15
ANALISA PERENCANAAN CATU DAYA TEGANGAN DC
PADA REPEATER DENGAN INPUT AC/PLN YANG MENGHASILKAN
OUTPUT TEGANGAN DC STABIL
Oleh
Jony Joko Raharjo
Teknik otomasi Politeknik Perkapalan Negeri Surabaya
ABSTRAK
Catu Daya Dc merupakan sumber daya yang masih banyak dibutuhkan terutama digunakan sebagai catu daya pada pesawat-pesawat eleketronika, misalnya : Pesawat televisi, Radio komunikasi, Pemancar AM/FM dll. Kualitas hasil pesawat-pesawat tersebut juga sangat dipengaruhi kwalitas dari sumber catu daya DC yang mensuplainya.
Tegangan AC yang disearahkan eleh diode masih besar kemungkinan terjadinya Ripple
tegangan yang sangat mengganggu kehalusan hasil pesawat elektronik. Hal tersebut maka perlu
dirancang filter yang dapat menekan ripple tegangan yang terjadi. Disamping itu pula naik turunnya tegangan PLN juga akan mengahsilkan naik turunnya tegangan hasil penyearah tegangan, maka hal tersebut pada catu daya harus diberika rangkaian penstabil tegangan.
Dengan IC 7812 sebagai penstabil tegangan akan memberikan output tegangan DC pada kondisi stabil 12 volt, walaupun tegangan PLN terjadi naik turun. Akan tetapi kemapuan IC tersebut sangat kecil tidak lebih dari 1 ampere, maka untuk beban yang melebihi 1 ampere harus ditambah Buffer/ penyangga. Dengan transistor sebagai penyangga maka penstabil tegangan dapat digunakan untuk beban dengan arus besar sesuai dengan kemampuan trasistor
baffernya
16 1. LATAR BELAKANG
Sejak pertama kali listrik ditemukan, perkembangan energi lsitrik telah meningkat sejalan pertumbuhan penduduknya, bahkan hingga saat ini energi lsitrik telah menjadi sarana yang sangat fital dalam aktivitas manusia dari tingkat perumahan, gedung perkantoran, pabrik atau industri yang berskala besar maupun kecil. Di Indonesia di dalam memenuhi energi listrik ditangani oleh PT. PLN (persero) dan didalam penyelenggaraan distribusi listrik, tidak terlepas pula peran pelayan dinas gangguan. Dalam pelayanan gangguan tersebut perlu ditunjang pula sarana pendukung guna mempercepat penyampaian informasi gangguan, diantaranya menggunakan alat transfortasi, alat-alat penunjang perbaikan, juga sarana Radio Komunikasi (Repeater) dan lain-lain. Alat komunikasi ini harus berkwalitas baik agar informasi yang diterima tidak mengalami gangguan, salah satunya agar pesawat-pesawat tersebut diatas berkwalitas baik adalah sumber catu daya DC harus betul-betul baik, dalam arti kestabilan tegangan DC betul-betul terjamin. Kualitas catu daya dc akan dilihat dari kehalusan output DC (tegangan Ripple akibat penyearah kecil) dan Kestabilan tegangan. Jika kedua hal tersebut terpenuhi maka pesawat Radio Komunika akan mengahsilkan suara yang halus penerimaan sinyal juga tidak terganggu adanya naik turunnya tegangan.
Sehubungan dengan hal tersebut diatas, penulis perlu kiranya berkeinginan mempelajari atau studi tentang sistem daya tersebut. Dalam penulisan penelitian ini akan membahas dan menganalisa sebagai berikut : bagaimana cara untuk menekan ripple tegangan pada catu daya Repeater, bagaimana menstabilkan tegangan output dc pada catu daya Repeater, jika tegangan dari PLN terjadi naik turun, bagaimana caranya agar penstabil tegangan catu daya pada Repeater yang berkemampuan kecil dapat mensuplai tegangan dengan kemampuan arus yang cukup besar.
2. KAJIAN PUSTAKA
2.1. Penyearah Gelombang Penuh (Full-wave Rectifier) Bertep Tengah
Gambar 2.1 menunjukan rangkaian penyearah bertep-tengah (center-tap rectifier). Selama setengah siklus positif dari tegangan skunder, dioda D1 terbias maju dan dioda D2 terbias mundur, oleh karena itu, arusnya melewati D1, tahanan beban R, dan setengah kumparan bagian atas. Selama stengah siklus negatif, arusnya melewati dioda D2, tahan R, dan setengan kumparan bagian bawah. Sedangkan hasil bentuk gelombang pada penyerah ini dapat dilihat pada Gambar 2.1
Gambar 2.1. Penyearah gelombang penuh bertep-tengah
+ + + + - - - - - + R i D1 D2
17 Gambar 2.2. Bentuk gelombang penyearah gelombang penuh bertep-tengah
Tegangan keluaran searah DC adalah :
m / T 0 m m DC 0,6366 V V 2 dt t sin V T 2 V
dengan frekuensi keluaran, adalah : Fout = 2 fin , tegangan balik puncak (PIV),
didapatkan sebagai berikut : PIV = 2 Vm , Nilai rms tegangan keluaran : m m 2 / 1 2 / T 0 2 m rms 0,707 V 2 V dt ) t sin V ( T 2 V
voltEfisiensi , penyerahan gelombang penuh dengan tep-tengah , sebagai berikut : 2 m 2 m 2 rms 2 DC ) V 707 , 0 ( ) V 6366 , 0 ( ) V ( ) V ( Faktor Bentuk = 0,707Vm / 0,6366Vm = 1,11,
Sedangkan factor ripple pada penyearah gelombanh penuh dengan tep-tengah Faktor ripple RF
= 1,11 1 0,482 2
2.2. Penyearah Gelombang Penuh (Full-wave Rectifier) model Jembatan
Gambar 2.3a. menunjukan rangkaian penyearah jembatan. Diantara rangkain penyearah, rangkaian inilah yang palin banyak digunakan. Selama setengah siklus positif tegangan sekunder, dioda D2 dan D3 terbias maju berfungsi sebagai konduktor, sedangkan dioda D1 dan
2 2 2 Vs t t t Vm 2V m VR VD
18 D4 terbias mundur berfungsi sebagai isolator(gambar 2.3 b), sehingga arus listrik melalui D2 , tahanan beban R, dan D3. Sedangkan selama setengah siklus negatif, dioda D1 dan dioda D4 terbias maju sebagai konduktor, D2 dan D3 terbias mundur (Gambar 2.3c), sehingga arus mengalir melaui D1, tahanan beban R, dan D4. Dengan memperhatikan kedua siklus arus selalu melalui tahanan beban dengan arah yang sama.
Gambar 2.3 Bentuk Rangkaian penyearah jembatan
Gambar 2.4 Bentuk gelombang Rangkaian penyearah jembatan Tegangan keluaran DC didapatkan sebagai berikut :
m / T 0 m m DC 0,6366 V V 2 dt t sin V T 2 V
sedangkan frekuensi keluaran adalah :
19 didapat sebagai berikut : PIV = Vm,
kemudian nilai rms tegangan keluaran , adalah : m m 2 / 1 2 / T 0 2 m rms 0,707 V 2 V dt ) t sin V ( T 2 V
volt,Efisiensi penyearah jembatan, adalah :
2 m 2 m 2 rms 2 DC ) V 707 , 0 ( ) V 6366 , 0 ( ) V ( ) V ( Faktor Bentuk = 0,707Vm / 0,6366Vm = 1,11, Faktor ripple RF = 1,11210,482
2.3. Penyearah dengan Filter Kondensator
Penggunaan tegangan dc berpulsasi terbatas untuk mengisi accu, menjalankan motor dc, dan sejumlah kecil pemakaian lainnya. Apa yang sesungguhnya diperlukan adalah tegangan dc yang konstan, serupa dengan tegengan dc yang dihasilkan batere atau accu. Untuk mengubah sinyal stetngah gelombang dan gelombang penuh menjadi tegangan dc, variasi ac-nya harus dihaluskan dengan filter. Gambar 2.5a menunjukan rangkaian filter-kondensator. Selama sperempat periode pertama tegangan masukan diode terbias maju. Idialnya , dioda bekerja Sebagai switch tertutup (Gambar 2.5 b). Karena dioda menghubungkan kondensator langsung pada sumber tegangan ac, kondensator tersebut terisi sampai tegangan puncak VP.
Keterangan :
Gambar 2.5a adalah gambar rangkaian penyearah dengan filter kondensator Gambar 2.5b adalah selama seperempat periode
Gambar 2.5c adalah sesaat setelah melewati puncak positif.
20 Sesaat setelah melewati puncak positif, diode berhenti menghantar, yang berarti switch terbuka seperti ditunjukanpada Gambar 2.5c. Mengapa ? karena pada ujung-ujung kondensator terdapat tegangan +VP. Dengan tegangan sumber sedikitr lebih kecil dari +VP, kondensator akan memaksa arus mengalir kembali malaui dide. Ini menyebabkan diode terbias mundur.
Dengan diode dalam keadaan tidak menghantar, kondensator mulai mengosongkan melalui tahanan beban R. Tetapi disinilah letak kunci cara kerjanya penyerah ini. Konstanta waktu R.C jauh lebih besar daripada periode T dari sinyal masukan. Oleh karena itu, kondensator hanya akan kehilangan sebagian kecil muatannya. Dekat dengan puncak positif berikutnya (pada saat t2 pada Gambar 2.5d), diode menghantar sebentar. Kesempatan ini dipergunakan untuk mengganti kehilangan muatan kondensator yang terjai antara t1 sampai t2, sehingga tegangan keluaran naik kembali mencapai VP (t3). Sinyal Gambar 2.5d, hampir merupakan tegangan konstan. Satu-satunya yang membedakan dari tegangan dc murni adalah ripel kecil yang disebabkan oleh pengisiahan dan pengosongan kondensator. Semakin kecil ripel, semakin baik. Penyearah gelombang penuh yang dilengkapi filter kondensator akan menghasilkan penyearah yang lebih baik karena kondensator diisi dua kali lebih sering. Sebagai hasilnya, ripelnya lebih kecil dan tegangan keluaran dc-nya lebih mendekati tegangan puncak. Penyearah gelombang penuh lebih sering digunakan dibandingkan dengan stengah gelombang. Konstanta Waktu R.C, R.C T
Tegangan DC DC )Vm C . R 0024 , 0 1 ( V
Tegangan ripple efektif (Vr).,
C . R V 0024 , 0 V m R Kapasitas minimum: R . r 24 , 0 Cmin , % 100 x V V r DC R atau r = R . C . f . 3 2 1
Semakin kecil r, semakin baik. Apabila ditetapkan besarnya factor ripel dalam persen dan tahan beban, kapasitas kapasitor minimum yang dibutuhkan dapat dihitung dengan rumus Cmin diatas. Untuk lebih jelasnya diambil contoh seperti Gambar 2.6 dibawah ini
Gambar 2.6. Contoh rangkaian penyearah dengan filter kondensator
R = 220 D3 D4 D2 D1 Vs C C = 470 F
21 Apabila tegangan puncak skundair diketahui sebesar 30 volt, f jala-jala = 50 Hz,maka dapat dihitung tegangan keluaran DC dan ripple tegangan sebagai berikut : Jika tegangan dioda diabaikan (dianggap ideal), maka : Pertama-tama konstanta waktu dihitung, sbb :
ms 103 10 x 470 x 220 C . R 6 > 100ms 50 x 2 1 f 1 maka berlaku :
Tegangan output rata VDC
volt 8 , 28 30 x ) 103 , 0 00417 , 0 1 ( VDC Tegangan ripple : volt 699 , 0 103 , 0 30 x 0024 , 0 Vr
22 3. ANALISA RANGKAIAN CATU DAYA PADA REPEATER
Catu daya pada Repeater ini menggunakan sistem jembatan seperti yang ditunjukan pada Gambar 3.1, dibawah ini :
Dengan data-data komponen sebagai berikut :
1. Tranformator penurun tegangan (220 v/ 18 v) dengan arus niminal 35 Ampere
2. Bridge dioda 35 Ampere
3. Kondensator C1, 2, 3, 4 = 10000 F / 35 volt.
Jika tegangan dioda diabaikan (dianggap ideal), maka : Filter kondensator sebanyak 4, maka kapasitansi = 4 x 10.000 F = 40.000 F. Pertama-tama konstanta waktu dihitung, sbb :
s 8 , 8 10 x 40000 x 220 C . R 6 > 100ms 50 x 2 1 f 1
Tegangan keluaran dc, maka berlaku : Tegangan output rata VDC
volt 27 , 17 18 x ) 103 , 0 00417 , 0 1 ( VDC
Faktor ripel (jika dianggap R = 1 ohm) :
% 10 x 2 % 100 x 4000 42 , 0 % 100 x C . R 24 , 0 r 4
Tegangan ripel, adalah :
010362 , 0 27 , 17 x 10 x 2 V x r Vr DC 4 volt
dari analisa tegangan DC dan tegangan ripel, maka terlihat bahwa penyearah pada repeater ini betul-betul hansilnya mendekati konstan karena tegangan ripel yang terjadi sangat kecil sekali. 3.1. Penstabil Tegangan Catu Daya Repeater
Penstabil tegangan dimaksudkan untuk mendaptakan tegangan yang konstan, biarpun kondisi sumber tegangan dari jala-jala mengalami naik turun , maupun terjadi beban yang berubah-ubah. Dari dua hal tersebut diharapkan tegangan tetap konstan, pada reater mempunya dua tegangan DC sebagai output, yaitu 12 volt atau 13,8 volt. Jadi ada dua tegangan yang dapat digunakan pada penstabil tegangan di repeater. Gambar rangkaian dapat dilihat pada Gambar 3.2. Pada rangkaian tersebut penstabil tegangan menggunakan IC 7812, sedangkan untuk mendapatkan tegangan 13,8 volt, dengan jalan menyambung 5 dioda (D1 s/d D5) sebagai pelipat ganda tegangan. Kemudian terdapat juga Transistor TR6 dan TR6 sebagai driver untuk menyangga driver utama yang berhubungan langsung dengan beban yaitu (TR1 s/d TR5).
Gambar 3.1 Penyearah pada Repeater
C1 C2 C3 C4
220 v 18 v 35 A
35 A
23 Gambar 3.2 Rankaian penstabil tegangan pada Reater
Tegangan input IC 7812 adalah 17,27 volt DC, tegangan input tersebut masih dalam range tegangan input IC 7812 yang dikehendaki. Sedangkan ground dihubungkan 2 Diode yang disambung seri ketika S1 dalam keadaan on (tersambung). Maka tegangan output menjadi 12 + (2 x 0,3) = 12,3 volt, akan tetapi karena tahanan dioda sangat kecil maka cenderung ke groun sehingga tegangan tetap 12 volt DC. Dan apabila S1 dalam posisi off dan yang tersabung 5 maka keberadaan dioda diperhitungkan, maka tegangan ouput menjadi 12 + (5 x 0,3) = 13,5 votl.
24 Tegangan setelah diproses dengan penstabil tegangan dan rangkaian dioda, agar IC dalam kondisi aman dari kelebihan beban, maka dirangkaian ini dipasang penyangga trasistor TR6 dan TR 7. Pada transistor ini tegangan basis emitor sama dengan 0.3 volt, karena kedua transistor disambung pararel sehingga tegangan tetap 0,3 volt. Dengan demikian berarti tegangan output setelah transistor ditambah 0,3 volt.
Gambar 3.4 Hubungan IC 7812 dengan transistor
Kerja transistor , transistor bekerja apabila kaki basis mendapat tegangan dari IC 7812. Pada saat mendapatkan trigger dari IC7812 maka beban untuk mentrigger Driver/Buffer utama Tr1 – Tr5 dibebankan langsung oleh kedua transistor yaitu Tr6 dan Tr7, sehingga IC 7812 dalam keadaan aman. Kerja Saklar S2 push on, pada posisi off, maka kontak pada relai B dan C terhubung sehingga tersambung, sedang kontak A dan B terbuka, relai tidak mendapatkan sumber tegangan. Ketika S2 dalam keadaan on, kontak relai pindah posisi, sehingga kontak A dan B tersabung karena kumparan relai mendapkan sumber tegangan. Ketika push on dilepas relai terkunci, artinya selalu mendapat sumber tegangn.
3.2. Buffer (penyangga)
Buffer pada catu daya repeater ini menggunakan 5 Transistor tipe 2N3055, jenis NPN. Trasistor ini berdasar data, arus kolektor yang diijinkan maksimal 10 ampere, jadi kalau 5 transistor mampu menanggung beban 50 amper. Akan tetapi biasanya dalam perancangan arus yang dirancang untuk ditanggung sebuah transistor diambil dibawah kemampuan transistor, agar transistor tidak cepat panas dan tidak cepat rusak. Rangkaian buffer dapat dilihat pada Gambar 3.5
25 Gambar 3.5 Rangkain buffer catu daya Repeater
1. Kemampuan arus maksimum baffer 5 x 10 a = 50 Ampere
2. Penstabil, disamping untuk mendapatkan tegangan konstan, juga digunakan untuk mentrigger buffer utama, agar kemampuan arus nominal dapat di naikan.
3. Ketika kaki basis pada buffer mendapatkan tegangan maka transistor akan terjadi saturasi (jenuh), maka kolektor dan emitor terhubung, dengan demikian transistor berfungsi sebagi konduktor.
4. Secara analisa dan data book bahwa kemapuan driver 5 transistor 50 A, akan tetapi pada kenyataan pada praktikum kemapuan masih dibawahnya, sehingga dengan kemapuan tranfosrmator penurun tegangan 35 A, maka catu daya ini berkemampuan maksimum 35 A, sehingga transistor dalam keadaan aman.
Kondensator C7 dan C8 digunakan untuk memperhalus kembali jika terjadi perubahan ripel akibat adanya kumparan(koil) relai dan kelima transistor. L1 dan L2 ini juga dimaksudkan untuk memperbaiki keadaan ripel tegangan bersama-sama dengan C7 dan C8, agar lebih halus mendekati arus DC konstan.
26 4. KESIMPULAN
Dengan memahami kerja masing-masing blok maka dapat disimpulkan secara keseluruhan prinsip kerja rankaian Catu Daya Repeater (Gambar 3.6) sebagai berikut :
1. Saat sisi primer transformator dihubungkan pada sumber tegangan, maka tegangan skunder mengeluarkan tegangan 18 Volt.
2. setelah melalui penyearah maka tegangan menjadi 17,27 volt, kemudian melaui filter terjadi ripel 2 x 10-4 %, sehingga naik turunnya tegangan hampi tidak ada karena tegangan ripel sangat kecil sekitar = 0,010362 volt.
3. Tegangan hasil setelah di filter, kemudian sebagi input penstabil IC 7812, sehinnga output pada IC ini selalu konstan 12 volt, biarpun tegangan pada jala-jala terjadi naik turun, maupun adanya perubahan beban.
4. Pada kaki groun dihubungkan pada lima dioda, maka tegangan output menjadi 13,5 volt , jadi saat saklar S1 terbuka maka tegangan output 13,5 volt, sedang jika S1 ditutup maka tegangan menjadi 12 volt. Dalam keadaan ini jika saklar S2 belum ditekan maka masih belum berhubungan denagn beban dan ditandai dengan lampu LED merah menyala, serta Driver utama belum kerja.
5. Tegangan setelah poin 4, digunakan untuk mentriger driver dua transistor yang dihubungkan parale, sehingga tegangan output mendapatkan tambahan 0,3 volt dari tegangan BE transistor, sehingga tegangan output menjadi 13,8 volt dan 12 volt.
6. Saat saklar S2 ditekan maka Driver utama 5 transistor mendapatkan trigger pada kaki basis, sehingga transistor aktif, dengan demikian kemampuan catu daya tergantung transformator dan kelima transistor.
27 DAFTAR PUSTAKA
1. Data dan Persamaan FET dan Mosfet ; Edisi Revisi pertama ; Penerbit PT Elex Media Komputindo Gramedia ; Jakarta
2. Esan Hasan BSC; Rangkaian Elektronika Dasar; Ganeca Exact; Bandung; 1990; 3. Malvino Hanapi Gunawan; Prinsip-prinsip Elektronik; Erlangga; Jakarta; 1984; 4. Wasito S; Vademekum Elektronika; Gramedia; Jakarta; 1986
5. Wasito Pelajaran Elektronika , Karya Utama , Jakarta 1980 6. Bahan Ajar Listrik & Elektronika, PPPGT Malang
