Catu Daya Dengan Output -5V dan +5V

Abdul Rauf¹

¹Mahasiswa S-1 Jurusan Teknik Elektro Universitas Gunadarma, Depok

Abstrak

Catu daya atau power supply merupakan suatu rangkaian elektronik yang mengubah arus listrik bolak-balik menjadi arus listrik searah.  Hampir semua peralatan elektronik membutuhkan catudaya agar dapat berfungsi. Beberapa radio atau tape kecil menggunakan baterai sebagai sumber tenaga namun sebagian besar menggunakan listrik PLN sebagai sumber tenaganya. Untuk itu dibutuhkan suatu rangkaian yang dapat mengubah arus listrik bolak-balik dari PLN menjadi arus listrik searah. Ada banyak jenis atau variasi rangkaian Catu Daya dengan segala kelebihan dan kekurangannya. Namun secara prinsip rangkaian Catu Daya terdiri atas transformator, dioda dan condensator. Transformator digunakan untuk menurunkan atau menaikkan tegangan AC sesuai kebutuhan. Pengertian catu daya secara umum, catu daya adalah suatu sistem filter penyearah (rectifier-filter) yang mengubah tegangan AC menjadi tegangan DC murni. Pada kasus ini catu daya hanya mengeluarkan Output -5V dan +5V.

1.      Pendahuluan

Pada umumnya peralatan elektronika membutuhkan sumber arus DC sebagai Inputannya dan sumber tegangan yang relatif kecil untuk sumber tegangannya. Dapat dilihat dari beberapa contohnya, antara lain: TV, Radio, Laptop dan masih banyak lagi. Hal tersebut sebenarnya sudah dapat dipecahkan dengan menggunakan baterai yang memiliki keluaran  arus searah dan sumber tegangan yang relative kecil. Namun, ketidakefisienan membuat hal tersebut tidak diaplikasikan. maka dibuatlah sebuah perangkat yang mampu merubah arus AC menjadi arus DC dan menurunkan tegangan dari sumber PLN.

2.      Dasar Teori

Pengertian catu daya secara umum, catu daya adalah suatu sistem filter penyearah (rectifier-filter) yang mengubah tegangan AC menjadi tegangan DC murni. Secara prinsip rangkaian power supply adalah menurunkan tegangan AC -> menyearahkan tegangan AC sehingga menjadi DC -> Menstabilkan tegangan DC, yang terdiri atas transformator, dioda dan kapasitor/condensator. Banyak rangkaian catu daya  yang berlainan yang dapat digunakan untuk pekerjaan tersebut. Komponen dasar yang digunakan untuk rangkaian yang lebih sederhana adalah :

·         Transformator,

·         Dioda sebagai penyearah

·         Kapasitor,

·         Resistor,

·         Inductor.

Catu  daya yang diatur secara lebih kompleks dapat menambahkan

·         Transistor

·         IC

            Pada rangkaian penyearah yang hanya menggunakan dioda penyearah masih memiliki sinyal ac sehingga belum searah seperti halnya tegangan dc pada baterai. Sinyal ac yang tidak diinginkan ini dinamakan ripple. Faktor ripple adalah besarnya prosentase perbandingan antara tegangan ripple dengan tegangan dc yang dihasilkan.

            Untuk memperkecil nilai ripple dapat digunakan filter kapasitor. Semakin besar nilai kapasitor maka akan semakin kecil nilai tegangan ripple. Untuk memperoleh suatu catu daya dengan nilai keluaran yang tetap, maka dapat digunakan sebuah IC regulator 78xx untuk catu daya positif dan IC regulator 79xx untuk catu daya negatif. (xx adalah nilai tegangan yang dikeluarkan dari regulator tersebut)

2.1  Transformator

            Merupakan sebuah komponen elektronik yang berguna untuk menurunkan tegangan dengan tipe CT (center). Trafo jenis ini memiliki keluaran tegangan yang simetris pada kumparan sekundernya yang dibatasi oleh sebuah garis tengah CT. Karakteristik trafo CT sebagai berikut :

·         Tegangan Input primer : 110V / 220V @ AC 50 Hz

·         Tegangan Output Sekunder : 3V/4,5V/6V/7,5V/9V/12V/18V/24V

·         Arus output sekunder : 0,5 – 10 Ampere

            Trafo CT biasa digunakan pada rangkaian catu daya sebagai penurun tegangan dari tegangan PLN (220V) menjadi tegangan yang lebih rendah.

2.2  Dioda Bridge

            Dioda bridge adalah diode silikon yang dirangkai menjadi suatu bridge dan dikemas menjadi satu kesatuan komponen dan biasa digunakan sebagai penyearah pada rangkaian catu daya. Ukuran diode bridge yang utama adalah voltage dan ampere maksimumnya.

2.3  Kapasitor Polar

            Elektroda pada kapasitor polar terbuat dari bahan alumunium yang menggunakan membrane oksidasi tipis. Karakteristik utama kapasitor polar adalah perbedaan polaritas pada kedua kakinya. Oleh karena itu, kita harus berhati-hati saat memasangnya pada rangkaian. Jika pemasangannya terbalik, kapasitor akan rusak bahkan meledak. Biasanya, tegangan kerja kapasitor sebesar 2 kali tegangan catu daya. Misalnya, kapasitor diberikan catu daya dengan tegangan 5 volt, artinya kapasitor harus memiliki tegangan kerja minimum 2x5 = 10 volt. Umumnya kapasitor polar digunakan pada rangkaian catu daya, low pass filter, dan rangkaian pewaktu. Kapasitor ini tidak bisa digunakan pada rangkaian dengan frekuensi tinggi.

2.4  Resistor

            Resistor adalah komponen dasar elektronika yang digunakan untuk membatasi jumlah arus yang mengalir dalam suatu rangkaian. Resistor bersifat resistif dan umumnya  terbuat dari bahan karbon. Satuan resistansi dari suatu resistor disebut Ohm atau dilambangkan dengan simbol W (Omega).  Bentuk resistor yang umum adalah seperti tabung dengan dua kaki di kiri dan kanan. Pada badannya terdapat lingkaran membentuk cincin kode warna untuk mengetahui besar resistansi tanpa mengukur besarnya dengan Ohmmeter.

2.5  Resistor Daya

            Resistor ini digolongkan sebagai resistor power karena bessarnya dispasi daya yang dapat ditahan. Bentuknya sama dengan resistor pada umumnya tetapi ukurannya lebih besar.

 Transistor TIP2955

            Merupakan jenis NPN transistor daya negative yang biasa digunakan bersama transistor 3055. Karakteristik transistor TIP2955 sebagai berikut :

·         Tegangan maksimum kolektor-emitor (Vce): -70 volt

·         Tegangan maksimum kolektor-basis (Vcb): -100 volt

·         Tegangan maksimum emitor-basis (Veb); -7 volt

·         Arus kolektor konstan : 15 Ampere

·         Dispasi daya: 90 watt

·         Kemasan : SOT-93

2.6  IC Regulator Tegangan

-          78xx

Merupakan IC regulator/penurun linier tegangan positif arus DC. Nilai xx pada seri 78 adalah nilai tegangan keluaran yang diinginkan. Misalnya, 7805 akan mengeluarkan tegangan 5 volt. Karakteristik IC 78xx Sebagai berikut :

-           Tegangan catu daya minimum = 7 volt

-           Tegangan catu daya maksimum = 40 volt

-          Nilai tegangan keluaran berdasarkan kode xx = 5,6,8,9,10,12,18,24 volt

-          Arus keluaran maksimum = 1 Ampere

-          Tipe regulasi tegangan = linier

-          Kemasan = TO-220

-           79xx

            Merupakan IC regulator/penurun linier tegangan negatif arus DC. Nilai xx pada seri 79 adalah nilai tegangan keluaran yang diinginkan. Misalnya, 7905 akan mengeluarkan tegangan 5 volt. Karakteristik IC 79xx Sebagai berikut :

-           Tegangan catu daya minimum = -25 volt

-           Tegangan catu daya maksimum = -7 volt

-          Nilai tegangan keluaran berdasarkan kode xx = -5,-6,-8,-9,-10,-12,-18,-24 volt

-          Arus keluaran maksimum = 1 Ampere

-          Tipe regulasi tegangan = linier

-          Kemasan = TO-220

-           LM317

            Merupakan IC regulator/penurun linier tegangan positif arus DC. Tegangan keluaran LM317 dapat diatur dan memiliki arus keluaran 1,5 ampere. Karakteristik IC LM317 Sebagai berikut :

-          Tegangan catu daya minimum = 4,2 volt

-          Tegangan catu daya maksimum = 40 volt

-          Arus keluaran maksimum = 1,5 ampere

-          Tegangan keluaran minimum = 1,2 volt

-          Tegangan keluaran maksimum = 37 volt

-          Tipe regulasi tegangan = linier

-          Kemasan = TO-220

-          LM337

            Merupakan IC regulator/penurun linier tegangan negatif arus DC. Tegangan keluaran LM337 dapat diatur dan memiliki arus keluaran 1,5 ampere. Karakteristik IC LM337 Sebagai berikut :

-          Tegangan catu daya minimum = -40 volt

-          Tegangan catu daya maksimum = -4,2 volt

-          Arus keluaran maksimum = 1,5 ampere

-          Tegangan keluaran minimum = -37 volt

-          Tegangan keluaran maksimum = -1,2 volt

-          Tipe regulasi tegangan = linier

-          Kemasan = TO-220

2.7  LED

 Karakteristik LED :

-          Warna Cahaya: - super bright red (624-630 nm)

    - super bright green (567-573 nm)

-          Jenis Lensa : white clear

-          Tegangan maju diode : 2,1-3,2 volt

-          Arus maju diode : 20mA

-          Material LED : lnGaN-GaAllnP

2.8  Potensiometer

            Merupakan salah satu jenis potensiometer yang bekerja dengan cara diputar searah atau berlawanan arah jarum jam. Umumnya, komponen ini sering digunakan untuk mengatur volume pada rangkaian audio dan mengontrol keluaran tertentu pada beberapa rangkaian elektronika.

2.9 Fuse / Sekering

            Suatu peralatan proteksi yang umum digunakan, Sekering adalah suatu peralatan proteksi kerusakan yang disebabkan oleh arus berlebihan yang mengalir dan memutuskan rangkaian dengan meleburannya elemen sekering.

3. Perancangan dan Cara Kerja Alat

Rangkaian ini berfungsi untuk mensupplay tegangan ke seluruh rangkaian yang ada. Rangkaian Catu daya (Power Supply Adaptor) ini terdiri dari 7 keluaran, yaitu : +5 volt, -5 volt dan ground. Rangkaian catu daya ditunjukkan pada gambar  berikut :

            Tegangan mengalir ke transformator kemudian di ubah dari tegangan AC menjadi tegangan DC. Tegangan yang sudah diubah menjadi tegangan DC akan disearahkan dengan menggunakan jembatan dioda, selanjutnya akan diratakan oleh kapasitor 4700 μF. Regulator tegangan 5 volt (7805) digunakan agar keluaran yang dihasilkan tetap 5 volt walaupun terjadi perubahan pada tegangan masukannya. LED hanya sebagai indikator apabila Catu daya dinyalakan. Tegangan 5 volt DC langsung diambil dari keluaran jembatan dioda penyearah, Regulator tegangan -5 volt (7905) digunakan agar keluaran yang dihasilkan tetap -5 volt walaupun terjadi perubahan pada tegangan masukannya. LED hanya sebagai indikator apabila Catu daya dinyalakan. Tegangan -5 volt DC langsung diambil dari keluaran jembatan dioda penyearah.

3.1 Komponen yang dibutuhkan

No	Komponen	Jumlah	Nilai
1	Trafo	1	5A
2	Dioda Bridge	3	5A
3	C1	2	4700 μF 50V
4	R1	1	0,1 W 2W
5	R2	1	100 W 2W
6	R3	2	270W
9	Transistor	3	TIP2995
10	IC1	1	7805
11	IC2	1	7905
16	C2	2	10 μF 35V
17	Potensiometer	2	5K
18	Fuse	2	-
19	LED	2	Merah,
20	PCB	1	18,5cm X 10cm

3.2 Alat yang Dibutuhkan

a.Gergaji Besi Mini

b.Bor Mini

c.Obeng

d.Solder

e.Timah

f.Tang jepit dan tang potong

g.Konektor

h.Saklar on / off

i.Kabel

j. Multimeter

k.Nampan

l. Penyedot Timah

m. Salep Solder

n.Sekrup dan mur

 3.3 Tahap Perancangan

            Perancangan pada rangkaian Catu Daya ini, terbagi atas beberapa tahapan, yaitu :

1. Membuat jalur PCB yang di desain dengan menggunakan program software khusus.
2. Setelah jalur PCB di buat lalu di print menggunakan kertas calendar agar hasil pembuatan maksimal.
3. Panaskan pemanas untuk menemindahkan gambar jalur PCB dari kertas calendar ke papan PCB.
4. Setelah pemanasan selesai, biarkan sampai papan PCB itu benar-benar dingin.
5. Jika papan PCB sudah benar-benar dingin, rendam papan PCB dalam air dan diamkan sekitar 30 menit agar jalur yang sudah dibuat menempel pada papan PCB.
6. Jika semua gambar jalur PCB itu menempel semua seperti yang di inginkan pada papan PCB, maka masukan pada larutan Feriklorit agar menghilangkan kadar tembaga yang tidak ditutupi gambar jalur PCB, Usahakan tembaga itu benar-benar hilang.
7.  Apabila tembaga sudah bersih dan hilang pada papan PCB itu, bersihkan papan PCB dengan sikat kawat yang sudah dilumuri sabun agar papan PCB bersih dari tinta yang tadi dibuat.
8. Sesudah bersih maka papan PCB di bor dengan bor mini yang mata bor nya berukuran 0,8 dan 1 mm.
9. Pasang komponen jika papan PCB sudah di bor semua
10. Solder kaki-kaki komponen yang sudah dipasangkan terhadap papan PCB
11. Cek jalur-jalurnya apakah ada jalur yang short atau tidak menggunakan multimeter
12. Periksalah dari setiap jalur rangkaian sampai output yang diharapkan sesuai dengan output pada gambar rangkaian
13. Jika sudah sesuai semua maka langkah selanjutnya adalah memasangkan papan PCB yang sudah jadi ke dalam cover yang terbuat dari mika plastik.
14. Langkah akhir buatlah cover catu daya itu sebagus mungkin alat tersebut selain kegunaannya untuk pengubah tegangan AC menjadi tegangan DC tetapi juga menarik untuk dilihat.

3.4 Perhitungan

            Perhatikan gambar rangkaian diatas. Pada arus loop tertutup yang melewati resistor R1, R2 dan emiter-base transistor, dapat dirumuskan secara matematis :

I₁R₁ = I_eR₂ + V_be (1)

            Untuk transistor silicon biasanya Vbe = 0.7 volt, yaitu tegangan base-emitor yang menyebabkan transistor mulai bekerja (ON). Dari datasheet diketahui tegangan ini Vbe(on) ini dapat bervariasi antara 0.6 ~ 1.4 volt tergantung dari besar arus Ic yang melewati transistor tersebut. Namun untuk penyederhanaan perhitungan, kita tetapkan saja Vbe(on) = 0.7 volt.

            I1 adalah arus yang melewati 7805 yang seterusnya akan mensuplai beban output. Dari rumus (1) dapat dimengerti bahwa arus Ie yang melewati R2 akan mulai mengalir hanya jika tegangan jepit pada resistor R1 lebih besar dari Vbe(on) atau secara matematis :

I₁R₁ = V_be(2)

Jika besaran di atas disubsitusikan ke rumus (2) maka dapat dihitung besar I1 yang dibutuhkan adalah :

I₁ = Vbe/ R₁ = 0.7/1000 = 0.7x10^3 A

Besar resistansi R2 dapat dihitung dengan loop dari Vin ke Vout melalui transistor yang dirumuskan dengan :

V_in = I_eR₂ + V_ce + V_out (3)

Vin adalah tegangan keluaran dari rangkaian penyearah yang dibuat dari rangkaian trafo, dioda bridge dan kapasitor elco. Jika misalnya Vin = 7 volt dan tegangan keluaran Vout = 5 volt, maka rumus (3) dapat ditullis menjadi :

7 = I_eR₂ + V_ce + 5

atau

I_eR₂ + V_ce= 2 volt (4)

            Inilah garis beban atau garis kerja transistor. Dengan anggapan bahwa Ie = Ic = 5 A dan Vce = 0 volt (ideal) ketika transistor bekerja (ON), maka dapat dihitung besar R2 = 2/5 = 0.4 Ohm. Selesai … ? tentu saja belum, karena harus ditentukan besar watt dari resistor ini. Dari rumus umum P = I²R dapat dihitung disipasi daya pada resistor R2 adalah P = 5²(0.4) = 10 watt (minimun), maka yang digunakan adalah resistor 0.4 Ohm 20 watt supaya aman.

            Demikian urutan dari perancangan catu daya ini. Tentu rancangan ini dapat dimodifikasi sesuai dengan kebutuhan. Sebagai tips terakhir, Dengan arus yang demikian besar, temperatur resistor dan transistor akan sedemikian panas. Sangat dianjurkan menggunakan heatsink untuk transistor Q1 dan juga resitor R2. Komponen 7805 mestinya tidak memerlukan heatsink, karena arus yang melewati komponen ini relatif kecil sekali. Kapasitor elco C1 adalah anjuran dari datasheet 7805 agar tegangan output lebih stabil.

            Untuk kebutuhan arus yang lebih besar lagi, transistor Q1 bisa diganti dengan transistor Darlington atau dengan cara meng-cascade rangkaian pass transistor menjadi 2 atau 3 tingkat.

3.5 Analisa Catu Daya

  Tegangan Listrik masuk melalui Trafo dan tegangan di ubah dari tegangan AC menjadi tegangan DC, setelah tegangan di ubah maka arus listrik melewati Dioda Bridge yang berfungsi sebagai penyearah pada rangkaian. Arus terbagi ke elco/ Kapasitor polar dan Resistor yang terhubung ke kaki Emittor Transistor TIP2955 dilanjutkan ke kaki Bassis Transistor lalu arus melewati IC Regulator Tegangan 7805 untuk keluaran 5 volt  kaki 1 (Vin) dan terbagi ke kaki 3 (Vout), IC Regulator Tegangan kaki 3 terhubung dengan kaki Collector Transistor dan terhubung ke sekering maka muncul tegangan keluaran 5 Volt dan LED merah menyala. Arus yang tersimpan di elco / Kapasitor polar, terhubung ke IC Regulator Tegangan 7905 untuk keluaran -5 volt kaki 2 (Vin) dan melewati kaki 3 (Vout) yang terhubung dengan Kapasitor polar dan sekering maka muncul tegangan keluaran -5 Volt dan LED Hijau menyala. Sedangkan CT pada Trafo tersambung pada Ground.

IV. Daftar Pustaka

1.      Muhammad H. Rashid, Power Electronics, Circuits,

Devices, and Aplications, 2nd edition, Prentice-Hall,

Inc., Englewood Cliffs, 1998.
2.      R. Mauro, Engineering Electronics, Prentice Hall, New

Jersey, 1989.