MAKALAH PERENCANAAN DAN FABRIKASI ELEKTRONIKPERENCANAAN DAN PEMBUATAN POWER SUPPLY 5-12 VOLT

Disusun oleh:Aditya Putera P (02) Bayu Murti A.W (05) Moh Ubaidillah (15)

PROGRAM STUDI TEKNIK TELEKOMUNIKASI POLITEKNIK NEGERI MALANG

BAB I PENDAHULUAN1.1 LATAR BELAKANG Power Supply (catu daya) merupakan salah satu peralatan yang sering kita jumpai dalam kehidupan sehari-hari, biasanya digunakan sebagai sumber catu daya untuk alat-alat elektronik dengan daya rendah. Oleh sebab itu, kehadiran sebuah Power Supply yang handal sangatlah diperlukan untuk mengoperasikan alat-alat elektronik seperti Transceiver Rig dari Base Station, charger Hp, Komputer dan lain-lain. Catu daya merupakan suatu rangkaian elektronik yang dapat mengubah arus listrik bolak-balik (AC) dari PLN menjadi arus listrik searah (DC) yang nantinya digunakan sabagai sumber tenaga. Pada rangkaian power supply terdiri dari rangkaian penyearah yang menggunakan bridge rectifier dan regulasi tegangan dari PLN menggunakan IC regulator yang sudah ditentukan. 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. Karena pada perkuliahan kami sering mengotak-atik rangkaian digital,maka kami merencanakan pembuatan power supply sebagai power supply praktikum digital yang dilengkapi dengan potensio untuk pengatur tegangan dan arus. Pada dasarnya power supply ini mempunyai konstruksi rangkaian yang hampir sama yaitu terdiri dari trafo, rectifier (penyearah) dan penghalus tegangan. 1.2 RUMUSAN MASALAH 1. Bagaimana menentukan jenis atau karakter Trafo yang akan digunakan ? 2. Bagaimana menentukan penyearah yang akan digunakan? 3.Bagaimana menyusun dan menentukan filter agar keluaran dapat diperhalus ? 4. Bagaimana menentukan regulator agar tegangan dan arus sesuai kebutuhan ?

5. Bagaimana menyusun dan menentukan pengatur tegangan ?

6. Bagaimana model rangkaian konkritnya?

1.3 BATASAN MASALAH Agar perencanaan dan perancangan dari power supply ini mencapai tujuan yang diharapkan, maka oleh sebab itu permasalahannya hanya dibatasi pada beberapa permasalahan sebagai berikut : 1. Tegangan keluaran powe supply adalah berupa tegangan DC (searah). 2. Tegangan keluaran maksimal power supply adalah sebesar 5-12 Volt. 1.4 KONTRIBUSI Dari perencanaan yang kami buat, maka power supply yang kita buat kita gunakan untuk praktikum digital.

BAB II LANDASAN TEORI2.1 TEORI UMUM

Power Supply (catu daya) adalah suatu perangkat yang memasok energi listrik ke satu atau lebih beban listrik. Istilah ini paling sering diterapkan untuk perangkat yang mengubah satu bentuk energi listrik yang lain, meskipun mungkin juga merujuk ke perangkat yang mengkonversi energi bentuk lain (misalnya, mekanis, kimia, surya) menjadi energi listrik. Sebuah catu daya diatur adalah salah satu yang mengontrol tegangan output atau saat ini untuk nilai tertentu, nilai dikendalikan mengadakan hampir konstan, meskipun variasi baik dalam arus beban atau tegangan yang diberikan oleh sumber energi catu daya. Setiap power supply harus memperoleh energi pasokan ke beban, serta setiap energi yang dikonsumsinya ketika melakukan tugas itu, dari sumber energi. Tergantung pada desain, power supply dapat memperoleh energi. BLOK DIAGRAMTRAFO PENYEARAH FILTER

BEBAN

TRANSISTOR

REGULATOR

2.2 TRANSFORMATOR Transformator adalah sebuah alat untuk menaikkan atau menurunkan tegangan bolak-balik (AC). Sebuah transformator memiliki dua kumparan kawat yang dinamakan kumparan primer dan sekunder. Kedua kumparan dapat dijalin satu sama lain (dengan kawat berisolasi) atau kedua kumparan tersebut dapat dihubungkan dengan inti besi yang berfungsi sebagai penguat medan magnet.

Transformator dirancang sedemikian rupa sehingga hamper seluruh fluks magnet yang dihasilkan arus pada kumparan primer dapat masuk pada kumparan sekunder, dan dapat diasumsikan juga bahwa energi yang hilang karena hambatan kumparan dan hysteresis pada besi dapat diabaikan. Jika tegangan AC diberikan pada kumparan primer, perubahan medan magnet yang dihasilkannya akan menginduksi tegangan AC berfrekuensi sama pada kumparan sekunder. Namun,tegangan yang timbul akan berbeda sesuai dengan lilitan pada setiap kumparan dari hukum Faraday. Ns adalah jumlah lilitan pada kumparan sekunder. Np adalah jumlah lilitan pada kumparan primer.Tegangan masukan pada kumparan primer (Vp) juga berhubungan dengan laju Perubahan fluks magnet. Ini terjadi karena perubahan fluks menimbulkan ggl balik, di kumparan primer yang sama besar dengan tegangan yang diberikan Vp jika hambatan di kumparan primer dapat diabaikan(hukum kirchoff). Pada transformator daya masukan pada dasarnya sama dengan daya keluaran. Karena daya P = VI, maka diperoleh

VpIp = VsIs

Kita membagi kedua persamaan ini, dengan asumsi bahwa fluks yang hilang sangat kecil atau tidak ada, untuk memperoleh persamaan di atas adalah persamaan transformator yang menunjukkan hubungan antara tegangan sekunder dengan tegangan primer.

Jika Ns > Np maka didapatkan transformator step-up, Vs > Vp. Jika Ns < Np maka didapatkan transformator step-down, Vs < Vp.

2.2 DIODA / PENYEARAH (RECTIFIER)

Dioda adalah suatu bahan semikonduktor yang dibuat dari bahan yang disebut PN junction yaitu suatu bahan campuran yang terdiri dari bahan positif (tipe P) dan bahan negatif (tipe N). Bahan positif (tipe P) adalah bahan campuran yang terdiri dari germanium atau silicon dengan aluminium yang mempunyai sifat kekurangan elektron dan bersifat positif. Sedangkan, bahan negatif (tipe N) adalah bahan campuran yang terdiri dari germanium atau silicon dengan fosfor yang mempunyai kelebihan elektron dan bersifat negatif. Pada dioda, arus listrik hanya dapat mengalir dari kutub anoda ke kutub katoda sedangkan arus yang mengalir dari katoda akan ditahan oleh bahan katoda. Apabila kutub positif pada baterai dihubungkan dengan yang bermuatan positif (anoda) pada dioda tersebut, sedangkan kutub negative baterai dihubungkan ke yang bermuatan negatif (katoda) pada dioda maka dioda tersebut akan melakukan arus sehingga tidak mempunyai tahanan, atau kalaupun bisa melakukan tahanan pada arus yang mengalir sangat kecil. Sebaliknya, bila kutub positif pada baterai dihubungkan ke katoda dioda dan kutub negatif dihubungkan pada anoda, maka dioda tersebut justru tidak dapat melewatkan arus. Hal ini karena tahanan dari diode tersebut tidak terhingga. Jika diberi tegangan maju (forward bias),dimana tegangan sisi p lebih besar dari sisi n, electron dengan mudah dapat mengalir dari sisi n mengisi kekosongan electron (hole) di sisip. Sebaliknya jika diberi tegangan balik (reverse bias),dapat dipahami tidak ada electron yang dapat mengalir dari sisi n mengisi hole di sisi p karena tegangan potensial di sisi n lebih tinggi Prinsip penyearah (rectifier) yang paling sederhana ditunjukkan pada gambar-1 berikut ini. Transformator diperlukan untuk menurunkan tegangan AC dari jala-jala listrik pada kumparan primernya menjadi tegangan AC yang lebih kecil pada kumparan sekundernya.

gambar 1 : rangkaian penyearah sederhana

Sumber : elektronika dasar catu daya Pada rangkaian ini, dioda berperan untuk hanya meneruskan tegangan positif ke beban RL. 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.

gambar 2 : rangkaian penyearah gelombang penuh Sumber : elektronika dasar catu daya

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.

2.3 KAPASITOR

Kapasitor adalah komponen elektronika yang dapat menyimpan muatan listrik. Struktur sebuah kapasitor terbuat dari 2 buah pelat metal yang dipisahkan oleh suatu bahan dielektrik. Jika kedua ujung plat diberi tegangan listrik, maka muatan-muatan positif akan mengumpul pada salah satu plat dan pada saat yang sama muatan-muatan negatif terkumpul pada ujung satunya. Muatan positif

tidak dapat mengalir menuju ujung kutub negative dan sebaliknya muatan negatif tidak dapat menuju ke ujung kutub positif, karena terpisah oleh bahan dielektrik yang non-konduktif atau isolator. Muatan elektrik ini tersimpan selama tidak ada konduksi pada ujung-ujung kakinya. Untuk suatu kapasitor tertentu,jumlah muatan Q yang didapat oleh setiap pelat sebanding dengan beda potensial

V :Q = CV Kapasitansi C adalah konstanta untuk sebuah kapasitor tertentu dan tidak bergantung pada Q atau V. Nilainya hanya bergantung pada struktur dan dimensi kapasitor itu sendiri. Sebagian besar kapasitor memiliki lembar isolator yang disebut dielektrikum yang diletakkan di antara pelat-pelatnya. hal ini dilakukan untuk beberapa tujuan antara lain, karena tegangan yang lebih tinggi dapat diberikan tanpa adanya muatan yang melewati ruang antar pelat, walaupun tidak secepat udara, dielektrikum terputus (muatan tiba-tiba mulai mengalir melaluinya ketika tegangan cukup tinggi). Disamping itu dielektrikum memungkinkan pelat diletakkan lebih dekat satu sama lain tanpa bersentuhan, sehingga memungkinkan naiknya kapasitansi karena jarak antar pelat lebih kecil.

2.3 REGULATOR 2.3.1 Regulator dengan dioda zener 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.

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.

gambar 6 : regulator zener gambar 7 : regulator zener follower Sumber : elektronika dasar catu daya 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 ........... (7)

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 .........(7)

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. 2.3.2 Regulator IC Regulator Tiga Terminal. Regulator tiga terminal adalah Integrated Voltage Regulator Circuit yang di rancang untuk mempertahankan tegangan outputnya tetap dan mudah untuk irangkai. Keuntungannya adalah : a. Membutuhkan penambahan komponen luar yang sangat sedikit, ukuran kecil b. Mempunyai proteksi terhadap arus hubung singkat. c. Mempunyai automatic thermal shutdown. d. Mempunyai tegangan output yang sangat konstan e. Mempunyai arus rendah f. Mempunyai ripple output yang sangat kecil. g. Pembiyaan rendah Gambar 8 memperlihatkan contoh IC regulator Tegangan Positif tiga terminal MC 7805.

Gambar 8 : bentuk IC regulator dan simbol rangakain

Sumber : Laporan Tugas 3 Praktikum Elektronika Power Supply dengan Adjustable

Seri LM 78XX adalah regulator dengan tiga terminal, dapat diperoleh dengan berbagai tegangan tetap .Beberapa IC regulator mempunyai kode yang dibuat oleh pabrik pembuat komponen sebagai contoh : IC LM.7805 AC Z yang artinya sebagai berikut: LM Linear Monolithic 78L Bagian nomor dasar yang menyatakan tegangan positip 06 Tegangan output

AC Standart ketepatan Z Tipe pembungkus , ZTO-92 Plastic

Seri LM 78XXC dapat diperoleh dalam kemasan TO-3 alamunium , arus keluaran (output) 1A ,boleh lebih asalkan IC regulator dilengkapi dengan pendingin (heat-sink). Regulator LM 78XXC mudah dipakai dan tambahan komponen-komponen ektern tidak banyak . Sifat-sifat IC regulator LM 78XX adalah sebagai berikut : Arus keluaran melebihi 1A Pengamanan pembebanan lebih termik Tidak diperlukan komponen tambahan Ada pengamanan untuk transistor keluaran ( output ) Dapat diperoleh dalam kemasan TO-3 aluminium

Karakteritik Elektrik Tipe Regulator Tegangan

Sumber National Semiconductor , IC linier Regulator Positip Sebagai Sumber Arus. Regulator tegangan positif dimana outputnya dapat diatur antara lain : LM 117 , LM 217 , LM 317 Pada gambar 5.3 diperlihatkan rangkaian IC Positip regulator yang digunakan sebagai sumber arus.

Gambar 9 : regulator tegangan tetap Sumber : Modul pembelajaran rangkaian penyearah Dari rangkaian diatas, tegangan output dihasilkan dari penjumlahan VR1 dan VR2

Tegangan output , V0 = VR1 + VR2 Dimana tegangan UR1 adalah tegangan output IC regulator 7805 yaitu sebesar 5 volt. UR1 IR1 = -------R1 IR2 = IR1 + IQ Tegangan pada R2 adalah : VR2 = IR2 x R2 Pada gambar 9 diperlihatkan rangkaian tegangan output yang diukur dari pembebanan ( R load )

Gambar 9 Regulator Arus Sumber : Modul pembelajaran rangkaian penyearah

VReg IL = -----------R Teganga output adalah U out = IL x R Load Dimana IQ adalah arus pada regulator ,dan U Reg batas tegangan regulator Regulator Tegangan Yang dapat Diatur Konsep baru dalam rangkaian regulator yang tegangan outputnya dapat diatur adalah regulator daya. Regulator tegangan positif dimana outputnya dapat diatur antara lain : LM 117 , LM 217 . + IQ

Regulator LM 317 dapat memberika arus keluaran ( output ) lebih dari 1,5 amper dengan tegangan antara 1,2 volt sampai 37 volt. dan IC LM 350 mampu memberikan arus 3A dan jangkauan t egangan output 1,2 V sampai 33 V. Gambar 10 memberikan dasar rangkaian regulator yang dapat diatur tegangan outputnya.

Gambar 10 regulator teganagan output dapat diatur Sumber : Modul pembelajaran rangkaian penyearah

V Reg Arus regulator adalah I Reg = ------R1 Tegangan output diperoleh dari rumus: V Rreg V out = V Reg + ( -------- + IQ ) R 2 R1 Atau R2 V out = V Reg + ( ----- + 1 ) + IQ R 2 R1 2.4 TRANSISTOR

Transistor sebagai penguat arus. Fungsi lain dari transistor adalah sebagai penguat arus. Karena fungsi ini maka transistor bisa dipakai untuk rangkaian power supply dengan tegangan yang di set. Untuk keperluan ini transistor harus dibias tegangan yang konstan pada basisnya, supaya pada emitor keluar tegangan yang tetap. Biasanya untuk mengatur tegangan basis supaya tetap digunakan sebuah dioda zener.

Gambar 2.6.1 .Transistor Sebagai Penguat Arus Sumber : Pada gambar tampak dua buah regulator dengan polaritas tegangan output yang berbeda. Transistor TR5 (NPN) dipakai untuk regulator tegangan positif dan transistor TR6 (PNP) digunakan untuk regulator tegangan negatif. Tegangan basis pada masing masing transistor dijaga agar nilainya tetap oleh dioda zener D3 dan D4. Dengan demikian tegangan yang keluar pada emitor mempunyai arus sebesar perkalian antara arus basis dan HFE transistor.

BAB III PERENCANAAN3.1 Langkah percobaan / Time schadule Sebelumnya kita akan merencanakan sistem penyedia daya / power supply yang stabil kita akan melakukan langkah-lagkah sesuai dengan waktu sebagi berikut :

No 1 2 3 4 5 6 7 8

Materi Pembuatan Proposal Pengum pulan Proposal & Schedule Melakukan Sim ulasi Rang kaian dengan S oftware Mem persiapkan Alat & Bahan Melakukan Pem otong PC an B Fabrig & Pengeboran asi Perakitan & Pengetesan Laporan Akhir NILAI

Ming I gu Mingg II u Mingg III u Mingg IV u Mingg V u Ming VI gu S S R K J S MS S R K J S MS S R K J S MS S R K J S MS S R K J S MS S R K J S M V V V V V V V V V V V V V V V V V V V V V V V V

3.2 TRAFO Sesuai dengan tujuan dari pembuatan proposal ini, maka trafo yang kami gunakan sesuai atau dalam range tegangan yang direncanakan yaitu 5-12V sehingga kami menggunakan trafo dengan tegangan sekunder 15 Volt 1A untuk pembuatan praktikum digital. 3.3 RECTIFIER Dalam perencanaan ini, rangkaian penyearah terdiri dari rangkaian dioda. Penyearah penuh berfungsi untuk menyearahkan tegangan Ac menjadi dc. 3.4 FILTER / KAPASITOR Sebagai filter kami menggunakan Filter RC yang terdiri dari kapasitor dan resistor. Disini kapasitor akan menyaring frekuensi yang tersisa setelah tegangan melewati rectifier dan untuk memperhalus pada bagian akhir terdapat kapasitor untuk memperhalus riple agar keluaran seperti trgangan DC murni. 3.5 REGULATOR Dalam pembuatan power supply ini kami menggunakan IC LM7805 Fungsinya adalah sebagai voltage regulator untuk membatasi nilai output tegang an agar tidak melebihi batas yang kita inginkan. 3.6 TRANSISTOR Dalam perencanaan pembuatan power supply sebagai alat praktikum digital, kami menggunakan transistor BC547. Transistor dalam rangkaian ini berfungsi mengetahui bila tegangan pada PLN menurun. 3.7 RANGKAIAN POWER SUPPLY Dalam perencanaan pembuatan power supply sesuai dengan tujuan kami yaitu power supply yang diaplikasikan sebagai alat praktikum digital dengan tegangan 5-12V dan arus 1A, rangkaiannya terdiri dari trafo, dioda bridge, kapasitor, transistor , ic regulator dan resistor . a. Gambar Rangkaian

b.

Gambar layout

Vout

Sumber : hand made visio c. Pictorial

VoutC B E

Sumber : hand made visio

BAB IV METODELOGI4.1 Gambar desain

Sumber : handmade livewire

4.2 Proses Pembuatan 1. Alat yang digunakan dalam praktikum kali ini adalah : 1. Transformer 2. Potensiometer 3. Transistor 4. Dioda Bridge 5. Dioda Zener 6. Voltmeter 7. Resistor Beban 8. Ampere Meter 9. Capasitor

2. Langkah Percobaan Merencanakan sistem penyedia daya dengan keluaran 0 -15 Volt DC stabil dengan arus 5 A dari sumber 220 Volt AC dengan Blok diagran blok dari penurun tegangan sampai beban simulai sebagai berikut :

Penstabil dan pengatur

4.3 Perhitungan

BAB V

KESIMPULAN

Desain yang kami gunakan dalam pembuatan power suplly ini mengunakan dioda zener dan lter kapasitor. Penggunaan zener ini dimaksudkan agar saat tegangan masuk break - down atau terjadi sebuah kebocoran di tegangan masuk maka dioda zener bertindak seperti baterai, arus dan tegangan yang keluar akan tetap tidak ada denyutan. Sehingga akan dida - pat tegangan yang konstan/tetap walaupun terjadi kebocoran pada penyearah. Dan apabila arus terus berubah maka dengan dioda zener tegangan akan selalu tetap Penggunaan. filter dimaksudkan agar tegangan outpunya sama dengan tegangan puncak, walaupun dalam simulator multisim terdapat rippel dalam uji osilator. Dan hambatan tevenin bekerja untuk saat zener tidak bekerja arus akan tetap dibatasi oleh tahanan.