ANALISA PERENCANAAN CATU DAYA TEGANGAN DC PADA REPEATER DENGAN INPUT AC/PLN YANG MENGHASILKAN OUTPUT TEGANGAN DC STABIL

Transkripsi

1 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 781 sebagai penstabil tegangan akan memberikan output tegangan DC pada kondisi stabil 1 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 Kata Kunci: Repeater, Tegangan DC Stabil 15

2 JURNAL INTAKE---- Vol. 1, Nomor, Oktober 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.. KAJIAN PUSTAKA.1. Penyearah Gelombang Penuh (Full-wave Rectifier) Bertep Tengah Gambar.1 menunjukan rangkaian penyearah bertep-tengah (center-tap rectifier). Selama setengah siklus positif dari tegangan skunder, dioda D1 terbias maju dan dioda D terbias mundur, oleh karena itu, arusnya melewati D1, tahanan beban R, dan setengah kumparan bagian atas. Selama stengah siklus negatif, arusnya melewati dioda D, tahan R, dan setengan kumparan bagian bawah. Sedangkan hasil bentuk gelombang pada penyerah ini dapat dilihat pada Gambar.1 + D R - + i D Gambar.1. Penyearah gelombang penuh bertep-tengah 16

3 Vs V R t V m V D t t V Gambar.. Bentuk gelombang penyearah gelombang penuh bertep-tengah Tegangan keluaran searah DC adalah : T / Vm VDC Vm sin t dt 0,6366 V T 0 dengan frekuensi keluaran, adalah : F out = f in, tegangan balik puncak (PIV), didapatkan sebagai berikut : PIV = V m, Nilai rms tegangan keluaran : 1 / T / Vm rms (Vm sin t) dt 0,707 Vm 0 volt V T Efisiensi, penyerahan gelombang penuh dengan tep-tengah, sebagai berikut : (VDC) (0,6366 Vm ) (Vrms ) (0,707 Vm ) Faktor Bentuk = 0,707Vm / 0,6366Vm = 1,11, Sedangkan factor ripple pada penyearah gelombanh penuh dengan tep-tengah Faktor ripple RF = 1,11 1 0,48.. Penyearah Gelombang Penuh (Full-wave Rectifier) model Jembatan Gambar.3a. menunjukan rangkaian penyearah jembatan. Diantara rangkain penyearah, rangkaian inilah yang palin banyak digunakan. Selama setengah siklus positif tegangan sekunder, dioda D dan D3 terbias maju berfungsi sebagai konduktor, sedangkan dioda D1 dan m 17

4 JURNAL INTAKE---- Vol. 1, Nomor, Oktober 010 D4 terbias mundur berfungsi sebagai isolator(gambar.3 b), sehingga arus listrik melalui D, tahanan beban R, dan D3. Sedangkan selama setengah siklus negatif, dioda D1 dan dioda D4 terbias maju sebagai konduktor, D dan D3 terbias mundur (Gambar.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.3 Bentuk Rangkaian penyearah jembatan Gambar.4 Bentuk gelombang Rangkaian penyearah jembatan Tegangan keluaran DC didapatkan sebagai berikut : T / Vm VDC Vm sin t dt 0,6366 V T 0 sedangkan frekuensi keluaran adalah : F out = f in, untuk tegangan balik puncak (PIV), m 18

5 didapat sebagai berikut : PIV = V m, kemudian nilai rms tegangan keluaran, adalah : 1 / T / Vm rms (Vm sin t) dt 0,707 Vm 0 volt, V T Efisiensi penyearah jembatan, adalah : (VDC) (0,6366 Vm ) (Vrms ) (0,707 Vm ) Faktor Bentuk = 0,707V m / 0,6366V m = 1,11, Faktor ripple RF = 1,11 1 0, 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.5a menunjukan rangkaian filter-kondensator. Selama sperempat periode pertama tegangan masukan diode terbias maju. Idialnya, dioda bekerja Sebagai switch tertutup (Gambar.5 b). Karena dioda menghubungkan kondensator langsung pada sumber tegangan ac, kondensator tersebut terisi sampai tegangan puncak V P. Keterangan : Gambar.5a adalah gambar rangkaian penyearah dengan filter kondensator Gambar.5b adalah selama seperempat periode Gambar.5c adalah sesaat setelah melewati puncak positif. Gambar.5d adalah bentuk gelombang tegangan DC dengan filter Kondensator 19

6 JURNAL INTAKE---- Vol. 1, Nomor, Oktober 010 Sesaat setelah melewati puncak positif, diode berhenti menghantar, yang berarti switch terbuka seperti ditunjukanpada Gambar.5c. Mengapa? karena pada ujung-ujung kondensator terdapat tegangan +V P. Dengan tegangan sumber sedikitr lebih kecil dari +V P, 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 t pada Gambar.5d), diode menghantar sebentar. Kesempatan ini dipergunakan untuk mengganti kehilangan muatan kondensator yang terjai antara t 1 sampai t, sehingga tegangan keluaran naik kembali mencapai V P (t 3 ). Sinyal Gambar.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 0,004 Tegangan DC VDC (1 ) Vm R.C Tegangan ripple efektif (V r )., V R 0,004 R. C V m Kapasitas minimum: V r V R DC atau r = x 100% 1 3. f. C. R 0,4 C min, r. R Semakin kecil r, semakin baik. Apabila ditetapkan besarnya factor ripel dalam persen dan tahan beban, kapasitas kapasitor minimum yang dibutuhkan dapat dihitung dengan rumus C min diatas. Untuk lebih jelasnya diambil contoh seperti Gambar.6 dibawah ini D 1 D 3 V s D 4 D C R = 0 C = 470 F Gambar.6. Contoh rangkaian penyearah dengan filter kondensator 0

7 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 : R. C 0 x 470 x ms > 100ms f x 50 maka berlaku : Tegangan output rata V DC 0,00417 V DC (1 )x 30 8,8 volt 0,103 Tegangan ripple : 0,004 x 30 V r 0,699 volt 0,103 1

8 JURNAL INTAKE---- Vol. 1, Nomor, Oktober ANALISA RANGKAIAN CATU DAYA PADA REPEATER Catu daya pada Repeater ini menggunakan sistem jembatan seperti yang ditunjukan pada Gambar 3.1, dibawah ini : 35 A 0 v 18 v 35 A diode C 1 C C 3 C 4 V DC Dengan data-data komponen sebagai berikut : 1. Tranformator penurun tegangan (0 v/ 18 v) dengan arus niminal 35 Ampere. Bridge dioda 35 Ampere 3. Kondensator C1,, 3, 4 = F / 35 volt. Jika tegangan dioda diabaikan (dianggap ideal), maka : Filter kondensator sebanyak 4, maka kapasitansi = 4 x F = F. Pertama-tama konstanta waktu dihitung, sbb : R. C 0 x x ,8s > 100ms f x 50 Tegangan keluaran dc, maka berlaku : Tegangan output rata V DC 0,00417 V DC (1 )x 18 17,7 volt 0,103 Faktor ripel (jika dianggap R = 1 ohm) : 0,4 0,4 r x 100% R.C 4000 Tegangan ripel, adalah : 4 V r x V x 10 x r DC Gambar 3.1 Penyearah pada Repeater x 100% x 10 4 % 17,7 0,01036 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 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 1 volt atau 13,8 volt. Jadi ada dua tegangan yang dapat digunakan pada penstabil tegangan di repeater. Gambar rangkaian dapat dilihat pada Gambar 3.. Pada rangkaian tersebut penstabil tegangan menggunakan IC 781, sedangkan untuk mendapatkan tegangan 13,8 volt, dengan jalan menyambung 5 dioda (D1 s/d D5) sebagai pelipat ganda tegangan. Kemudian terdapat juga Transistor T R6 dan T R6 sebagai driver untuk menyangga driver utama yang berhubungan langsung dengan beban yaitu (T R1 s/d T R5 ).

9 Gambar 3. Rankaian penstabil tegangan pada Reater Tegangan input IC 781 adalah 17,7 volt DC, tegangan input tersebut masih dalam range tegangan input IC 781 yang dikehendaki. Sedangkan ground dihubungkan Diode yang disambung seri ketika S1 dalam keadaan on (tersambung). Maka tegangan output menjadi 1 + ( x 0,3) = 1,3 volt, akan tetapi karena tahanan dioda sangat kecil maka cenderung ke groun sehingga tegangan tetap 1 volt DC. Dan apabila S1 dalam posisi off dan yang tersabung 5 maka keberadaan dioda diperhitungkan, maka tegangan ouput menjadi 1 + (5 x 0,3) = 13,5 votl. Gambar 4.3 Hubungan dioda dengan IC 781 3

10 JURNAL INTAKE---- Vol. 1, Nomor, Oktober 010 Tegangan setelah diproses dengan penstabil tegangan dan rangkaian dioda, agar IC dalam kondisi aman dari kelebihan beban, maka dirangkaian ini dipasang penyangga trasistor T R6 dan T R 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 781 dengan transistor Kerja transistor, transistor bekerja apabila kaki basis mendapat tegangan dari IC 781. Pada saat mendapatkan trigger dari IC781 maka beban untuk mentrigger Driver/Buffer utama T r1 T r5 dibebankan langsung oleh kedua transistor yaitu T r6 dan T r7, sehingga IC 781 dalam keadaan aman. Kerja Saklar S 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 S 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.. Buffer (penyangga) Buffer pada catu daya repeater ini menggunakan 5 Transistor tipe N3055, 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 4

11 Gambar 3.5 Rangkain buffer catu daya Repeater 1. Kemampuan arus maksimum baffer 5 x 10 a = 50 Ampere. 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 L ini juga dimaksudkan untuk memperbaiki keadaan ripel tegangan bersama-sama dengan C7 dan C8, agar lebih halus mendekati arus DC konstan. 5

12 JURNAL INTAKE---- Vol. 1, Nomor, Oktober 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.. setelah melalui penyearah maka tegangan menjadi 17,7 volt, kemudian melaui filter terjadi ripel x 10-4 %, sehingga naik turunnya tegangan hampi tidak ada karena tegangan ripel sangat kecil sekitar = 0,01036 volt. 3. Tegangan hasil setelah di filter, kemudian sebagi input penstabil IC 781, sehinnga output pada IC ini selalu konstan 1 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 1 volt. Dalam keadaan ini jika saklar S 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 1 volt. 6. Saat saklar S ditekan maka Driver utama 5 transistor mendapatkan trigger pada kaki basis, sehingga transistor aktif, dengan demikian kemampuan catu daya tergantung transformator dan kelima transistor. 6

13 DAFTAR PUSTAKA 1. Data dan Persamaan FET dan Mosfet ; Edisi Revisi pertama ; Penerbit PT Elex Media Komputindo Gramedia ; Jakarta. 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; Wasito Pelajaran Elektronika, Karya Utama, Jakarta Bahan Ajar Listrik & Elektronika, PPPGT Malang 7