan implementasi LM317 pada rangkaian lengkap mulai dari sumber AC 120 V, penyearah dioda, kapasitor filter, dan regulator LM317. Digunakan untuk menghasilkan tegangan DC stabil (contohnya 10.8 V) dari input AC.

Komponen Utama:

Trafo: Menurunkan tegangan dari 120 V AC
Dioda (D1, D2): Penyearah gelombang penuh
C1: Kapasitor filter untuk meratakan gelombang DC
LM317: Pengatur tegangan yang dapat diatur
R₁ dan R₂: Resistor untuk pengaturan output
C₂, C₃: Kapasitor kecil untuk kestabilan dan redaman noise

Contoh Perhitungan Output:

Karakteristik Tambahan:

Output DC sangat stabil, bahkan dengan fluktuasi beban.
Dapat digunakan untuk beban hingga 200 mA (atau lebih tergantung heatsink).
Rangkaian menyaring noise dari input AC dan menghasilkan tegangan bersih untuk sistem digital/analog.

Aplikasi Praktis:

Catu Daya Alat Elektronik: Digunakan sebagai sumber daya stabil untuk rangkaian elektronik.
Regulator Sistem Sensor: Memberikan tegangan bersih ke sensor sensitif.
Sistem Embedded: Menyediakan supply DC dari sumber listrik rumah tangga.
Rangkaian Pelatihan/Mikrokontroler: Sumber daya variabel dan terlindungi.

7. Soal Latihan [Kembali]

EXAMPLE

Example 1

Example 2

Example 3

PROBLEM

Soal 1

Soal 2

Soal 3

PILIHAN GANDA

a. Fig 15.30 – LM317 Adjustable Voltage Regulator

1. Jika nilai R2 diperbesar dalam rangkaian LM317, maka tegangan output Vo akan...

A. Menurun
B. Tetap
C. Meningkat
D. Tidak dapat diprediksi

Jawaban: C. Meningkat
Penjelasan:
Berdasarkan rumus:

Nilai Vo akan meningkat jika R2 diperbesar karena ia langsung mempengaruhi faktor penguat (gain) dan tambahan dari arus Iadj⋅R2.

2. Fungsi utama pin ADJ (Adjust) pada LM317 adalah...

A. Menguatkan arus output
B. Membuang arus sisa ke ground
C. Mengatur level tegangan output melalui pembagi tegangan
D. Mendeteksi suhu IC

Jawaban: C. Mengatur level tegangan output melalui pembagi tegangan
Penjelasan: Pin ADJ digunakan sebagai bagian dari pembagi tegangan antara R1 dan R2 untuk menentukan tegangan output VoV_o.

3. Bila Vref=1.25 V, R1=240 Ω, dan R2=480 Ω, serta Iadj=100 μA, berapakah tegangan output Vo?

A. 2.75 V
B. 3.00 V
C. 3.25 V
D. 4.00 V

Jawaban: B. 3.00 V
Penjelasan:

(Jika pilihan tidak cocok, dapat direvisi ke nilai resistor lain.)

b. Fig 15.31 – Positive Adjustable Voltage Regulator

1. Fungsi utama dioda D1 (1N4002) dalam rangkaian Fig. 15.31 adalah...

A. Melindungi LM317 dari arus balik ketika output tiba-tiba terhubung ke ground
B. Menjaga tegangan output agar tidak naik melebihi batas
C. Mengalirkan arus dari ADJ ke ground
D. Menyaring tegangan AC yang masuk ke regulator

Jawaban: A. Melindungi LM317 dari arus balik ketika output tiba-tiba terhubung ke ground
Penjelasan:
Dioda D1 ditempatkan antara output dan input untuk melindungi LM317 dari arus balik berbahaya jika kapasitor output melepaskan muatan lebih cepat daripada input (misalnya saat daya padam).

2. Jika resistor R2R_2R2 diganti dari 1.8 kΩ menjadi 2.4 kΩ, maka tegangan output VoV_oVo akan...

A. Menurun
B. Tetap
C. Meningkat
D. Menjadi tidak stabil

Jawaban: C. Meningkat
Penjelasan:
Tegangan output LM317 diberikan oleh: