BAB I

PENDAHULUAN

1.1 LATAR BELAKANG

Untuk dapat merancang sebuah Power Supply yang memiliki tegangan keluaran

yang presisi, stabil dan bervariasi tentunya diperlukan analisa yang cukup teliti dalam

merangkai tiap-tiap komponen pembentuk rangkaian Power Supply itu sendiri. Hal

ini diperlukan mengingat banyak Power Supply yang beredar dipasaran masih banyak

memiliki keterbatasan dalam permasalahan presisi dan variasi keluaran tegangan,

sehingga pengguna sulit menggunakan untuk pengukuran-pengukuran yang

membutuhkan tingkat presisi yang baik dan variasi yang banyak, seperti untuk

keperluan penelitian dan kegiatan laboratorium.

Untuk itu dalam tugas ini dirancang sebuah catudaya atau power supply dengan

tingkat akurasi yang baik dan nilai tegangan yang lebih bervariasi, penggunaan IC

regulator adalah salah satu hal yang sangat penting untuk mendapatkan kondisi yang

dimasksud.

Power supply variable ini diharapkan mampu digunakan dalam kegiatan

pengkuran dan keperluan laboratorium yang membutuhkan tingkat presisi yang baik

dan variasi tegangan yang banyak.

1.2 RUMUSAN MASALAH

Dari latar belakang yang telah diungkapkan tersebut maka dapat diperoleh

beberapa permasalahan, diantaranya sebagai berikut:

1. Bagaimana menentukan tegangan belitan sekuder dari transformator.

2. Bagaimana membuat rangkaian diode bridge untuk penyearah gelombang

penuh.

3. Bagaimana menentukan nilai kapasitansi untuk menghasilkan tegangan

keluaran rangakain Power Supply yang tidak berubah-ubah.

4. Bagaimana memilih IC Regulator yang sesuai untuk menghasilkan tegangan

keluaran yang mendukung range tegangan yang diinginkan.

5. Bagaimana menentukan nilai resistor untuk memvariasikan nilai tegangan

keluaran rangkaian Power Supply.

1.3 TUJUAN

Pembuatan tugas ini bertujuan untuk mesimulasikan sebuah rangakain power

supply dapat disesuaikan tingkat presisi dan variasi tegangannya dapat disesuaikan

dengan keinginan dan kebutuhan dalam pengkuran.

Disamping itu juga untuk menganalisa secara tertulis sebuah rangkaian power

suplly agar keluaran yang dihasilkan dari simulasi dan perhitungan telah sesuai.

1.4 METODELOGI

Metode yang digunakan dalam penulisan Tugas Akhir ini adalah sebagai berikut:

1. Studi literatur, dengan membaca buku-buku, artikel, serta pencarian informasi melalui

media internet, seperti informasi tentang transformator, penyearah, dan regulator

tegangan.

2. Persiapan alat dan bahan, yaitu berupa komputer dan software simulasi rangakaian

lektronika yang mendukung rangakain power supply variable.

3. Perancangan simulasi sistem, yaitu perancangan sebuah sistem beserta simulasinya

dengan menggunakan multisim 11.

4. Pengujian hasl simulasi rangakain power supply.

5. Penulisan laporan yang meliputi uraian hasil penelitian yang diperoleh sesuai dengan

simulasi dan pengujian yang telah dilakukan, serta kesimpulan.

1.5 SISTEMATIKA PENULISAN

Sistematika penulisan laporan ini terdiri atas beberapa bab dengan masing-masing

bab memiliki sub bab tersendiri. Adapun sistematika penulisannya sebagai berikut:

BAB I PENDAHULUAN

Berisi latar belakang, permasalahan, tujuan, metode penelitian dan sistematika

penulisan.

BAB II TINJAUAN KEPUSTAKAAN

Bab ini berisi teori-teori yang berkaitan dengan masalah yang sedang dibahas,

meliputi teori tentang transformator, penyearaha, dan IC regulator, serta teori lain yang

mendukung peranccangn simulasi rangkaian power supply variabel ini.

BAB III METODOLOGI

Bab ini membahas tentang tahapan perancangan simulasi, komponen-komponen akan

di analisa, serta pengukuran.

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN

Bab ini berisi hasil dan analisis hasil pengujian kinerja pengontrolan tempat parkir.

BAB V PENUTUP

Bab ini berisi kesimpulan dari pembahasan laporan.

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 POWER SUPPLY LINEAR

2.1.1 Prinsip Kerja Power Supply Linear

Perangkat elektronika mestinya dicatu oleh suplai arus searah DC (direct current)

yang stabil agar dapat bekerja dengan baik. Baterai atau accu adalah sumber Power Supply

DC yang paling baik. Namun untuk aplikasi yang membutuhkan Power Supply lebih besar,

sumber dari baterai tidak cukup. Sumber Power Supply yang besar adalah sumber bolak-

balik AC (alternating current) dari pembangkit tenaga listrik. Untuk itu diperlukan suatu

perangkat Power Supply yang dapat mengubah arus AC menjadi DC. Pada tulisan kali ini

disajikan prinsip rangkaian Power Supply linier mulai dari rangkaian penyearah yang paling

sederhana sampai pada Power Supply yang teregulasi.

2.2 PENYEARAH (RECTIFIER)

Prinsip penyearah (rectifier) yang paling sederhana ditunjukkan pada gambar 2.1

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.

Gambar 2.1 Rangkaian penyearah sederhana

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 2.2.

Gambar 2.2 Rangkaian penyearah gelombang penuh

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 2. 3 Rangkaian penyearah setengah gelombang dengan filter C

Gambar diatas 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 2.4 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.

gambar 2.4 Bentuk gelombang dengan filter 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

(Vr) 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 tegangan 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 frekuensi 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 2.2. Bisa juga dengan menggunakan transformator yang

tanpa CT, tetapi dengan merangkai 4 dioda seperti pada gambar 2.5 berikut ini.

gambar 2.5 Rangkaian penyearah gelombang penuh dengan filter C

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 Power Supply. Anda barangkali sekarang paham

mengapa rangkaian audio yang anda buat mendengung, coba periksa kembali rangkaian

penyearah Power Supply 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.

2.2 REGULATOR TEGANGAN

Pengatur tegangan (voltage regulator) berfungsi menyediakan suatu tegangan

keluaran dc tetap yang tidak dipengaruhi oleh perubahan tegangan masukan, arus beban

keluaran, dan suhu. Pengatur tegangan adalah salah satu bagian dari rangkaian Power Supply

DC. Dimana tegangan masukannya berasal dari tegangan keluaran filter, setelah melalui

proses penyearahan tegangan AC menjadi DC.

Pengatur tegangan dikelompokkan dalam dua kategori, pengatur linier dan switching

regulator. yang termasuk dalam kategori pengatur linier, dua jenis yang umum adalah

pengatur tegangan seri (Series Regulator) dan pengatur tegangan parallel (Shunt

Regualtors). Dua jenis pengatur di atas dapat diperoleh untuk keluaran tegangan positif

maupun negatif. Sedangkan untuk switching regulator terdapat tiga jenis konfiguarsi yaitu,

step-up, step-down dan inverting.

2.2.1 Pengaturan Tegangan

Dua kategori dasar pengaturan tegangan adalah pengaturan garis (Line Regulation) dan

pengaturan beban (Load Regulation). Pengaturan garis adalah kemampuan pengatur

tegangan (voltage regulator) untuk tetap memepertahankan tegangan keluaran ketika

tegangan masukan berubah-ubah. Pengaturan Beban kemampuan untuk tetap

mempertahankan tegangan keluaran ketika beban bervariasi.

2.2.2 Cara Kerja Pengaturan Tegangan

Rangkaian dasar pengatur tegangan seri ditunjukkan pada gambar 4. Sedangkan cara

kerjanya ditunjukkan pada gambar 5. Resistor pembagi tegangan dibentuk oleh R2 dan R3

yang bertindak sebagai sensor bila terjadi perubahan tegangan keluaran. Jika tegangan

keluaran turun yang disebabkan oleh penurunan tegangan masukan VIN atau bertambahnya

arus beban IL, maka tegangan pada masukan inverting (-) dari Op-Amp (sebagai error

detector) juga akan turun yang disebabkan oleh penurunan tegangan pada resistor pembagi

tegangan.

Gambar 2.6 Cara Kerja Regulator tegangan

Diode zener yang digunakan sebagai masukan pada masukan Non-inverting (+) dari

Op-Amp, juga bertindak sebagai tegangan acuan atau VREF, yang nilainya tetap. Selisih

tegangan yang ada pada kedua masukan Op-Amp akan diperkuat, sehingga keluaran Op-

Amp pun akan bertambah, demikian pula tegangan pada Basis dari transistor Q1, akibatnya

tegangan pada Emittor Q1 atau VOUT juga naik sampai tegangan pada masukan inverting (-)

sama dengan tegangan VREF. Tindakan ini akan menghindari penurunan tegangan pada

keluaran dan mejaga tetap kontan. Transistor Q1 adalah power transistor yang diberi penyerap

panas (heatsink) karena transistor ini harus melalukan semua arus yang mengalir ke beban.

BAB III

METODOLOGI

3.1 TAHAPAN PERANCANGAN ( DIAGRAM ALIR )

Gambar 3.1 Tahapan perancangan

Tahap perancangan power supply ini dimulai dengan studi literature yaitu mencari teori-

teori tentang Trasformator, penyearah dan regulator tegangan, untuk transformator digunakan

transformator linear, penyearah berupa rangakain diode bridge dan regulator tegangan

digunakan IC regulator LM 317 dan 117.

mulai

Studi Literatur

Studi Literatur

Persiapan Alat

& Bahan

Simulasi

Pengujian

Penulisan

Laporan

Hasil

Setelah melakukan studi literatur maka selanjutnya adalah menyiapkan alat dan bahan yaitu

berupa komputer dan software simulasi rangakian elektronika, digunakan software simulasi

Multisim 11, setelah itu baru dilakukan prancagan berupa simulasi untukdapatkan hasil

pengukuran yang diinginkan dan stelah diperoleh hasil maka dilakukan pengujian dan

pembuktian dengan perhitungan, tahap terakhir adalah menulis laporan.

3.2 PERANCANGAN UMUM POWER SUPPLY

Blok diagram power supply secara umum pada perancangan ini dapat dilihat pada Gambar

3.2.

Gambar 3.2 Diagram blok perancangan power supply

Prinsip kerja rangkaian power supply mengubavariable seperti yang ditunjukan pada blok

diagram adalah mengubah sumber tegangan AC menjadi DC dengan tegangan keluaran yang

dapat divariasikan, sumber tegangan AC dari jala-jala sebesar diturunkan tegangannya dengan

menggunakan transfomator, setelah itu diserahakan oleh rangakain peyearah berupa diode

bridge, selanjutnya masuk ke regulator untuk proses reguasi tegangan dan terakhir didapat

keluaran DC yang bervariasi.

PENYEARAH REGULATOR KELUARAN

DC SUMBER

AC

TRANSFORM

ATOR

BAB IV

HASIL DAN PEMBAHASAN

2.1 Simulasi Rangkaian Power Supply di Multisim 11

2.1.1 Pengujian Tegangan Output Transformator

Sebelum merangkai rangkaian power supply terlebih dahulu kita menguji rangkaian

sumber tegangan AC yang akan menjadi input ke diode bridge.

Dimana tegangan dari jala-jalan adalah sebesar 220VAC dengan Frekuensi 60 Hz.

Kemudian dihubungkan dengan Transformator dengan pengaturan Primary-to-Secondary

Turns Ratio sebesar 7.3 seperti tampak pada gambar berikut ini:

Gambar 4. 1. Rangakain penguji output transformator (a), pengaturan Turns ratio transformator (b)

Langkah selanjutnya adalah pengaturan nilai Turns ratio antara kumparan primer dan

sekunder, nilai ini menunjukkan ratio perbandingan antara kuparan primer dan sekunder

transformator, Turns ratio diberikan sebesar 7.3, hal ini bertujuan untuk memperoleh nilai Vout

dari kumparan sekunder transformator sebesar 30VAC, nilai ini dapat kita hitung dengan

persamaan:

V2=V1/TR

V2= Tegangan kumparan sekunder

V1= Tegangan kumparan primer

TR= Nilai Turns Ratio kumparan primer ke sekunder

Berikut adalah hasil pengkuran tegangan output pada kumparan sekunder

transformator:

Dengan Perhitungan:

V2=V1/TR=220/7.3=30.134V

Gambar 4.2. Hasil ukur tegangan output kumparan sekunder

Berikut adalah rangakain lengkap Power Supply Variabel menggunakan IC regulator

LM317LZ:

Gambar 1 : Rangkaian Power Supply Variabel dengan IC Regulator LM317LZ

Setelah mendapatkan Vout 30VAC dari transformator maka, tegangan akan disearahkan

menggunakan 4 buah diode yang disebut diode bridge, selanjutnya keluaran dari diode bridge

akan masuk ke pin Vin LM317LZ. Selanjutnya dalam rangkaian ditambahkan dua buah

kapasitor yaitu kapasitor keramik sebesar 0.1µF yang dipasang parallel di kaki Vin regulator

dan elco pada kaki Vout regulator. Kedua kapasitor ini berfungsi sebagai penstabil tegangan

keluaran dari rangkaian, lihat gambar:

Selanjutnya seperti tampak pada gambar diatas resistor (R1)dipasang pada kaki Vout

dan potensiometer (R2) pada kaki ADJ LM317LZ, kedua komponen ini berfungsi sebagai

pengatur range tegangan output dari rangakain power supply, sehingga output dari rangkaian

dapat divariasikan, persamaan yang dipakai adalah:

Vout= Vreff (1+R2/R1)+IADJ R2, dimana Vreff=1.25V

dalam rangakain ini tegangan output rangkaian power supply divariasi mulai dari 1.5VDC

sampai dengan 30VDC.

Untuk Arus digunakan rangkaian terpisah menggunakan IC Regulator LM117 karena

IC ini mampu bekerja untuk menghasilkan Arus keluaran mencapai satuan ampere. Berikut

adalah konfigurasi IC LM117 untuk pengaturan Arus:

Dimana kapasitor yang dipasang di kaki Vin Regulator berfungsi sebagai pengatur

arus keluar agar tetap stabil, tidak naik-turun dan resistor berfungsi sebagai pengatur besar

kecilnya arus keluaran dari regulator, berikut adalah rangkaian pengatur arus dengan IC

LM117H:

Berikut adalah hasil pengukuran variasi tegangan output rangkaian power supply

variable yang telah dirancang:

Potensiometer Vout

1 1% 1.5

2 3% 2

3 5% 2.5

4 5% 3

5 6% 3.5

6 27% 10

7 60% 20

8 79% 25

9 99% 30

10 100% 30.3

Berikut beberapa lampiran capture gambar hasil pengukuran:

Pada saat kenaikan nilai potensiometer 1%, Vout bernilai 1.5VDC

Perhitungan: Vout= Vreff (1+R2/R1)+IADJ R2=1.25V(1+0.031ohm/128ohm)+50uA*0.031ohm=1.25VDC

Pada saat kenaikan nilai potensiometer 3%, Vout bernilai 2VDC

Perhitungan:

Vout = Vreff (1+R2/R1)+IADJ R2

= 1.25V(1+93ohm/128ohm)+50uA*93ohm=2VDC

Pada saat kenaikan nilai potensiometer 5%, Vout bernilai 2,5VDC

Perhitungan:

Vout = Vreff (1+R2/R1)+IADJ R2

= 1.25V(1+155ohm/128ohm)+50uA*155ohm=2.6VDC

Pada saat kenaikan nilai potensiometer 27%, Vout bernilai 10VDC

Pada saat kenaikan nilai potensiometer 43%, Vout bernilai 15VDC

Perhitungan:

Vout = Vreff (1+R2/R1)+IADJ R2

= 1.25V(1+837ohm/128ohm)+50uA*837ohm=13VDC

Pada saat kenaikan nilai potensiometer 100%, Vout bernilai 30VDC

Perhitungan: Vout= Vreff (1+R2/R1)+IADJ R2= 1.25V(1+3100ohm/128ohm)+50uA*3100ohm=3.1VDC

Hasil pengukuran Kuat Arus Rangkaian Cuurent Regulator IC LM117H menggunakan

Multisim 11:

Potensiometer Iout (A)

1 0% 2.73

2 1% 1.06

3 26% 0.50

4 33% 0.40

5 44% 0.30

6 66% 0.20

7 100% 0.10

Pada saat ken aikan nilai potensiometer 0% & beban sebesar 10ohm, Vout bernilai 2.7A

Pada saat ken aikan nilai potensiometer 1% & beban sebesar 10ohm, Vout bernilai 1.06 A

BAB V

PENUTUP

4.1 KESIMPULAN

1. Untuk menghitung nilai tegangan sekunder trafo jika diketahui jumlah lilitan

maka digunakan persamaan:

2. Jika tidak diketahui jumlah lilitan maka digunakan persamaan: V2=V1/TR

3. Dioda Bridge digunakan sebagai rangkaian penyearah gelombang penuh.

4. Kapasitor dalam rangkaian berfungsi untuk memperoleh tegangan keluaran

yang stabil, tidak berubah-ubah.

5. Resistor dan potensiometer digunakan untuk menagtur range tegangan keluaran

agar didapat nilai yang bervariasi.

6. Persamaan untuk menghitung nilai tegangan keluaran adalah:

Vout = Vreff (1+R2/R1)+IADJ R2

7. Regulator tegangan LM 317LZ memilingi rang tegangan keluaran mulai

1.2Vdc sampai dengan 37Vdc, dengan kuat arus maksimal 100mA.

8. Regulator tegangan LM 117H memilingi range tegangan keluaran mulai

1.2Vdc sampai dengan 37Vdc, dengan kuat arus mencapai 2.7 mA.

9. Regulator Arus dan Regulator Tegangan dibuat dalam rangkaian yang berbeda

untuk menghindari kesalahan akibat efek beban dalam rangkaian.

10. Nilai arus dan tegangan saling berbanding lurus dan berbanding terbalik

dengan nilai tahanan.