CHAPTER 14-15

[menuju akhir]

[KEMBALI KE MENU SEBELUMNYA]

DAFTAR ISI

1. Pendahuluan

1. Pendahuluan (kembali)

Regulasi tegangan penting untuk menjaga kestabilan tegangan output catu daya. Kita akan membahas regulasi tegangan seri menggunakan transistor diskrit, di mana transistor daya mengatur tegangan output. Selain itu, kita akan melihat bagaimana prinsip ini dapat diimprovisasi dengan komponen alternatif atau modifikasi desain untuk mengatasi keterbatasan atau kebutuhan spesifik. Tujuannya adalah memahami cara kerja dasar, kelebihan kekurangan, potensi improvisasi, dan aplikasi praktis regulasi tegangan seri transistor diskrit dalam desain catu daya linear.

2. Tujuan (kembali)

Memahami prinsip dasar bagaimana transistor diskrit bekerja dalam konfigurasi seri untuk menstabilkan tegangan output catu daya.

Menganalisis kelebihan dan kekurangan metode regulasi tegangan seri dibandingkan dengan teknik regulasi lainnya.

Mengeksplorasi potensi improvisasi dalam desain regulator seri menggunakan komponen alternatif atau modifikasi rangkaian untuk mengatasi keterbatasan atau memenuhi kebutuhan spesifik.

Mengembangkan pemahaman praktis yang memungkinkan perancangan dan implementasi regulator tegangan seri transistor diskrit yang efektif dan sesuai dengan kebutuhan aplikasi.

3. Alat dan Bahan (kembali)

A. ALAT

1.Ptoteus

Proteus adalah software simulasi dan desain rangkaian elektronik yang digunakan untuk membuat, menguji, dan memvisualisasikan rangkaian.

B. BAHAN

1. Voltmeter

Alat ukur untuk mengukur besar Tegangan dalam satuan Volt

2. DC Voltage

Komponen yang menyediakan tegangan tetap antara dua terminal: terminal positif (+) dan terminal negatif (–). Sumber ini digunakan untuk memberikan energi listrik ke rangkaian, dan nilainya bisa berupa tegangan tetap (seperti baterai 5V atau 12V) atau variabel, tergantung konfigurasi rangkaian.

3. Ground

Ground adalah titik kembalinya arus searah atau titik kembalinya sinyal bolak balik atau titik patokan dari berbagai titik tegangan dan sinyal listrik dalam rangkaian elektronika.

4. Resistor

Fungsi utama dari resistor adalah membatasi aliran arus. Resistor dapat menahan arus dan memperkecil besar arus. Besar resistansi (kemampuan menahan arus) resistor disesuaikan dengan kebutuhan perangkat elektronika.

5.Transistors.

Transistor adalah komponen elektronik yang berfungsi sebagai saklar atau penguat sinyal. Transistor memiliki tiga kaki: basis (B), kolektor (C), dan emitor (E). Dengan mengatur arus kecil di basis, transistor bisa mengendalikan arus yang lebih besar antara kolektor dan emitor.

6.diode zener

fungsi utama dioda zener adalah sebagai regulator tegangan. Komponen ini dirancang untuk mempertahankan tegangan yang relatif konstan pada nilai tegangan zenernya ketika beroperasi dalam bias balik. Selain itu, dioda zener juga berfungsi sebagai proteksi terhadap tegangan lebih dengan membatasi tegangan pada level yang aman bagi komponen rangkaian lainnya.

4. Dasar Teori (kembali)

Regulasi tegangan seri menggunakan transistor diskrit adalah metode linear untuk menghasilkan tegangan output yang stabil dari sumber tegangan input yang mungkin berfluktuasi. Prinsip kerjanya melibatkan transistor daya yang ditempatkan secara seri antara sumber tegangan input dan beban. Transistor ini berfungsi sebagai elemen kontrol yang secara aktif menyesuaikan resistansinya untuk menjaga tegangan output tetap konstan.

1. Transistor sebagai Elemen Pengatur:

Transistor (biasanya jenis NPN atau PNP) dioperasikan di daerah aktif. Dalam daerah ini, arus kolektor ( $I_{C}$ ) dikendalikan oleh arus basis ( $I_{B}$ ).
Perubahan pada arus basis akan menyebabkan perubahan yang lebih besar pada arus kolektor, sehingga memengaruhi tegangan yang jatuh melintasi transistor ( $V_{CE}$ ).
Dengan mengendalikan $V_{CE}$ , transistor secara efektif mengatur berapa banyak tegangan input yang diteruskan ke beban.

2. Rangkaian Dasar Regulator Seri:

Transistor Seri: Ditempatkan antara input dan output, mengatur aliran arus ke beban.
Rangkaian Referensi Tegangan: Menghasilkan tegangan referensi yang stabil (misalnya menggunakan dioda Zener).
Rangkaian Umpan Balik: Mengambil sampel tegangan output dan membandingkannya dengan tegangan referensi.
Penguat Kesalahan (Error Amplifier): Memperkuat perbedaan (kesalahan) antara tegangan output dan tegangan referensi. Output dari penguat kesalahan digunakan untuk mengendalikan arus basis transistor seri.

3. Prinsip Kerja dengan Umpan Balik Negatif:

Jika tegangan output cenderung turun (misalnya karena perubahan beban), penguat kesalahan akan mendeteksi perbedaan ini dan meningkatkan arus basis transistor seri.
Peningkatan arus basis akan menyebabkan penurunan $V_{CE}$ (resistansi transistor menurun), sehingga lebih banyak tegangan input diteruskan ke beban, dan tegangan output kembali naik ke nilai yang diinginkan.
Sebaliknya, jika tegangan output cenderung naik, penguat kesalahan akan mengurangi arus basis, meningkatkan $V_{CE}$ , dan menurunkan tegangan output.
Mekanisme umpan balik negatif ini secara kontinyu menyesuaikan resistansi transistor seri untuk menjaga tegangan output tetap stabil terhadap perubahan input dan beban.

4. Elemen-Elemen Kunci:

Dioda Zener: Sering digunakan sebagai sumber tegangan referensi yang stabil karena kemampuannya untuk mempertahankan tegangan yang hampir konstan saat dialiri arus balik (di atas tegangan lutut Zener).
Penguat Kesalahan: Biasanya menggunakan transistor atau operational amplifier (Op-Amp) untuk memperkuat selisih tegangan.
Resistor Pembagi Tegangan: Digunakan dalam rangkaian umpan balik untuk mengambil sampel tegangan output.

Dasar Teori Improvisasi:

Dalam situasi di mana komponen standar tidak tersedia atau untuk desain yang lebih sederhana, prinsip dasar regulasi seri dapat diimprovisasi dengan:

Menggunakan Transistor dengan Karakteristik yang Mirip: Memilih transistor daya lain dengan rating tegangan dan arus yang sesuai, meskipun memiliki nilai penguatan (hFE) yang berbeda. Penyesuaian pada rangkaian bias mungkin diperlukan.
Menggunakan Dioda Bias sebagai Referensi Tegangan Sederhana: Meskipun kurang stabil dibandingkan dioda Zener, beberapa dioda yang di-bias maju dapat memberikan tegangan referensi yang kasar.
Rangkaian Umpan Balik Sederhana: Menggunakan pembagi tegangan langsung ke basis transistor pengatur, tanpa penguat kesalahan aktif. Regulasi yang dihasilkan mungkin kurang presisi tetapi tetap memberikan stabilisasi dasar.
Memanfaatkan Komponen yang Ada: Menggunakan transistor yang mungkin awalnya ditujukan untuk aplikasi lain (misalnya penguat audio daya) sebagai elemen pengatur tegangan, asalkan spesifikasinya sesuai

5. Prinsip Kerja [kembali]

Pembagian Tegangan Output: Tegangan output (yang terdapat pada beban R5, meskipun tidak terlihat nilainya) diambil sampelnya melalui jaringan pembagi tegangan yang dibentuk oleh resistor R4 dan R3.

Pemberian Sampel ke Penguat Kesalahan: Titik tengah antara R4 dan R3 (tempat keduanya terhubung ke basis transistor Q2) menghasilkan tegangan yang proporsional terhadap tegangan output. Tegangan ini menjadi input ke basis Q2.

Penyediaan Tegangan Referensi: Dioda Zener D1 (1N1102ZS5, dengan tegangan Zener sekitar 110V) yang di-bias balik melalui resistor R2 menghasilkan tegangan referensi yang stabil pada katodanya (terhubung ke emitor Q2).

Penguatan Kesalahan: Transistor Q2 (2N1711) bertindak sebagai penguat kesalahan dalam konfigurasi common-emitter. Ia membandingkan tegangan sampel dari output (pada basis Q2) dengan tegangan referensi (pada emitor Q2).

Jika tegangan output cenderung turun, tegangan pada basis Q2 juga akan turun (relatif terhadap emitor Q2). Ini akan mengurangi arus kolektor Q2 dan menaikkan tegangan pada kolektor Q2.
Jika tegangan output cenderung naik, tegangan pada basis Q2 juga akan naik (relatif terhadap emitor Q2). Ini akan meningkatkan arus kolektor Q2 dan menurunkan tegangan pada kolektor Q2.

Pengendalian Transistor Seri: Tegangan pada kolektor Q2 mengendalikan arus basis transistor seri Q1 (2N1711) melalui resistor R1.

Tegangan kolektor Q2 yang lebih tinggi akan meningkatkan arus basis Q1, yang menyebabkan Q1 menghantarkan lebih banyak arus dari input ke output, sehingga menaikkan tegangan output.
Tegangan kolektor Q2 yang lebih rendah akan mengurangi arus basis Q1, yang menyebabkan Q1 menghantarkan lebih sedikit arus, sehingga menurunkan tegangan output.

Stabilisasi Tegangan Output: Melalui mekanisme umpan balik negatif ini, rangkaian secara otomatis menyesuaikan konduktivitas transistor seri Q1 untuk menjaga tegangan output tetap stabil pada nilai yang diinginkan, meskipun terjadi perubahan pada tegangan input atau arus beban.

6. Ringkasan [kembali]

Tujuan Regulasi Tegangan: Menghasilkan tegangan output yang stabil dan konstan dari sumber tegangan input yang mungkin berfluktuasi atau saat terjadi perubahan beban.
Prinsip Dasar Regulasi Seri: Menggunakan transistor daya yang ditempatkan secara seri antara input dan output sebagai elemen kontrol. Resistansi transistor diatur untuk menjaga tegangan output tetap konstan.
Komponen Utama Regulator Seri dengan Umpan Balik:
- Transistor Seri (Pass Transistor): Elemen pengatur utama.
- Tegangan Referensi (misalnya Dioda Zener): Sumber tegangan stabil untuk perbandingan.
- Rangkaian Umpan Balik (Pembagi Tegangan): Mengambil sampel tegangan output.
- Penguat Kesalahan (Error Amplifier): Memperkuat perbedaan antara tegangan output dan referensi untuk mengendalikan transistor seri.
Prinsip Kerja dengan Umpan Balik Negatif: Perubahan pada tegangan output dideteksi, diperkuat, dan digunakan untuk menyesuaikan konduktivitas transistor seri, sehingga mempertahankan tegangan output yang stabil.
Contoh Rangkaian "IMPROVED SERIES REGULATOR": Menggunakan transistor Q2 sebagai penguat kesalahan untuk meningkatkan kualitas regulasi dibandingkan dengan rangkaian yang lebih sederhana. Q2 membandingkan sampel tegangan output dengan tegangan Zener dan mengendalikan arus basis Q1 secara lebih efektif.
Contoh Rangkaian Sederhana: Mengandalkan dioda Zener untuk memberikan tegangan referensi dan langsung menggerakkan transistor seri. Regulasi pada rangkaian ini umumnya kurang presisi.

Kesimpulan:

Regulasi tegangan seri transistor diskrit adalah metode fundamental untuk menstabilkan tegangan output. Penambahan penguat kesalahan meningkatkan kinerja regulator secara signifikan. Pemahaman prinsip dasar ini penting dalam desain catu daya linear untuk berbagai aplikasi elektronika.

7. Soal Latihan [kembali]

7.1 problem

1. (FIG 15.14):

Jika resistor R1 pada rangkaian regulator seri sederhana gagal terbuka (open circuit), apa yang akan terjadi pada operasi rangkaian dan tegangan keluaran (Vout)? Jelaskan alasannya.

JAWAB:

Jika R1 terbuka, tidak akan ada arus yang mengalir melalui dioda Zener (D1). Akibatnya, dioda Zener tidak akan berfungsi sebagai referensi tegangan yang stabil. Tegangan basis transistor Q1 akan menjadi tidak terdefinisi (kemungkinan mendekati tegangan input karena adanya arus bocor). Tanpa bias yang tepat, transistor Q1 kemungkinan akan berada dalam kondisi cut-off atau beroperasi pada wilayah yang tidak teratur, dan tegangan keluaran (Vout) akan menjadi tidak stabil atau mendekati 0V.

2 (FIG 15.15):

Misalkan resistor R5 pada rangkaian regulator seri yang diperbaiki tiba-tiba menjadi sangat kecil (mendekati 0Ω atau korsleting). Bagaimana kondisi ini akan mempengaruhi tegangan yang diumpankan kembali ke basis Q2 dan apa dampaknya terhadap tegangan keluaran (Vout)?

JAWAB:

Jika R5 korsleting, tegangan yang diumpankan kembali ke basis Q2 akan menjadi sama dengan tegangan keluaran (Vout). Karena basis Q2 sekarang menerima tegangan yang lebih tinggi (asumsi awal Vout lebih tinggi dari tegangan referensi), arus kolektor Q2 akan meningkat. Peningkatan arus kolektor Q2 akan menarik lebih banyak arus dari basis Q1, sehingga mengurangi arus kolektor Q1 dan menurunkan tegangan keluaran (Vout). Rangkaian akan berusaha menurunkan Vout hingga mencapai titik keseimbangan baru di mana penguatan kesalahan oleh Q2 menstabilkan keluaran. Namun, kondisi korsleting pada R5 dapat menyebabkan Vout menjadi sangat rendah dan berpotensi merusak komponen jika tidak ada perlindungan arus lebih.

3. (FIG 15.14 & FIG 15.15):

Jelaskan satu keterbatasan utama dari regulator tegangan seri yang menggunakan transistor diskrit dibandingkan dengan regulator tegangan terintegrasi (IC regulator) dalam hal perlindungan terhadap kondisi overcurrent (arus berlebih) pada beban.

Solusi Tambahan 3:

Salah satu keterbatasan utama regulator tegangan seri diskrit adalah kurangnya perlindungan overcurrent yang terintegrasi. Pada regulator IC, biasanya terdapat sirkuit internal yang secara otomatis membatasi arus keluaran jika beban menarik arus yang berlebihan, sehingga melindungi transistor pengatur dan komponen lainnya dari kerusakan. Pada rangkaian diskrit yang ditunjukkan, tidak ada mekanisme perlindungan overcurrent eksplisit. Jika beban menarik arus yang terlalu besar, transistor Q1 dapat menjadi terlalu panas dan rusak tanpa adanya sirkuit pembatas arus tambahan yang dirancang secara eksternal. Regulator IC memiliki keunggulan dalam hal integrasi fitur perlindungan ini.

7.2 Latihan Soal

Soal 1:

Komponen utama yang berfungsi sebagai referensi tegangan pada kedua rangkaian regulator ini adalah:

a) Transistor Q1 b) Resistor R1 c) Dioda Zener D1 d) Transistor Q2 (hanya pada rangkaian 2)

Jawaban: c) Dioda Zener D1

Soal 2:

Apa fungsi utama transistor Q2 pada rangkaian regulator seri yang diperbaiki?

a) Sebagai elemen pengatur utama tegangan keluaran b) Sebagai pembatas arus untuk melindungi rangkaian c) Sebagai penguat kesalahan (error amplifier) untuk meningkatkan regulasi d) Sebagai saklar untuk menghidupkan dan mematikan regulator

Jawaban: c) Sebagai penguat kesalahan (error amplifier) untuk meningkatkan regulasi

Soal 3:

Pada rangkaian regulator seri sederhana (rangkaian 1), tegangan keluaran (Vout) kira-kira sama dengan:

a) Tegangan input (+20V) dikurangi voltage drop pada Q1 b) Tegangan Zener (VZ) dari D1 c) Tegangan Zener (VZ) dari D1 ditambah tegangan base-emitter (VBE) dari Q1 d) Tegangan Zener (VZ) dari D1 dikurangi tegangan base-emitter (VBE) dari Q1

Jawaban: d) Tegangan Zener (VZ) dari D1 dikurangi tegangan base-emitter (VBE) dari Q1

8. Percobaan [kembali]

1.FIG 15.14

2.FIG 15.15

Cari Blog Ini

Faren Muhamad Abdad

CHAPTER 14-15

Komentar

Posting Komentar

Postingan populer dari blog ini

MODUL 1 Potensiometer dan tahanan geser dan jembatan wheatsone