Teknik Elektro: DISCRETE TRANSISTOR VOLTAGE REGULATION

A. Tujuan

Untuk memberikan tegangan keluaran yang diatur atau dipertahankan pada nilai yang ditetapkan bahkan jika tegangan input bervariasi atau jika beban yang terhubung ke perubahan output.

B. Komponen

a. Resistor

b. Transistor

c. Ground

d. Diode zener

e. Op-Amp

f. Voltmeter

a. Resistor
Resistor berfungsi sebagai pengatur dalam membatasi jumlah arus yang mengalir dalam suatu rangkaian, menahan sebagian arus listrik agar sesuai dengan kebutuhan suatu rangkaian elektronika, danmenurunkan tegangan sesuai dengan yang dibutuhkan oleh rangkaian elektronika.

b. Transistor

Transistor NPN mengalirkan arus negatif dari emitor menuju ke kolektor. Emitor berperan sebagai input dan kolektor berperan sebagai output apabila transistor tersebut diberikan arus positif pada basisnya.

c. Ground

Ground berfungsi sebagai penghantar arus listrik langsung ke bumi atau tanah saat terjadi kebocoran isolasi atau percikan api pada konsleting

d. Diode zener

Dioda Zener adalah diode yang memiliki karakteristik menyalurkan arus listrik mengalir ke arah yang berlawanan jika tegangan yang diberikan melampaui batas "tegangan tembus" (breakdown voltage) atau "tegangan Zener". Ini berlainan dari diode biasa yang hanya menyalurkan arus listrik ke satu arah.

e. Op-Amp

Fungsi dari Op-amp adalah sebagai pengindra dan penguat sinyal masukan baik DC maupun AC juga sebagai penguat diferensiasi impedansi masukan tinggi, penguat keluaran impedansi rendah.

f. Voltmeter

Voltmeter merupakan alat ukur yang berfungsi untuk mengukur besar tegangan listrik yang ada di suatu rangkaian listrik.

C. Dasar Teori

Series Voltage Regulation

Koneksi dasar rangkaian regulator seri ditunjukkan pada diagram blok pada Gambar 19.12. Elemen seri mengontrol jumlah tegangan input yang masuk ke output. Tegangan keluaran disampel oleh suatu rangkaian yang memberikan tegangan umpan balik untuk dibandingkan dengan tegangan referensi.

Gambar 19.12 Diagram Blok Peraturan Seri

Series Regulator Circuit

Rangkaian regulator seri sederhana ditunjukkan pada Gambar. 19.13. Transistor Q₁ adalah elemen kontrol seri, dan Zener diode D_Z menyediakan tegangan referensi.

Gambar 19.13 Rangkaian Peraturan Seri

Improved Series Regulator

Rangkaian regulator seri yang ditingkatkan ditunjukkan pada Gambar. 19.15. Resistor R1 dan R2 bertindak sebagai sirkuit pengambilan sampel, dengan Zener diode D_Z memberikan tegangan referensi, dan transistor Q₂ kemudian mengontrol arus basis ke transistor Q₁ untuk memvariasikan arus yang dilewati oleh transistor Q₁ untuk menjaga tegangan output konstan.

Gambar 19.15 Rangkaian Improved Series Regulator

Tegangan output dari rangkaian dapat dicari dengan

Persamaan 19.17

Op-Amp Series Regulator

Versi lain dari regulator seri adalah yang ditunjukkan pada Gambar. 19.16. Op-amp membandingkan tegangan referensi dioda Zener dengan tegangan umpan balik dari resistor penginderaan R₁ dan R₂. Jika tegangan output bervariasi, konduksi transistor Q₁ dikontrol untuk mempertahankan tegangan output konstan. Tegangan output akan dipertahankan pada nilai

Persamaan 19.18

Gambar 19.16 Rangkaian Op-Amp Series Regulator

Current Limiting Circuit

Salah satu bentuk rangkaian short atau kelebihan beban adalah pembatasan arus, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 19.18. Dengan meningkatnya arus beban I_L, tegangan jatuh melintasi resistor hubung singkat R_SC meningkat. Ketika tegangan drop di R_SC menjadi cukup besar, itu akan mendorong Q₂ aktif, mengalihkan arus dari basis transistor Q₁, sehingga mengurangi arus beban melalui transistor Q₁, mencegah setiap arus tambahan untuk memuat R_L. Tindakan komponen R_SC dan Q₂ memberikan pembatasan arus beban maksimum.

Gambar 19.18 Rangkaian Current-Limiting

Foldback Limiting

Foldback Limiting disediakan oleh jaringan pembagi tegangan tambahan R₄ dan R₅ di rangkaian pada Gambar 19.19. Rangkaian pembagi merasakan tegangan pada keluaran (emitor) Q₁. Ketika I_L meningkat ke nilai maksimumnya, tegangan melintasi R_SC menjadi cukup besar untuk mendorong Q₂ menjadi aktif, sehingga memberikan batasan arus. Jika tahanan beban dibuat lebih kecil, tegangan yang mendorong Q₂ menjadi lebih sedikit, sehingga I_L turun ketika V_L juga turun nilainya, tindakan ini menjadi foldback limting. Ketika tahanan beban dikembalikan ke nilai pengenalnya, rangkaian melanjutkan kembali aksi pengaturan voltasinya.

Gambar 19.19 Rangkaian Foldback Limiting

Shunt Voltage Regulation

Regulator tegangan shunt memberikan pengaturan dengan menyalurkan arus menjauh dari beban untuk mengatur tegangan output. Gambar 19.20 menunjukkan diagram blok regulator tegangan. Tegangan input yang tidak diatur memberikan arus ke beban. Beberapa arus ditarik oleh elemen kontrol untuk mempertahankan tegangan output yang diatur melintasi beban. Jika tegangan beban mencoba berubah karena perubahan beban, rangkaian pengambilan sampel memberikan sinyal umpan balik ke pembanding, yang kemudian memberikan sinyal kontrol untuk memvariasikan jumlah arus yang menjauh dari beban. Sebagai tegangan output mencoba untuk menjadi lebih besar, misalnya, sirkuit pengambilan sampel memberikan sinyal umpan balik ke sirkuit komparator, yang kemudian memberikan sinyal kontrol untuk menarik peningkatan arus shunt, memberikan lebih sedikit arus beban, sehingga menjaga tegangan yang diatur dari naik.

Gambar 19.20 Diagram Blok Shunt Voltage Regulator

Basic Transistor Shunt Regulator

Rangkaian regulator shunt dasar ditunjukkan pada Gambar. 19.21. Resistor R_S menjatuhkan tegangan yang tidak diatur dengan jumlah yang tergantung pada arus yang disuplai ke beban R_L. Tegangan melintasi beban diatur oleh dioda Zener dan tegangan basis-emitor transistor. Jika resistansi beban menurun, arus drive yang berkurang ke dasar hasil Q₁, mengurangi arus kolektor. Arus beban dengan demikian lebih besar, sehingga mempertahankan tegangan yang diatur melintasi beban.

Gambar 19.21 Transistor Shunt Voltage Regulator

Improved Shunt Regulator

Rangkaian Gambar 19.23 menunjukkan rangkaian regulator tegangan shunt yang ditingkatkan. Dioda Zener memberikan tegangan referensi sehingga tegangan melintasi R₁ merasakan tegangan output. Ketika tegangan keluaran mencoba berubah, arus yang dihubung-hubungkan oleh transistor Q₁ bervariasi untuk menjaga tegangan keluaran konstan. Transistor Q₂ memberikan arus basis yang lebih besar ke transistor Q₁ daripada rangkaian Gambar 19.21, sehingga regulator menangani arus beban yang lebih besar. Tegangan output diatur oleh tegangan Zener dan yang melintasi dua basis transistor-emitor.

Gambar 19.23 Rangkaian Improved Shunt Voltage Regulator

Shunt Voltage Regulator Using Op-Amp

Gambar 19.24 menunjukkan versi lain dari pengatur tegangan shunt menggunakan op-amp sebagai pembanding tegangan. Tegangan Zener dibandingkan dengan tegangan umpan balik yang diperoleh dari pembagi tegangan R1 dan R2 untuk menyediakan arus drive kontrol ke elemen shunt Q1. Arus melalui resistor RS dengan demikian dikendalikan untuk menjatuhkan tegangan melintasi RS sehingga tegangan output dipertahankan.

Gambar 19.24 Shunt Voltage Regulator Using Op-Amp

Switching Regulation

Jenis rangkaian regulator yang cukup populer untuk transfer daya yang efisien ke beban adalah regulator switching. Pada dasarnya, regulator switching melewatkan tegangan ke beban dalam pulsa, yang kemudian disaring untuk memberikan tegangan dc yang halus. Gambar 19.25 menunjukkan komponen dasar dari pengatur tegangan tersebut. Kompleksitas rangkaian yang ditambahkan sangat sesuai dengan peningkatan efisiensi operasi yang diperoleh.

Gambar 19.25 Diagram Blok Voltage Regulator Tiga Terminal

D. Prinsip Kerja Rangkaian

Dua jenis regulator tegangan transistor adalah regulator tegangan seri dan regulator tegangan shunt. Setiap jenis sirkuit dapat memberikan tegangan dc keluaran yang diatur atau dipertahankan pada nilai yang ditetapkan bahkan jika tegangan input bervariasi atau jika beban yang terhubung ke output berubah.

Jika tegangan output meningkat, rangkaian komparator memberikan sinyal kontrol untuk menyebabkan elemen kontrol seri mengurangi jumlah tegangan output, dengan demikian mempertahankan tegangan output.

Jika tegangan output berkurang, rangkaian pembanding memberikan sinyal kontrol untuk menyebabkan elemen kontrol seri meningkatkan jumlah tegangan output.