PENGATUR TEGANGAN (VOLTAGE REGULATOR)

PENDAHULUAN

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 catu daya 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) danpengatur 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.

1.       PENGATURAN TEGANGAN (VOLTAGE REGULATIONS)

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.

Line Regulation

Ketika tegangan masukan DC berubah-ubah, pengatur tegangan (voltage regulator) harus mempertahankan tegangan keluaran, seperti digambarkan pada gambar 1.

Gambar 1. Pengaturan Garis. Suatu perubahan tegangan masukan DC tidak  mempengaruhi tegangan keluaran suatu pengatur tegangan ( di dalam batas tertentu).

Pengaturan Garis dapat digambarkan sebagai persentase perubahan tegangan keluaran terhadap perubahan yang terjadi pada tegangan masukan. Pada umumnya dinyatakan dalam % / V. Sebagai contoh, sebuah regulator tegangan mempunyai pengaturan garis 0,05%/V berarti  bahwa tegangan keluaran ber;ubah 0,05 persen ketika tegangan masukan meningkat atau berkurang  dengan satu volt.

Load Regulation

Ketika arus yang mengalir melalui beban berubah akibat perubahan beban, regulator tegangan haruslah tetap mempertahankan tegangan keluaran pada beban agar tidak berubah (tetap).

Pengaturan beban dapat dinyatakan sebagai persentase perubahan tegangan keluaran untuk setiap perubahan arus beban. Pengaturan beban juga dapat dinyatakan sebagai persentase perubahan dari tegangan keluaran tanpa beban (TB) ke tegangan keluaran dengan beban penuh (BP).

Gambar 2. Pengaturan beban. Suatu perubahan pada arus beban tidak mempengaruhi tegangan keluaran.

Pengaturan beban dapat juga dinyatakan sebagai persentasi perubahan tegangan keluaran terhadap perubahan setiap mA arus pada beban. Sebagai contoh, regulator tegangan mempunyai Load Regulation 0,01% / mA, berarti bahwa tegangan keluaran berubah 0,01 persen ketika arus beban meningkat atau berkurang 1 mA.

2.       DASAR PENGATUR TEGANGAN SERI

Dasar pengatur tegangan ada dua, yang pertama pengatur linier (linear regulators) dan yang kedua adalah pengatur tersaklar (switching regulators). Keduanya tersedia dalam bentuk IC. Ada dua jenis pengatur linier. pertama adalah pengatur tegangan seri dan yang kedua  adalah pengatur tegangan parallel.

Gambaran sederhana dari pengatur tegangan seri ditunjukkan pada gambar blok diagram berikut ini.

Gambar 3. Diagram blok pengatur tegangan seri

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 V_IN atau bertambahnya arus beban I_L, maka tegangan pada masukan inverting (-) dari Op-Amp (sebagai error detector) juga akan turun yang disebabkan oleh penurunan tegangan pada resistor pembagi tegangan. Diode zener yang digunakan sebagai masukan pada masukan Non-inverting (+) dari Op-Amp, juga bertindak sebagai tegangan acuan atau V_REF, 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 V_OUT juga naik sampai tegangan pada masukan inverting (-) sama dengan tegangan V_REF. 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.

Gambar 4. Rangkaian dasar pengatur tegangan seri

PERLINDUNGAN TERHADAP HUBUNG-SINGKAT ATAU BEBAN LEBIH

Jika jumlah arus beban yang ditarik berlebihan, transistor pelintas arus dapat dengan cepat akan rusak. Salah satu metode untuk membatasi arus atau mencegah terhadap beban lebih disebut constant current limiting . Rangkaiannya terdiri dari Q₂ dan R₄.

Arus beban yang melintas R₄ membangkitkan tegangan dari Basis ke Emitor dari Q₂. Ketika arus beban I_Lbertambah sampai dengan nilai maksimum yang telah ditentukan, tegangan jatuh pada R₄ cukup untuk membias maju Basis – Emitor transistor Q₂, akibatnya Q₂ menghantar. Selanjutnya arus Basis Q₁ dialihkan ke Kolektor dari Q₂ dengan demikian I_L dibatasi pada nilai maksimumnya.

Gambar 6. Pengatur tegangan seri dengan pembatas arus

3.       DASAR PENGATUR TEGANGAN PARALEL

Pengatur tegangan parallel menempatkan transistor, sebagai elemen kontrol, parallel terhadap beban. Gambaran sederhana dari pengatur tegangan parallel ditunjukkan pada gambar blok diagram berikut ini.

Gambar 7. Diagram blok pengatur tegangan paralel

Rangkaian dasar pengatur tegangan parallel ditunjukkan pada gambar 8. Operasi rangkaian ini mirip dengan pengatur tegangan seri. Ketika tegangan keluaran turun yang dapat disebabkan oleh perubahan tegangan V_INatau arus beban. Penurunan ini disensor oleh R₃ dan R₄ dan dikirim ke masukan Non-inverting (+) dari Op-Amp. Selisih tegangan ini akan mengurangi tegangan keluaran Op-Amp, akibatnya mengurangi dorongan ke transistor Q₁, sehingga arus kolektor akan berkurang dan secara efektif menaikkan nilai resistansi kolektor-emitor r_CE .r_CE yang bertindak sebagai pembagi tegangan bersama R₁ .Dengan tindakan ini V_OUT akan dipertahankan tetap konstan. Hal yang sama jika tegangan keluaran naik.

4. PENGATUR TEGANGAN IC 78 XX

IC 78XX adalah regulator tegangan positif dengan tiga terminal, masing-masing input, Ground dan output. IC 78XX tersedia untuk beberapa nilai tegangan keluaran seperti terlihat pada tabel 1.

Type	VOUT (Volt)	IOUT (A)			VIN (Volt)
		78XXC	78LXX	78MXX	Min	Maks
7805	5	1	0,1	0,5	7,5	20
7806	6	1	0,1	0,5	8,6	21
7808	8	1	0,1	0,5	10,5	23
7809	9	1	0,1	0,5	11,5	24
7810	10	1	0,1	0,5	12,5	25
7812	12	1	0,1	0,5	14,5	27
7815	15	1	0,1	0,5	17,5	30
7818	18	1	0,1	0,5	21	33
7824	24	1	0,1	0,5	27	38

Meskipun semula dirancang untuk regulator tegangan tetap, namun regulator ini dapat dikembangkan untuk tegangan dan arus yang dapat diatur.

Rangkaian dasar 78XX ditunjukkan gambar 10, untuk tegangan dan arus output sesuai nilai nominalnya.

Gambar 10. Rangkaian dasar regulator 78XX

C1 diperlukan jika regulator jauh dari Kapasitor Filter pencatu daya sedangkan C2 diperlukan untuk memperbaiki tanggapan kilasan dan penindasan kerut (trancient response).

Dalam penerapannya, tegangan masukan V_IN harus lebih besar dari tegangan keluaran (lihat tabel 1) jika kurang maka regulator tidak berfungsi tetapi bila melebihi nilai V_IN maksimumnya dapat merusak regulator.

MENGGUNAKAN TRANSISTOR EKSTERNAL UNTUK MENAIKKAN ARUS KELUARAN

Seperti diketahui, regulator hanya dapat mencatu arus ke beban maksimum sebesar nilai nominalnya, misalnya 78LXX arus output maksimumnya 100 mA, dan sebagainya. Tetapi seringkali dalam penerapannya dibutuhkan suatu regulator dengan kemampuan mencatu arus ke beban yang lebih besar dari kemampuan maksimumnya, misalnya 2,5 A.

Untuk keperluan tersebut, dapat ditambahkan sebuah transistor yang digunakan sebagai pelintas arus (Current Pass), sehingga arus yang lebih besar akan mengalir pada keluarannya. Rangkaian selengkapnya untuk pemasangan transistor eksternal ini ditunjukkan pada gambar 11.

Gambar 11. Regulator 78XX dengan transistor eksternal