Catu daya atau power supply merupakan suatu
rangkaian elektronik yang mengubah arus listrik bolak-balik menjadi arus
listrik searah. Catu daya menjadi bagian yang penting dalam elektonika yang
berfungsi sebagai sumber tenaga listrik misalnya pada baterai atau accu. Catu
daya (Power Supply) juga dapat digunakan sebagai perangkat yang memasok listrik
energi untuk satu atau lebih beban listrik.
Secara umum prinsip rangkaian catu daya terdiri
atas komponen utama yaitu ; transformator, dioda dan kondensator. Dalam
pembuatan rangkaian catu daya, selain menggunakan komponen utama juga
diperlukan komponen pendukung agar rangkaian tersebut dapat berfungsi dengan
baik. Komponen Pendukung tersebut antara lain : sakelar, sekering (fuse), lampu
indicator, voltmeter dan amperemeter, jack dan plug, Printed Circuit Board
(PCB), kabel dan steker, serta Chasis. Baik komponen utama maupun komponen
pendukung sama sama berperan penting dalam rangkaian catu daya.
PEMBAHASAN
II.1.
Teori Dasar
Catu daya
merupakan suatu Rangkaian yang paling penting bagi sistem elektronika. Ada dua
sumber catu daya yaitu sumber AC dan sumber DC. Sumber AC yaitu sumber tegangan
bolak – balik, sedangkan sumber tegangan DC merupakan sumber tegangan searah.
Bila dilihat dengan osiloskop
seperti berikut :
(a)
Tegangan AC
(b)
Tegangan DC
Sumber
Tegangan Bila diamati sumber AC tegangan berayun sewaktu-waktu pada kutub
positif dan sewaktu-waktu pada kutub negatif, sedangkan sumber AC selalu pada
satu kutub saja, positif saja atau negatif saja. Dari sumber AC dapat
disearahkan menjadi sumber DC dengan menggunakan rangkaian penyearah yang di
bentuk dari dioda. Ada tiga macam rangkaian penyearah dasar yaitu penyearah
setengah gelombang, gelombang penuh dan sistem jembatan.
(a)
Penyearah setengah gelombang
(b)
Penyearah setengah gelombang
(c)
Penyearah sistem jembatan
Rangkaian Penyearah Biasanya output
dari rangkaian diberi suatu filter kapasitor untuk menghilangkan riak sehingga
diperoleh tegangan DC yang stabil. Tegangan DC juga dapat diperoleh dari
batere. Dengan penggunaan batere ditawarkan sumber tegangan DC yang stabil dan
portable namun dapat habis tergantung kapasitas batere tersebut. Tegangan yang
tersedia dari suatu sumber tegangan yang ada biasanya tidak sesuai dengan
kebutuhan. Untuk itu diperlukan suatu regulator tegangan yang berfungsi untuk
menjaga agar tegangan bernilai konstan pada nilai tertentu. Regulator tegangan
ini biasanya berupa IC dengan kode 78xx atau 79xx. Untuk seri 78xx digunakan
untuk regulator tegangan DC positif, sedangkan 79xx digunakan untuk regulator
DC negatif. Nilai xx menandakan tegangan yang akan diregulasikan. Misalnya
kebutuhan sistem adalah positif 5 volt, maka regulator yang digunakan adalah
7805. IC regulator ini biasanya terdiri dari tiga pin yaitu input, ground dan
output. Dalam menggunakan IC ini tegangan input harus lebih besar beberapa
persen (tergantung pada data sheet) dari tegangan yang akan diregulasikan.
II.2. Komponen Utama dan Pendukung
Catu Daya
1. Trafo (Penurun
Tegangan)
Trafo atau transformator merupakan
komponen utama dalam membuat rangkaian catu daya yang berfungsi untuk mengubah
tegangan listrik. Trafo dapat menaikkan dan menurunkan tegangan. Berdasarkan
tegangan yang dikeluarkan dari belitan scundair dibagi menjadi 2 yaitu:
a). Step up (penaik tegangan)
apabila tegangan belitan scundair yang kita butuhkan lebih tinggi dari tegangan
primair ( jala listrik).
b). Step down (penurun tegangan)
apabila tegangan belitan scundair yang kita butuhkan lebih rendah dari tegangan
primair (jala listrik).
Berdasarkan pemasangan gulungannya
dikenal 2 (dua) macam trafo yaitu:
a). Trafo tanpa center tap (CT)
b). Trafo dengan center tap (CT)
2. Dioda Rectifier (Penyearah)
Peranan rectifier dalam rangkaian
catu daya adalah untuk mengubah tegangan listrik AC yang berasal dari trafo
step- down atau trafo adaptor menjadi tegangan listrik arus searah DC.
a). Penyearah Setengah Gelombang
Dalam komponen elektronika penyearah
setengah gelombang disebut juga Half Wave Rectifier.
b).Penyearah Gelombang Penuh
Dalam komponen elektronika penyearah
gelombang penuh disebut juga Full Wave Rectifier.
3. Filter (Penyaring)
Penyaring atau filter merupakan
bagian yang terdiri dari kapasitor yang berfungsi sebagai penyaring atau
meratakan tegangan listrik yang berasal dari rectifier. Selain menggunakan
filter juga menggunakan resistor sebagai tahanan.
4. Stabilizer dan Regulator
Stabilizer dan regulator adalah
bagian yang terdiri dari komponen dioda zener, transistor, komponen IC atau
kombinasi dari ketiga komponen tersebut. Komponen ini berfungsi sebagai
penstabil dan pengatur tegangan (regulator) yang berasal dari rangkaian
penyaring.
Selain komponen utama dalam
pembuatan rangkaian catu daya juga menggunakan berbagai komponen pendukung
lainnya seperti sakelar, sekering, lampu indicator, voltmeter, multimeter, PCB
( Printed Circuit Board) dan berbagai komponen pendukung lainnya.
II.3. Prinsip Kerja
1. Prinsip Kerja Catu
Daya
Perangkat elektronika mestinya
dicatu oleh suplai arus searah DC (direct current) yang stabil agar
dapat bekerja dengan baik. Baterai atau accu adalah sumber catu daya DC yang
paling baik. Namun untuk aplikasi yang membutuhkan catu daya lebih besar,
sumber dari baterai tidak cukup. Sumber catu daya yang besar adalah sumber
bolak-balik AC (alternating current) dari pembangkit tenaga listrik.
Untuk itu diperlukan suatu perangkat catu daya yang dapat mengubah arus AC
menjadi DC. Pada tulisan kali ini disajikan prinsip rangkaian catu daya (power
supply) linier mulai dari rangkaian penyearah yang paling sederhana sampai
pada catu daya yang ter-regulasi.
2. Penyearah (Rectifier)
Prinsip penyearah (rectifier)
yang paling sederhana ditunjukkan pada gambar-1 berikut ini. Transformator (T1)
diperlukan untuk menurunkan tegangan AC dari jala-jala listrik pada kumparan
primernya menjadi tegangan AC yang lebih kecil pada kumparan sekundernya.
Pada rangkaian ini, dioda (D1)
berperan hanya untuk merubah dari arus AC menjadi DC dan meneruskan tegangan
positif ke beban R1. Ini yang disebut dengan penyearah setengah gelombang (half
wave). Untuk mendapatkan penyearah gelombang penuh (full wave)
diperlukan transformator dengan center tap (CT) seperti pada gambar-2.
Tegangan positif phasa yang pertama
diteruskan oleh D1 sedangkan phasa yang berikutnya dilewatkan melalui D2 ke
beban R1 dengan CT transformator sebagai common ground.. Dengan demikian
beban R1 mendapat suplai tegangan gelombang penuh seperti gambar di atas. Untuk
beberapa aplikasi seperti misalnya untuk men-catu motor dc yang kecil atau lampu
pijar dc, bentuk tegangan seperti ini sudah cukup memadai. Walaupun terlihat di
sini tegangan ripple dari kedua rangkaian di atas masih sangat besar.
Gambar 3 adalah rangkaian penyearah
setengah gelombang dengan filter kapasitor C yang paralel terhadap beban R.
Ternyata dengan filter ini bentuk gelombang tegangan keluarnya bisa menjadi
rata. Gambar-4 menunjukkan bentuk keluaran tegangan DC dari rangkaian penyearah
setengah gelombang dengan filter kapasitor. Garis b-c kira-kira adalah garis
lurus dengan kemiringan tertentu, dimana pada keadaan ini arus untuk beban R1
dicatu oleh tegangan kapasitor. Sebenarnya garis b-c bukanlah garis lurus
tetapi eksponensial sesuai dengan sifat pengosongan kapasitor.
Kemiringan kurva b-c tergantung dari
besar arus (I) yang mengalir ke beban R. Jika arus I = 0 (tidak ada beban) maka
kurva b-c akan membentuk garis horizontal. Namun jika beban arus semakin besar,
kemiringan kurva b-c akan semakin tajam. Tegangan yang keluar akan berbentuk
gigi gergaji dengan tegangan ripple yang besarnya adalah :
Vr = VM -VL ………. (1)
dan tegangan dc ke beban adalah Vdc
= VM + Vr/2 ….. (2)
Rangkaian penyearah yang baik adalah
rangkaian yang memiliki tegangan ripple paling kecil. VL
adalah tegangan discharge atau pengosongan kapasitor C, sehingga dapat
ditulis :
VL = VM e -T/RC
………. (3)
Jika persamaan (3) disubsitusi ke
rumus (1), maka diperoleh :
Vr = VM (1 – e
-T/RC) …… (4)
Jika T << RC, dapat ditulis : e
-T/RC » 1 – T/RC ….. (5)
sehingga jika ini disubsitusi ke
rumus (4) dapat diperoleh persamaan yang lebih sederhana :
Vr = VM(T/RC) …. (6)
VM/R tidak lain adalah
beban I, sehingga dengan ini terlihat hubungan antara beban arus I dan nilai
kapasitor C terhadap tegangan ripple Vr. Perhitungan ini
efektif untuk mendapatkan nilai tengangan ripple yang diinginkan.
Vr = I T/C … (7)
Rumus ini mengatakan, jika arus
beban I semakin besar, maka tegangan ripple akan semakin besar.
Sebaliknya jika kapasitansi C semakin besar, tegangan ripple akan
semakin kecil. Untuk penyederhanaan biasanya dianggap T=Tp, yaitu
periode satu gelombang sinus dari jala-jala listrik yang frekuensinya 50Hz atau
60Hz. Jika frekuensi jala-jala listrik 50Hz, maka T = Tp = 1/f = 1/50 = 0.02
det. Ini berlaku untuk penyearah setengah gelombang. Untuk penyearah gelombang
penuh, tentu saja fekuensi gelombangnya dua kali lipat, sehingga T = 1/2 Tp =
0.01 det.
Penyearah gelombang penuh dengan
filter C dapat dibuat dengan menambahkan kapasitor pada rangkaian gambar 2.
Bisa juga dengan menggunakan transformator yang tanpa CT, tetapi dengan
merangkai 4 dioda seperti pada gambar-5 berikut ini.
Sebagai contoh, anda mendisain
rangkaian penyearah gelombang penuh dari catu jala-jala listrik 220V/50Hz untuk
mensuplai beban sebesar 0.5 A. Berapa nilai kapasitor yang diperlukan sehingga
rangkaian ini memiliki tegangan ripple yang tidak lebih dari 0.75 Vpp.
Jika rumus (7) dibolak-balik maka diperoleh.
C = I.T/Vr = (0.5)
(0.01)/0.75 = 6600 uF.
Untuk kapasitor yang sebesar ini
banyak tersedia tipe elco yang memiliki polaritas dan tegangan kerja maksimum
tertentu. Tegangan kerja kapasitor yang digunakan harus lebih besar dari
tegangan keluaran catu daya. Anda barangkalai sekarang paham mengapa rangkaian
audio yang anda buat mendengung, coba periksa kembali rangkaian penyearah catu
daya yang anda buat, apakah tegangan ripple ini cukup mengganggu. Jika
dipasaran tidak tersedia kapasitor yang demikian besar, tentu bisa dengan
memparalel dua atau tiga buah kapasitor.
3.
Voltage Regulator
Rangkaian penyearah sudah cukup
bagus jika tegangan ripple-nya kecil, namun ada masalah stabilitas. Jika
tegangan PLN naik/turun, maka tegangan outputnya juga akan naik/turun. Seperti
rangkaian penyearah di atas, jika arus semakin besar ternyata tegangan dc
keluarnya juga ikut turun. Untuk beberapa aplikasi perubahan tegangan ini cukup
mengganggu, sehingga diperlukan komponen aktif yang dapat meregulasi tegangan
keluaran ini menjadi stabil.
Regulator Voltage berfungsi sebagai
filter tegangan agar sesuai dengan keinginan. Oleh karena itu biasanya dalam
rangkaian power supply maka IC Regulator tegangan ini selalu dipakai untuk stabilnya
outputan tegangan.
Berikut susunan kaki IC regulator
tersebut.
Misalnya 7805 adalah regulator untuk
mendapat tegangan +5 volt, 7812 regulator tegangan +12 volt dan seterusnya.
Sedangkan seri 79XX misalnya adalah 7905 dan 7912 yang berturut-turut adalah
regulator tegangan -5 dan -12 volt.
Selain dari regulator tegangan tetap
ada juga IC regulator yang tegangannya dapat diatur. Prinsipnya sama dengan
regulator OP-amp yang dikemas dalam satu IC misalnya LM317 untuk regulator
variable positif dan LM337 untuk regulator variable negatif. Bedanya resistor
R1 dan R2 ada di luar IC, sehingga tegangan keluaran dapat diatur melalui
resistor eksternal tersebut.
Rangkaian regulator yang paling
sederhana ditunjukkan pada gambar 6. Pada rangkaian ini, zener bekerja pada
daerah breakdown, sehingga menghasilkan tegangan output yang sama dengan
tegangan zener atau Vout = Vz. Namun rangkaian ini hanya bermanfaat jika arus
beban tidak lebih dari 50mA.
Prinsip rangkaian catu daya yang
seperti ini disebut shunt regulator, salah satu ciri khasnya adalah
komponen regulator yang paralel dengan beban. Ciri lain dari shunt regulator
adalah, rentan terhadap short-circuit. Perhatikan jika Vout terhubung
singkat (short-circuit) maka arusnya tetap I = Vin/R1. Disamping regulator
shunt, ada juga yang disebut dengan regulator seri. Prinsip utama
regulator seri seperti rangkaian pada gambar 7 berikut ini. Pada rangkaian ini
tegangan keluarannya adalah :
Vout = VZ + VBE
……….. (8)
VBE adalah tegangan base-emitor
dari transistor Q1 yang besarnya antara 0.2 – 0.7 volt tergantung dari jenis
transistor yang digunakan. Dengan mengabaikan arus IB yang mengalir
pada base transistor, dapat dihitung besar tahanan R2 yang diperlukan adalah :
R2 = (Vin – Vz)/Iz
………(9)
Iz adalah arus minimum
yang diperlukan oleh dioda zener untuk mencapai tegangan breakdown zener
tersebut. Besar arus ini dapat diketahui dari datasheet yang besarnya
lebih kurang 20 mA.
Jika diperlukan catu arus yang lebih
besar, tentu perhitungan arus base IB pada rangkaian di atas tidak
bisa diabaikan lagi. Dimana seperti yang diketahui, besar arus IC akan
berbanding lurus terhadap arus IB atau dirumskan dengan IC = bIB.
Untuk keperluan itu, transistor Q1 yang dipakai bisa diganti dengan tansistor darlington
yang biasanya memiliki nilai b yang cukup besar. Dengan transistor darlington,
arus base yang kecil bisa menghasilkan arus IC yang lebih besar.
Teknik regulasi yang lebih baik lagi
adalah dengan menggunakan Op-Amp untuk men-drive transistor Q, seperti pada
rangkaian gambar 8. Dioda zener disini tidak langsung memberi umpan ke
transistor Q, melainkan sebagai tegangan referensi bagi Op-Amp IC1. Umpan balik
pada pin negatif Op-amp adalah cuplikan dari tegangan keluar regulator, yaitu :
Vin(-) = (R2/(R1+R2)) Vout
……. (10)
Jika tegangan keluar Vout
menaik, maka tegangan Vin(-) juga akan menaik sampai tegangan ini
sama dengan tegangan referensi Vz. Demikian sebaliknya jika tegangan keluar Vout
menurun, misalnya karena suplai arus ke beban meningkat, Op-amp akan menjaga
kestabilan di titik referensi Vz dengan memberi arus IB ke
transistor Q1. Sehingga pada setiap saat Op-amp menjaga kestabilan :
Vin(-) = Vz ……… (11)
Dengan mengabaikan tegangan VBE
transistor Q1 dan mensubsitusi rumus (11) ke dalam rumus (10) maka diperoleh
hubungan matematis :
Vout = ( (R1+R2)/R2) Vz……….. (12)
Pada rangkaian ini tegangan output
dapat diatur dengan mengatur besar R1 dan R2. Sekarang mestinya tidak perlu
susah payah lagi mencari op-amp, transistor dan komponen lainnya untuk
merealisasikan rangkaian regulator seperti di atas. Karena rangkaian semacam
ini sudah dikemas menjadi satu IC regulator tegangan tetap. Saat ini sudah
banyak dikenal komponen seri 78XX sebagai regulator tegangan tetap
positif dan seri 79XX yang merupakan regulator untuk tegangan tetap
negatif. Bahkan komponen ini biasanya sudah dilengkapi dengan pembatas arus (current
limiter) dan juga pembatas suhu (thermal shutdown). Komponen ini
hanya tiga pin dan dengan menambah beberapa komponen saja sudah dapat menjadi
rangkaian catu daya yang ter-regulasi dengan baik.
Hanya saja perlu diketahui supaya
rangkaian regulator dengan IC tersebut bisa bekerja, tengangan input harus
lebih besar dari tegangan output regulatornya. Biasanya perbedaan tegangan Vin
terhadap Vout yang direkomendasikan ada di dalam datasheet komponen
tersebut. Pemakaian heatshink (aluminium pendingin) dianjurkan jika
komponen ini dipakai untuk men-catu arus yang besar. Di dalam datasheet, komponen
seperti ini maksimum bisa dilewati arus mencapai 1 A.
II.4. Alat dan Bahan
Komponen dasar yang diperlukan untuk
membuat catu daya ini adalah sebagai berikut:
- Solder
- Timah
- Bor
- Papan PCB
- Travo 3 Ampere
- Dioda 1 Ampere (atau jika ada gunakan dioda Brige)
- Capasitor Polar 10uF/16V
- IC regulator 7812
- Resistor 1k ohm
- LED warna merah
- Sekring 1 Ampere + soket
- Kabel AC
II.5. Langkah-langkah Pembuatan Catu
Daya
Setelah komponen tersebut ada, kita
akan mulai merangkai rangkaian Catu Daya tersebut. Kemudian akan
diperlukan gambar susunan rangkaian Catu Daya ini. Berikut adalah contoh gambar
susunan rangkaian Catu Daya.
Setelah memperoleh gambar rangkaian
ini rangkailah komponen sesuai dengan rangkaian diatas. Dalam merangkai
rangkaian ini ada beberapa hal yang harus diperhatikan.
Pertama dalam memasang dioda
(gunakan dioda brige 1 Ampere) dioda ini memiliki 4 buah kaki yang berisi
simbul +, -, dan 2 buah simbol ~.1 kaki yang berisi gambar ~ dihubungkan dengan
travo yang berisi angka 12V, dan kaki yang bergambar ~ yang lainnya dihubungkan
dengan travo yang berisi tanda 0. Kemudian kaki dioda yang bergambar +
dihubungkan dengan kaki + capasitor, dan kaki dioda yang berisi gambar -,
dihubungkan dengan kaki – kapasitor.
Kemudian kaki + capasitor dihubungkan
dengan kaki input dari IC 7812 (IC ini berisi 3 kaki, untuk lebih jelasnya
lihat data Sheet yang disediakan di akhir pembahasan ini), dan kaki – kapasitor
dihubungkan dengan kaki Ground/- dari IC 7812.
Setelah itu kaki ke tiga dari IC
7812 yang merupakan kaki keuaran yang harus di hubungkan dengan kaki +
kapasitor yang ke 2, dan Ground dari IC 7812 dihubungkan dengan kaki – dari
kapasitor ke 2.
Setelah itu pada kaki + kapasitor ke
dipasangkan ke salah satu kaki resistor 1k ohm dan kaki yang satunga dari
resisitor ini dihubungkan pada kaki + dari LED, kemudian kaki – dari LED
di hubungkan pada kaki – kapasitor ke 2.
Kemudian pada kaki + pada kapasitor
ke 2 dipasangkan kabel yang berisi jepit buaya warna merah, dan pada kaki –
kapasitor ke 2 dipasangkan kaber yang berisi jepit buaya warna hitam.
Dan yang terakhir adalah memasang
kaber AC yang sudah berisi sekring pada travo. Cara pemasangannya sangat mudah
yaitu memasangkan salah satu bagian kabel AC ke travo yang berisi tanda 220V
dan bagian lain dari kabel AC dipasangkan pada travo yang bertandakan 0 di
sebelah tanda 220V.