CHAPTER 15

[KEMBALI KE MENU SEBELUMNYA]

DAFTAR ISI

1. Pendahuluan

2. Tujuan

1. Pendahuluan [Kembali]

Dalam dunia elektronika, kestabilan tegangan sangat penting untuk memastikan bahwa perangkat elektronik dapat bekerja dengan baik dan aman. Salah satu metode yang umum digunakan untuk mengatur dan menstabilkan tegangan adalah dengan menggunakan rangkaian regulator tegangan. Salah satu jenis regulator yang sering dipelajari adalah Discrete Transistor Voltage Regulator, yaitu regulator tegangan yang dibangun dari komponen diskret seperti transistor, dioda zener, dan resistor, tanpa menggunakan IC regulator.

Salah satu bentuk dasar dari regulator ini adalah Series Regulator Circuit, di mana transistor ditempatkan secara seri dengan beban dan berfungsi mengatur besar arus yang mengalir untuk menjaga tegangan output tetap stabil. Namun, untuk meningkatkan kinerja dan stabilitas regulasi, dikembangkan versi lanjutannya yaitu Improved Series Regulator. Pada versi ini, ditambahkan elemen seperti transistor penguat kesalahan (error amplifier) dan sistem umpan balik (feedback) dari tegangan output, sehingga mampu memberikan regulasi yang lebih presisi terhadap perubahan beban maupun tegangan input. Melalui pendekatan ini, sistem regulasi tegangan menjadi lebih responsif dan akurat.

2. Tujuan [Kembali]

Melengkapi tugas mata kuliah elektronika yang ditugaskan oleh Bapak Darwison, M.T.
Memahami Konsep Regulasi Tegangan dengan Komponen Diskret
Menganalisis Cara Kerja Series Regulator Circuit dan Improved Series Regulator

3. Alat dan Bahan [Kembali]

A. Alat

1) Instrument

a. Voltmeter

Voltmeter adalah alat ukur yang digunakan untuk mengukur besara tegangan atau beda potensial listrik antara dua titik pada suatu rangkaian listrik yang dialiri arus listrik. Pada alat ukur voltmeter ini biasanya ditemukan tulisan voltmeter (V), milivoltmeter (mV), mikrovoltmeter, dan kilovolt (kV). Sekarang ini, voltmeter ditemukan dalam dua jenis yaitu voltmeter analog (jarum penunjuk) dan voltmeter digital. Voltmeter memiliki batas ukur tertentu, yakni nilai tegangan maksimum yang dapat diukur oleh voltmeter tersebut.

Spesifikasi :

Angka rangkuman masukan biasanya di mulai dari ± 1,000000 V hingga s/d ± 1000, 000 V (Metode pemilihan rangkuman dilakukan dengan cara otomatis dan indikasi beban lebih).
Ketelitian mutlak tercatat mencapai ± 0,005 persen dari pembacaan yang sudah dilakukan.
Angka stabilitas untuk jangka pendek sebesar 0,002 persen dari pembacaan (periode 24 jam). Sedangkan untuk jangka panjang sebesar 0,008 persen pembacaan (periode 6 bulan).
Resolusi untuk 1 bagian dalam 106 yaitu 1 μV bisa dibaca pada rangkuman dari masukan 1 V.
Karakteristik masukannya yaitu tahanan masukan khas sebesar 10 MΩ dengan kapasitas masukan 40 pF.
Kalibrasi yang standar (internal) tidak tergantung pada rangkaian ukuran yang mana telah diperoleh dari sumber referensi yang sudah stabil.
Ada beberapa sinyal keluaran seperti perintah mencetak.

b. Amperemeter

Amperemeter adalah alat ukur listrik yang digunakan untuk mengukur arus listrik dalam suatu rangkaian, biasanya dalam satuan ampere (A). Alat ini bekerja berdasarkan prinsip bahwa arus listrik yang mengalir melalui konduktor akan menimbulkan medan magnet, yang kemudian dapat digunakan untuk menggerakkan jarum penunjuk atau menghasilkan data digital. Untuk memastikan pengukuran yang akurat dan aman, amperemeter harus dihubungkan secara seri dengan beban yang akan diukur, agar seluruh arus mengalir melewati alat tersebut.

Spesifikasi :

Fungsi: Mengukur arus listrik (A)
Tipe: Analog (jarum) / Digital (display angka)
Kisaran pengukuran: µA, mA, hingga puluhan A (tergantung model)
Tipe arus: DC, AC, atau keduanya
Tegangan kerja maksimum: Tergantung alat, biasanya hingga 600V
Ketelitian (akurasi): ±1% hingga ±3% (tergantung kelas alat)
Hambatan internal: Sangat kecil (≈0,1Ω atau kurang)
Sambungan: Dipasang seri dengan beban
Proteksi: Sekering atau overload protection (pada model tertentu)
Aplikasi: Elektronika, instalasi listrik, otomotif, laboratorium

c. Generator daya

- Generator dc

Generator DC merupakan sebuah perangkat mesin listrik dinamis yang mengubah energi mekanis menjadi energi listrik. Generator DC menghasilkan arus DC / arus searah.

Spesifikasi:

Non gearbox
Speed : 2750 rpm
Output : DC 12V
Arus : 35A
Built-in regulator
Dimensi body : panjang 11,5 cm x diameter 9,75 cm
Berat : 2,6 kg
Kondisi : second berkualitas

- Baterai

Baterai (Battery) adalah sebuah alat yang dapat mengubah energi kimia yang disimpannya menjadi energi Listrik yang dapat digunakan oleh suatu perangkat Elektronik.

Spesifikasi dan Pinout Baterai

Input voltage: ac 100~240v / dc 10~30v
Output voltage: dc 1~35v
Max. Input current: dc 14a
Charging current: 0.1~10a
Discharging current: 0.1~1.0a
Balance current: 1.5a/cell max
Max. Discharging power: 15w
Max. Charging power: ac 100w / dc 250w
Jenis batre yg didukung: life, lilon, lipo 1~6s, lihv 1-6s, pb 1-12s, nimh, cd 1-16s
Ukuran: 126x115x49mm
Berat: 460gr

2) Probes

a. Voltage

Probe voltage adalah alat atau komponen dalam sistem pengukuran listrik/elektronika yang digunakan untuk mendeteksi atau mengukur tegangan pada titik tertentu dalam rangkaian.

Spesifikasi :

Tegangan Maksimum: 300V – 1000V (tergantung kategori keselamatan: CAT II/III).
Bandwidth: 10 MHz – >500 MHz (untuk osiloskop).
Attenuation Ratio: 1:1 atau 10:1 (peredam sinyal).
Input Resistance: Umumnya 10 MΩ.
Input Capacitance: Sekitar 10–20 pF.
Konektor: BNC (osiloskop), banana plug/needle (multimeter).

b. Current

Current probe (probe arus) adalah alat bantu pengukuran yang digunakan untuk mendeteksi dan mengukur arus listrik dalam sebuah konduktor tanpa harus memutus rangkaian. Alat ini bekerja berdasarkan prinsip induksi elektromagnetik, di mana arus listrik yang mengalir melalui sebuah kabel akan menghasilkan medan magnet di sekitarnya.

Spesifikasi :

Mengukur arus AC, DC, atau keduanya tergantung jenis sensornya.
Rentang pengukuran umum dari miliampere hingga ratusan ampere.
Menggunakan prinsip efek Hall untuk arus DC dan transformator arus untuk AC.
Tegangan output biasanya proporsional terhadap arus (misal 1 mV/A atau 10 mV/A).
Dapat digunakan dengan osiloskop, multimeter, atau alat ukur lainnya.
Bandwidth tergantung tipe, mulai dari beberapa kHz hingga ratusan MHz.
Tidak memerlukan pemutusan rangkaian, cukup dijepitkan pada kabel.
Dilengkapi dengan penjepit atau clamp yang fleksibel dan aman.
Tegangan isolasi maksimum biasanya mencapai 300V–600V tergantung model.

B. Bahan

1) Resistor

Resistor atau disebut juga dengan Hambatan adalah komponen elektronika pasif yang berfungsi untuk menghambat dan mengatur arus listrik dalam suatu rangkaian elektronika. Satuan nilai Resistor atau Hambatan adalah Ohm.

Spesifikasi dari Resistor adalah resistansinya dan daya listrik yang dapat dihantarkan. Karakteristik lain termasuk koefisien suhu, derau listrik (noise), dan induktansi. Resistor dapat diintegrasikan ke dalam sirkuit hibrida dan papan sirkuit cetak, bahkan sirkuit terpadu.

Spesifikasi

Resistor adalah komponen elektronika pasif yang selalu digunakan dalam setiap rangkaian elektronika karena dia berfungsi sebagai penghambat arus listrik. Bila kita menginginkan arus yang besar maka kita pasang resistor yang nilai resistansinya kecil, mendekati nol atau sama dengan nol atau tidak dipasang sama sekali dengan demikian arus tidak lagi dibatasi. Resistor berfungsi sebagai Penghambat arus listrik, Sebagai tahanan arus listrik agar listrik yang melewati resistor di hambat melalui karbon yang berada di dalam tubuh resistor menjadi di perkecil apabila resistansinya besar, Sebagai tahanan arus listrik agar listrik yang melewati resistor di hambat melalui karbon yang berada di dalam tubuh resistor menjadi di perkecil apabila resistansinya besar.

2) Dioda Zener

Spesifikasi :

Tegangan kerja tetap (tegangan Zener): 2V – 200V (tergantung tipe)
Arus maksimum: umumnya 5 mA – 1 A
Dipasang dalam kondisi bias balik
Toleransi tegangan: ±5% hingga ±10%
Daya maksimum: 0,25 W – 5 W (tergantung ukuran)
Tipe kemasan: DO-35, DO-41 (untuk versi umum)
Fungsi utama: penstabil tegangan dan proteksi lonjakan
Waktu respon sangat cepat terhadap perubahan tegangan

3) Transistor

Spesifikasi

Type - NPN
Collector-Emitter Voltage: 35 V
Collector-Base Voltage: 35 V
Emitter-Base Voltage: 5 V
Collector Current: 2.5 A
Collector Dissipation - 10 W
DC Current Gain (hfe) - 100 to 200
Transition Frequency - 160 MHz
Operating and Storage Junction Temperature Range -55 to +150 °C
Package - TO-126

Pin :

Collector (C) → Tempat arus masuk (NPN) atau keluar (PNP) dari beban.
Base (B) → Terminal kontrol, digunakan untuk mengatur hidup/matinya arus.
Emitter (E) → Tempat arus keluar (NPN) atau masuk (PNP), menuju ground atau suplai.

Konfigurasi Transistor:

Konfigurasi Common Base adalah konfigurasi yang kaki Basis-nya di-ground-kan dan digunakan bersama untuk INPUT maupun OUTPUT. Pada Konfigurasi Common Base, sinyal INPUT dimasukan ke Emitor dan sinyal OUTPUT-nya diambil dari Kolektor, sedangkan kaki Basis-nya di-ground-kan. Oleh karena itu, Common Base juga sering disebut dengan istilah “Grounded Base”. Konfigurasi Common Base ini menghasilkan Penguatan Tegangan antara sinyal INPUT dan sinyal OUTPUT namun tidak menghasilkan penguatan pada arus.

Konfigurasi Common Collector (CC) atau Kolektor Bersama memiliki sifat dan fungsi yang berlawan dengan Common Base (Basis Bersama). Kalau pada Common Base menghasilkan penguatan Tegangan tanpa memperkuat Arus, maka Common Collector ini memiliki fungsi yang dapat menghasilkan Penguatan Arus namun tidak menghasilkan penguatan Tegangan. Pada Konfigurasi Common Collector, Input diumpankan ke Basis Transistor sedangkan Outputnya diperoleh dari Emitor Transistor sedangkan Kolektor-nya di-ground-kan dan digunakan bersama untuk INPUT maupun OUTPUT. Konfigurasi Kolektor bersama (Common Collector) ini sering disebut juga dengan Pengikut Emitor (Emitter Follower) karena tegangan sinyal Output pada Emitor hampir sama dengan tegangan Input Basis.

Konfigurasi Common Emitter (CE) atau Emitor Bersama merupakan Konfigurasi Transistor yang paling sering digunakan, terutama pada penguat yang membutuhkan penguatan Tegangan dan Arus secara bersamaan. Hal ini dikarenakan Konfigurasi Transistor dengan Common Emitter ini menghasilkan penguatan Tegangan dan Arus antara sinyal Input dan sinyal Output. Common Emitter adalah konfigurasi Transistor dimana kaki Emitor Transistor di-ground-kan dan dipergunakan bersama untuk INPUT dan OUTPUT. Pada Konfigurasi Common Emitter ini, sinyal INPUT dimasukan ke Basis dan sinyal OUTPUT-nya diperoleh dari kaki Kolektor.

4. Dasar Teori [Kembali]

A. Resistor

Resistor merupakan salah satu komponen elektronika pasif yang berfungsi untuk membatasi arus yang mengalir pada suatu rangkaian dan berfungsi sebagai terminal antara dua komponen elektronika. Tegangan pada suatu resistor sebanding dengan arus yang melewatinya (V=I R).

Simbol :

Cara menghitung nilai resistansi resistor dengan gelang warna:

Masukkan angka langsung dari kode warna gelang pertama
Masukkan angka langsung dari kode warna gelang kedua
Masukkan angka langsung dari kode warna gelang ketiga
Masukkan jumlah nol dari kode warna gelang ke-4 atau pangkatkan angka tersebut dengan 10(10^n)

Rumus :

B. Dioda Zener

Dioda Zener adalah jenis dioda khusus yang dirancang untuk beroperasi dalam kondisi bias balik (reverse bias) dan tetap mempertahankan tegangan tetap saat melewati ambang tertentu yang disebut tegangan Zener. Tidak seperti dioda biasa yang rusak jika dialiri tegangan balik terlalu besar, dioda Zener justru digunakan untuk menstabilkan tegangan pada nilai tertentu, misalnya 5,1V atau 12V, tergantung jenisnya. Ketika tegangan balik melebihi tegangan Zener, dioda akan menghantar dan menjaga tegangan tetap stabil meskipun arus berubah. Oleh karena itu, dioda Zener sangat berguna sebagai regulator tegangan, pelindung rangkaian terhadap lonjakan tegangan, dan referensi tegangan dalam berbagai rangkaian elektronik.

Simbol :

Rumus :

Karakteristik :

C. Transistor

Transistor adalah sebuah komponen di dalam elektronika yang diciptakan dari bahan-bahan semikonduktor dan memiliki tiga buah kaki. Masing-masing kaki disebut sebagai basis, kolektor, dan emitor.

Emitor (E) memiliki fungsi untuk menghasilkan elektron atau muatan negatif.
Kolektor (C) berperan sebagai saluran bagi muatan negatif untuk keluar dari dalam transistor.
Basis (B) berguna untuk mengatur arah gerak muatan negatif yang keluar dari transistor melalui kolektor.

Transistor Bipolar terdiri dari dua jenis yaitu Transistor NPN dan Transistor PNP.

Transistor NPN adalah transistor bipolar yang menggunakan arus listrik kecil dan tegangan positif pada terminal Basis untuk mengendalikan aliran arus dan tegangan yang lebih besar dari Kolektor ke Emitor.
Transistor PNP adalah transistor bipolar yang menggunakan arus listrik kecil dan tegangan negatif pada terminal Basis untuk mengendalikan aliran arus dan tegangan yang lebih besar dari Emitor ke Kolektor.

Rumus :

Konfigurasi transistor bipolar :

Cara mengukur transistor bipolar

Karakteristik input

Transistor adalah komponen aktif yang menggunakan aliran electron sebagai prinsip kerjanya didalam bahan. Sebuah transistor memiliki tiga daerah doped yaitu daerah emitter, daerah basis dan daerah disebut kolektor. Transistor ada dua jenis yaitu NPN dan PNP. Transistor memiliki dua sambungan: satu antara emitter dan basis, dan yang lain antara kolektor dan basis. Karena itu, sebuah transistor seperti dua buah dioda yang saling bertolak belakang yaitu dioda emitter-basis, atau disingkat dengan emitter dioda dan dioda kolektor-basis, atau disingkat dengan dioda kolektor.

Bagian emitter-basis dari transistor merupakan dioda, maka apabila dioda emitter-basis dibias maju maka kita mengharapkan akan melihat grafik arus terhadap tegangan dioda biasa. Saat tegangan dioda emitter-basis lebih kecil dari potensial barriernya, maka arus basis (Ib) akan kecil. Ketika tegangan dioda melebihi potensial barriernya, arus basis (Ib) akan naik secara cepat.

Karakteristik output

Sebuah transistor memiliki empat daerah operasi yang berbeda yaitu daerah aktif, daerah saturasi, daerah cutoff, dan daerah breakdown. Jika transistor digunakan sebagai penguat, transistor bekerja pada daerah aktif. Jika transistor digunakan pada rangkaian digital, transistor biasanya beroperasi pada daerah saturasi dan cutoff. Daerah breakdown biasanya dihindari karena resiko transistor menjadi hancur terlalu besar.

Gelombang I/O Transistor

Transistor Voltage Regulation

1. Discrete Transistor Voltage Regulation

Discrete Transistor Voltage Regulation adalah teknik pengaturan atau stabilisasi tegangan output menggunakan komponen elektronik diskret seperti transistor, dioda zener, resistor, dan kapasitor. Sistem ini bekerja dengan memanfaatkan karakteristik transistor sebagai penguat arus dan pengendali tegangan, serta dioda zener sebagai sumber tegangan referensi yang stabil. Tujuan utamanya adalah untuk menyediakan tegangan output yang relatif konstan dan stabil, walaupun terjadi perubahan pada tegangan input (Vin) maupun variasi pada beban (load).

2. Series Voltage Regulation

Series voltage regulation (regulasi tegangan seri) adalah metode pengaturan tegangan di mana elemen pengatur (biasanya transistor) ditempatkan dalam jalur seri antara sumber tegangan (input) dan beban (output). Tujuannya adalah untuk menjaga tegangan output tetap konstan, meskipun terjadi perubahan pada tegangan input atau arus beban.

Dalam regulator seri, Transistor bekerja sebagai variabel resistor atau pengatur hambatan. Transistor dikendalikan oleh tegangan referensi. Jika tegangan output mulai naik, maka transistor akan mengurangi konduksi, menurunkan arus dan menstabilkan tegangan. Jika output turun, maka transistor akan menaikkan konduksi untuk mempertahankan tegangan.

3. Series Regulator Circuit

Series Regulator Circuit adalah jenis rangkaian pengatur tegangan di mana komponen pengatur (biasanya transistor) diletakkan dalam jalur seri antara sumber tegangan dan beban. Fungsinya adalah untuk menjaga tegangan output tetap stabil, walaupun terjadi perubahan pada tegangan input atau variasi arus beban. Transistor dalam rangkaian ini bertindak seperti resistor variabel yang secara otomatis menyesuaikan resistansi internalnya untuk mempertahankan tegangan output yang konstan. Kontrol tegangan basis transistor dilakukan melalui sumber referensi stabil, biasanya menggunakan dioda zener.

4. Improved Series Regulator

Improved Series Regulator adalah versi yang lebih canggih dari series regulator dasar, yang dirancang untuk memberikan regulasi tegangan lebih baik, stabilitas lebih tinggi, dan fitur tambahan seperti umpan balik (feedback), penguatan kesalahan (error amplification), dan terkadang pengendalian termal atau proteksi beban lebih. Penambahan transistor berguna untuk meningkatkan sensitivitas dan penguatan kontrol. penambahan Op-amp atau penguat kesalahan berguna untuk membandingkan tegangan output dengan tegangan referensi dan mengendalikan transistor utama secara lebih presisi. Sedangkan penambahan Feedback loop merupakan jalur umpan balik dari output ke penguat kesalahan untuk meningkatkan akurasi dan respons terhadap perubahan beban/input.

Rangkaian improved series regulator menggunakan prinsip umpan balik (feedback) untuk menjaga tegangan output tetap stabil meskipun terjadi perubahan pada beban atau tegangan input. Sebagian tegangan output diambil melalui pembagi tegangan (R1 dan R2), lalu dibandingkan dengan tegangan referensi dari dioda zener oleh transistor Q2 yang bertindak sebagai penguat kesalahan. Jika tegangan output naik, Q2 mengurangi konduksi Q1 sehingga output turun kembali, dan sebaliknya. Dengan sistem kontrol tertutup ini, tegangan output dapat dipertahankan stabil. Tegangan output (VO) ditentukan oleh rumus:

Rangkaian ini memberikan regulasi tegangan yang lebih akurat dibanding regulator seri biasa.

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. Percobaan [Kembali]

Fig 15.22