Seperti yang sudah dijelaskan diatas, transformator step down berfungsi untuk menurunkan tegangan, misalnya dari tegangan 220VAC diturunkan ke tegangan 110VAC.
Dan juga sudah diterangkan bahwa pada transformator step down terdapat 10 lilitan pada kumparan primer dan 1 lilitan pada kumparan sekunder, maka tegangan yang dihasilkan oleh Kumparan Sekunder adalah 1/10 dari tegangan input pada Kumparan Primer. Berikut adalah lambing transformator step down.
Gambar II.13 trafo step down
Ketika sebuah transformator step down dialiri oleh tegangan listrik 220V(jaringan PLN) pada bagian primer, maka kumparan primer yang telah dikelilingi oleh inti besi akan timbul electromagnet, gaya electromagnet ini akan muncul seiring perubahan garis gaya magnet yang ditimbulkan oleh arus AC. Karena garis gaya magnet inilah timbul
lah gaya gerak lisrik pada kumparan sekunder Transformator. Jumlah gaya gerak listrik yang akan timbul pada kumparan sekunder tergantung jumlah lilitan dan diameternya.
Pada perancangan rangkaian elektronika, sebuah tranformator step down harus didesain sesuai dengan kebutuhan beban, ketika arus yang dibutuhkan oleh beban lebih besar dari arus output yang dikeluarkan oleh transformator step down, maka hal ini akan berbahaya untuk komponen transformator step down itu sendiri. Selain dapat menimbulkan panas yang berlebihan pada kumparan inti besinya, hal tersebut juga dapat menyebabkan kerusakan pada transformator.
Oleh karena itulah, kebanyakan sebuah adaptor AC ke DC yang memiliki kualitas baik biasanya dilengkapi dengan rangkaian regulator tegangan dan proteksi arus terhadap beban lebih, selain outputnya bebas dari tegangan rippe, juga terlindungi dari arus beban yang lebih, karena ketika hal itu terjadi, secara otomatis rangkaian proteksi akan bekerja dan sumber catu terhadap beban akan terputus.
Meskipun fungsi dasar transformator step down hanya satu yaitu menurunkan tegangan, namun kegunaannya sangat banyak. Misalnya saja power supply yang menggunakan trafo step down, kegunaannya bisa dipakai untuk hampir semua perangkat elektronika seperti amplifier, radio, charger gadged, booster antena Televisi, dan lain-lain. II.2.2.b Transformator Center tab (CT)
Transformator CT adalah transformator yang mempunyai dua gulungan sekunder yang sama terhubung secara seri. Dengan kata lain Transformator yang mempunyai gulungan sekunder yang di-tap (dibuat terminal sambungan) tepat pada titik tengah gulungannya, itulah sebabnya ada sebutan “center-tap” yang berarti “tap tengah”.
Gambar II.14 Trafo CT
Pada gambar diperlihatkan sebuah transformator dengan gulungan sekunder sebanyak (misalnya) 50 gulungan untuk menghasilkan tegangan 50V, maka tap tengahnya (CT) dibuat tepat pada gulungan ke-25. Dengan demikian dari A ke CT akan terdapat tegangan AC sebesar 25V (sesuai jumlah gulungannya) dan dari CT ke B juga terdapat tegangan AC 25V. Secara keseluruhan, dari A ke B tegangannya adalah sebesar 50V. Jadi, apabila A dianggap titik nol Volt, maka CT akan menjadi titik 25V, dan B menjadi titik 50V. Karena itu transformator nol Volt yang mempunyai titik-titik tegangan 25V dan 50V bisa difungsikan sebagai transformator CT 2x25V. Begitu pun sebaliknya, jika yang diinginkan adalah justeru transformator nol-Volt biasa dengan tegangan 50V maka bisa didapatkan dari transformator CT dengan mengambil dari dua titik yaitu A dan B (25V + 25V).
Transformator CT diperlukan ketika hendak membuat power-supply untuk rangkaian-rangkaian penguat OCL atau rangkaian lain yang memerlukan suplai tegangan simetrik. Transformator CT juga diperlukan untuk penyearahan gelombang penuh dengan arus yang maksimal.
Yang membedakan trafo CT ini dengan trafo biasa adalah adanya titik center tap yang bersifat sebagai ground pada lilitan sekunder trafo CT. Untuk lebih mudahnya, jika pada trafo biasa yang mempunyai spesifikasi tegangan primer 220VAC dan rasio lilitan 10:1 maka akan menghasilkan tegangan sekunder sebesar 22VAC pada kedua ujung lilitan sekundernya.
Untuk lebih jelas perhatikan gambar transformator berikut ini.
Gambar II.15 frekuensi dan lilitan pada trafo CT
Titik center tap adalah titik tengah lilitan sekunder pada trafo CT yang dihubungkan keluar lilitan dan bersifat sebagai sebagai ground. Jadi, semisal terdapat 10 lilitan kawat pada bagian sekundernya maka diantara lilitan ke-5 dan ke-6 dihubungkan pada sebuah kawat yang terhubung keluar lilitan.
Gambar II.16 lilitan
Tegangan sekunder yang dihasilkan oleh trafo CT ini ada 2 macam, mempunyai amplitudo yang sama namun saling berlawanan fasa, masing2 sebesar 11VAC atau setengah dari tegangan sekunder pada trafo biasa seperti contoh diatas. Tegangan sekunder trafo CT ini diukur dari salah satu ujung lilitan terhadap titik center tap-nya.
Dalam perancangan sebuah power supply, jenis transformator step down yang dipakai biasanya berhubungan dengan penentuan jenis
penyearah yang akan digunakan. Untuk jenis trafo biasa dibutuhkan penyearah jembatan dioda (dioda bridge) yang dapat dibuat dari 4 dioda. Sedangkan untuk jenis trafo CT hanya dibutuhkan penyearah dengan menggunakan 2 dioda saja.
Gambar II.17 rangkaian CT
Bentuk Gelombang Input, Arus Input dan Arus Pada Beban Penyearah Gelombang Penuh Center Tap (CT)
Gambar II.18 gelombang CT
Dengan demikian, D1 dan D2 hidupnya bergantian. Namun karena arus i1 dan i2 melewati tahanan beban (RL) dengan arah yang sama, maka iL menjadi satu arah. Rangkaian penyearah gelombang penuh ini merupakan gabungan dua buah penyearah setengah gelombang yang hidupnya bergantian setiap setengah siklus, sehingga
arus maupun tegangan rata-ratanya adalah dua kali dari penyearah setengah gelombang, yaitu :
Idc=21m π ≅0,636 A……….……….……. (5) Dan; Vdc=Idc. RL=2ℑ. RL π ………….……… (6)
Apabila harga Rf jauh lebih kecil dari RL, maka Rf bisa diabaikan, sehingga: Vdc=2vm m ≅0,636Vm ……...……….………... (7) Ket: Idc = Arus DC RL = Tahanan beban
Tegangan puncak inverse yang dirasakan oleh dioda adalah sebesar 2Vm. Pada saat siklus positip, dimana D1 sedang hidup (ON) dan D2 sedang mati (OFF), maka jumlah tegangan yang berada pada dioda D2 yang sedang OFF tersebut adalah dua kali dari tegangan sekunder trafo. Sehingga PIV untuk masing-masing dioda dalam rangkaian penyearah dengan trafo CT adalah:
PIV=2Vm………..………(8) Dimana:
PIV = tegangan puncak balik II.4.3 Kapasitor
Kapasitor adalah suatu alat yang dapat menyimpan energi di dalam medan listrik, dengan cara mengumpulkan ketidakseimbangan internal dari muatan listrik. Kondensator memiliki satuan yang disebut Farad dari nama
Michael Faraday. Kondensator juga dikenal sebagai "kapasitor", namun kata "kondensator" masih dipakai hingga saat ini. Pertama disebut oleh Alessandro Volta seorang ilmuwan Italia pada tahun 1782 (dari bahasa Itali condensatore), berkenaan dengan kemampuan alat untuk menyimpan suatu muatan listrik yang tinggi dibanding komponen lainnya. Kebanyakan bahasa dan negara yang tidak menggunakan bahasa Inggris masih mengacu pada perkataan bahasa Italia "condensatore", bahasa Perancis condensateur, Indonesia dan Jerman Kondensator atau Spanyol Condensador.
Dalam rangkaian penyearah kondensator atau kapasitor berfungsi sebagai filter. Filter (Tapis) Dalam Penyearah Gelombang (Rectifier) berfungsi untuk mendapatkan tegangan output searah yang rata dari rangkaian rectifier. Tujuan dari penyearahan adalah memperoleh arus searah. Dalam penyearah, kita tidak memperoleh arus searah murni melainkan arus searah yang berubah secara periodik, jadi arus searah ini mengandung komponen arus bolak-balik. Variasi tegangan ini disebut riak tegangan. Riak tegangan pada penyearah gelombang penuh lebih kecil dari riak tegangan pada penyearah setengah gelombang. Untuk lebih memperkecil riak tegangan ini digunakan filter yang bertugas untuk meloloskan komponen searah dan mencegah komponen bolak-balik.
Dengan menambahkan kapasitor paralel dengan beban R pada rangkaian penyearah setengah gelombang, maka riak tegangan akan sangat ditekan. Sebagaimana kita ketahui, kapasitor dapat menyimpan energi. Pada saat tegangan sumber naik, kapasitor akan terisi sampai mencapai tegangan maksimum. Pada saat tegangan sumber menurun, kapasitor akan melepaskan energi yang disimpannnya melalui beban (karena pada saat ini dioda tidak konduksi). Dengan demikian beban akan tetap memperoleh aliran energi walaupun dioda tidak konduksi. Selanjutnya bila dioda konduksi lagi, kapasitor akan terisi dan energi yang tersimpan ini akan dilepaskan lagi pada waktu dioda tidak konduksi; dan demikian
seterusnya. Filter semacam ini tentu saja dapat pula digunakan pada penyearah gelombang penuh.
Seperti yang telah kita ketahui bentuk Tegangan DC murni adalah rata tanpa rippe, tetapi untuk power supply dengan input transformator (trafo), sinyal DC yang dihasilkan oleh rangkaian dioda penyearah masih berbentuk rippe yang sangat besar. Untuk mendapatkan sinyal tegangan DC yang rata (low rippe), maka perlu dipasang kapasitor sebagai filter (smoothing) sehingga rippe tegangan yang dihasilkan akan sangat kecil sekali mendekati sinyal DC murni. Kapasitor yang umum digunakan sebagai filter rippe adalah jenis Elektrolit Kondensator (ELKO), yang juga menjadi focus pembahasan pada materi laporan ini.
Kondensator elektrolit atau Electrolytic Condenser (sering disingkat Elco) adalah kondensator yang biasanya berbentuk tabung, mempunyai dua kutub kaki berpolaritas positif dan negatif, ditandai oleh kaki yang panjang positif sedangkan yang pendek negatif atau yang dekat tanda minus (-) adalah kaki negatif. Nilai kapasitasnya dari 0,47 µF (mikroFarad) sampai ribuan mikroFarad dengan voltase kerja dari beberapa volt hingga ribuan volt.
Berbagai macam lambang gambar untuk Kapasitor Elektrolit pada skema elektronika :
Gambar II.19 kapasitor dan lambangnya II.4.3.a Kapasitor sebagai fiter dalam rangkaian penyearah
Penyearah gelombang dengan filter adalah rangkaian penyearah yang disertai dengan kapasitor, karena kapasitor dengan sifatya yang hanya bisa dilewati oleh arus searah dan sebaliknya, menghalangi arus bolak-balik.
Tegangan yang dihasilkan oleh Rectifier belum benar-benar Rata seperti tegangan DC pada umumnya, oleh karena itu diperlukan Kapasitor yang berfungsi sebagai Filter (Penyaring) untuk menekan riple yang terjadi pada proses penyearahan Gelombang AC. Kapasitor yang umum dipakai adalah Kapasitor jenis ELCO (Electrolyte Capacitor) seperti yang sudah dijelaskan pada materi kapasitor diatas.
Gambar II.20 rangkaian dan output penyearah
Ada dua hal Penting yang harus diperhatikan saat memilih kapasitor yang akan digunakan sebagai filter yaitu tegangan kerja yang harus lebih tinggi dari tegangan supply dan nilai kapasitansi yang menentukan besar rippe yang dihasilkan pada tegangan DC.Semakin kecil nilai kapasitansi maka tidak terlalu berpengaruh terhadap perubahan rippe DC yang dihasilkan, dan sebaliknya semakiin besar nilai kapasitansi maka rippe DC akan semakin halus mendekati DC murni.
Besarnya rippe tegangan DC yang dihasilkan dari sebuah rangkaian power supply trafo ditentukan oleh besarnya nilai filter kapasitor, arus beban dan frekuensi, sehingga untuk menghitung nilai kapasitor dapat digunakan persamaan seperti dibawah ini:
Vrippe = Iload/(FxC) ……….………..(9) dimana : V = tegangan rippe, I = arus beban, F = Frekuensi dan C = nilai kapasitansi
Filter (Tapis) Dalam Penyearah Gelombang (Rectifier) berfungsi untuk mendapatkan tegangan output searah yang rata dari rangkaian rectifier. Tujuan dari penyearahan adalah memperoleh arus searah. Dalam penyearah, kita tidak memperoleh arus searah murni melainkan arus searah yang berubah secara periodik, jadi arus searah ini mengandung komponen arus bolak-balik. Variasi tegangan ini disebut riak tegangan. Riak tegangan pada penyearah gelombang penuh lebih kecil dari riak tegangan pada penyearah setengah gelombang. Untuk lebih memperkecil riak tegangan ini digunakan filter yang bertugas untuk meloloskan komponen searah dan mencegah komponen bolak-balik.
Dengan menambahkan kapasitor paralel dengan beban R pada rangkaian penyearah setengah gelombang, maka riak tegangan akan sangat ditekan. Sebagaimana kita ketahui, kapasitor dapat menyimpan energi. Pada saat tegangan sumber naik, kapasitor akan terisi sampai mencapai tegangan maksimum. Pada saat tegangan sumber menurun, kapasitor akan melepaskan energi yang disimpannnya melalui beban (karena pada saat ini dioda tidak konduksi). Dengan demikian beban akan tetap memperoleh aliran energi walaupun dioda tidak konduksi. Selanjutnya bila dioda konduksi lagi, kapasitor akan terisi dan energi
yang tersimpan ini akan dilepaskan lagi pada waktu dioda tidak konduksi; dan demikian seterusnya. Filter semacam ini tentu saja dapat pula digunakan pada penyearah gelombang penuh.
Gambar II.21 rangkaian penyearah dengan filter
Gambar diatas memperlihatkan rangkaian penyearah setengah gelombang dengan filter kapasitor. Jika v = Vmsinωt, Pada waktu dioda konduksi, kapasitor terisi sampai tegangan maksimum. Pada waktu v menurun tegangan sumber menjadi lebih kecil dari tegangan kapasitor dan dioda tidak konduksi, vC = vR. Kapasitor melepaskan muatannya melalui R dan selama pelepasan muatan ini, kita mempunyai loop tertutup RC seri. Untuk loop ini berlaku :
VR=VC RiR=r=R
(
−iC)
=−RCdvc dt → RCdvc
dt +vc = 0……(10) persamaan diferensial ini memberikan :
dcc vc= −1 RCdt → Invc= −1 RCt+K=¿vc K1e−(1/RC)t ...….(11) Dimana:
VR = tegangan pada Resistor VC = tegangan pada kapasitor RC = hambatan pada kapasitor I = arus
Nilai K1 ditentukan oleh nilai awal tegangan kapasitor yaitu pada saat ia mulai melepaskan energinya yang hampir sama besar dengan tegangan maksimum yang dicapai sesaat sebelum dioda berhenti konduksi, yaitu Vm . Jadi vc = V
me−(1
RC)t Dioda akan kembali konduksi manakala v > vC . Maka tegangan pada R adalah :
pada waktu dioda konduksi :
VR=vc=Vmsinωtv ………..……….(12) pada waktu dioda tak konduksi :
VR=VC=V me−
(
1 RC)
t V ………...…….. (13) Dimana:VR = tegangan pada resistor VC = tegangan kapasitor
Dengan menambahkan kapasitor, riak tegangan dapat diperkecil. Kita dapat melihat bahwa tegangan kapasitor menurun sebesar ΔvC . Penurunan tegangan ini menunjukkan adanya pelepasan muatan sebesar CΔvC dan ini sama dengan jumlah muatan yang ditransfer melalui R dalam selang waktu (T-ΔT), yaitu sebesar Ias(T-ΔT). Dengan relasi ini kita dapat memperkirakan besarnya C yang diperlukan untuk membatasi riak tegangan (membatasi ΔvC ).
∆ qc=C ∆ vc=Ias(T−∆ T)≈ IasT ……….…..(14) ¿>C=IasT ∆ vc= Ias f ∆ vc= Vas Rf ∆ vc ………. ………..(15) Dimana: C = kapasitansi
F = frekuensi I = arus
∆ T = perubahan waktu T = periode
V = tegangan
Besarnya nilai frekuensi untuk rangkaian penyearah gelembong penuh adalah sama dengan frekeunsi input dari trafo 50Hz atau 60Hz, dan untuk penyearah dioda bridge adalah dua kali lipat frekuensi input 100Hz (untuk frekuensi input 50Hz) atau 120Hz (untuk frekuensi input 60Hz).
Untuk mendapatkan rippe tegangan DC yang sangat halus dan sangat mendekati murni, dapat dipakai rangkaian filter π (filter pi) atau low-pass filter yang terdiri dari 2 buah kapasitor nilai yang sama dan sebuah induktor (lilitan) yang dipasang diantara kapasitor.
Gambar II.22 Filter π II.5 Osiloskop
Pada percobaan rangkaian penyearah, kita tidak lepas dari alat ukur elektronika yang berfungsi untuk memroyeksikan gelombang sinyal listrik atau biasa disebut osiloskop. Untuk penjelasan lebuh jelas Osiloskop adalah alat ukur Elektronik yang dapat memetakan atau memproyeksikan sinyal listrik dan frekuensi menjadi gambar grafik agar dapat dibaca dan mudah
dipelajari. Dengan menggunakan Osiloskop, kita dapat mengamati dan menganalisa bentuk gelombang dari sinyal listrik atau frekuensi dalam suatu rangkaian Elektronika. Pada umumnya osiloskop dapat menampilkan grafik Dua Dimensi (2D) dengan waktu pada sumbu X dan tegangan pada sumbu Y.
Osiloskop dilengkapi dengan tabung sinar katode. Peranti pemancar elektron memproyeksikan sorotan elektron ke layar tabung sinar katode.Sorotan elektron membekas pada layar. Suatu rangkaian khusus dalam osiloskop menyebabkan sorotan bergerak berulang-ulang dari kiri ke kanan. Pengulangan ini menyebabkan bentuk sinyal kontinyu sehingga dapat dipelajari.
Osiloskop banyak digunakan pada industri-industri seperti penelitian, sains, engineering, medikal dan telekomunikasi. Saat ini, terdapat 2 jenis Osiloskop yaitu Osiloskop Analog yang menggunakan Teknologi CRT (Cathode Ray Tube) untuk menampilkan sinyal listriknya dan Osiloskop Digital yang menggunakan LCD untuk menampilkan sinyal listrik atau gelombong.
Semua alat ukur elektronik bekerja berdasarkan sampel data, semakin tinggi sampel data, semakin akurat peralatan elektronik tersebut. Osiloskop, pada umumnya juga mempunyai sampel data yang sangat tinggi, oleh karena itu osiloskop merupakan alat ukur elektronik yang mahal. Jika sebuah osiloskop mempunyai sampel rate 10 Ks/s (10 kilo sample/second = 10.000 data per detik), maka alat ini akan melakukan pembacaan sebanyak 10.000 kali dalam sedetik. Jika yang diukur adalah sebuah gelombang dengan frekuensi 2500 Hz, maka setiap sampel akan memuat data 1/4 dari sebuah gelombang penuh yang kemudian akan ditampilkan dalam layar dengan grafik skala XY.
Gambar II.23 Osiloskop
Selain fitur-fitur dasarnya, kebanyakan Osiloskop juga dilengkapi dengan alat pengukuran yang dapat mengukur Frekuensi, Amplitudo dan karakteristik gelombang sinyal listrik. Secara umum, Osiloskop dapat mengukur karakteristik yang berbasis Waktu (Time) dan juga karakteristik yang berbasis tegangan (Voltage).
Ga mbar II.24 Output osiloskop