Op-amp series regulator
1. Pendahuluan (kembali)
Dalam sistem elektronika, kestabilan tegangan merupakan aspek yang sangat penting demi menjaga kinerja dan keandalan perangkat. Salah satu cara untuk menjaga kestabilan tegangan keluaran adalah dengan menggunakan regulator tegangan. Regulator berfungsi mempertahankan tegangan output tetap konstan meskipun terjadi perubahan pada tegangan input maupun beban.
Pada praktikum ini, dilakukan simulasi dan analisis terhadap tiga jenis rangkaian regulator tegangan diskrit yang umum digunakan, yaitu Op-Amp Series Regulator, Current Limiting Regulator, dan Foldback Limiting Series Regulator.
Rangkaian pertama, Op-Amp Series Regulator, merupakan jenis regulator linear yang menggunakan op-amp untuk mengontrol transistor sebagai elemen pengatur tegangan. Tegangan keluaran dikendalikan melalui pembanding antara tegangan referensi dari dioda zener dan tegangan umpan balik dari pembagi tegangan. Dengan konfigurasi ini, tegangan output dapat dipertahankan stabil terhadap variasi input maupun beban.
Rangkaian kedua, Current Limiting Regulator, memiliki kemampuan tambahan untuk membatasi arus keluaran agar tidak melebihi ambang batas yang ditentukan. Mekanisme pembatasan dilakukan dengan menggunakan transistor tambahan yang akan aktif jika arus beban terlalu besar, sehingga mencegah kerusakan pada komponen akibat arus berlebih.
2. Tujuan (kembali)
1) Menganalisis kerja dari regulator tegangan menggunakan transistor diskrit.
2) Menjelaskan prinsip kerja regulator seri, pembatas arus, dan pembatas arus foldback.
3) Mengamati kestabilan tegangan keluaran terhadap perubahan beban.
3. Alat dan Bahan (kembali)
A) ALAT
1) Multimeter
Alat ukur untuk mengukur besar Tegangan dalam satuan Volt |
Alat ukur untuk mengukur besar Arus dalam satuan Ampere |
2) Sumber tegangan (DC atau sinyal dari function generator)
3) Software
B) BAHAN
1) Amplfier
2) Resistor
3) Transistor
5) Ground
4. Dasar Teori (kembali)
A) Pengertian Op-Amp (Operational Amplifier)
Operational Amplifier atau lebih dikenal dengan istilah Op-Amp adalah salah satu dari bentuk IC Linear yang berfungsi sebagai Penguat Sinyal listrik. Sebuah Op-Amp terdiri dari beberapa Transistor, Dioda, Resistor dan Kapasitor yang terinterkoneksi dan terintegrasi sehingga memungkinkannya untuk menghasilkan Gain (penguatan) yang tinggi pada rentang frekuensi yang luas. Dalam bahasa Indonesia, Op-Amp atau Operational Amplifier sering disebut juga dengan Penguat Operasional.
Op-Amp umumnya dikemas dalam bentuk IC, sebuah IC Op-Amp dapat terdiri dari hanya 1 (satu) rangkaian Op-Amp atau bisa juga terdiri dari beberapa rangkaian Op-Amp. Jumlah rangkaian Op-Amp dalam satu kemasan IC dapat dibedakan menjadi Single Op-Amp, dual Op-Amp dan Quad Op-Amp. Ada juga IC yang didalamnya terdapat rangkaian Op-Amp disamping rangkaian utama lainnya.
Sebuah rangkaian Op-Amp memiliki dua input (masukan) yaitu satu Input Inverting dan satu Input Non-inverting serta memiliki satu Output (keluaran). Sebuah Op-Amp juga memiliki dua koneksi catu daya yaitu satu untuk catu daya positif dan satu lagi untuk catu daya negatif. Bentuk Simbol Op-Amp adalah Segitiga dengan garis-garis Input, Output dan Catu dayanya seperti pada gambar dibawah ini. Salah satu tipe IC Op-Amp yang populer adalah IC741.
Bentuk dan Simbol IC Op-Amp
Berikut dibawah ini adalah Simbol dan bentuk IC Op-Amp pada umumnya.
Terminal yang terdapat pada Simbol Op-Amp (Operational Amplifier/penguat operasional) diantaranya adalah :
1) Masukan non-pembalik (Non-Inverting) +
2) Masukan pembalik (Inverting) –
3) Keluaran Vout
4) Catu daya positif +V
5) Catu daya negatif -V
Karakteristik Op-Amp (Operational Amplifier)
Karakteristik Faktor Penguat atau Gain pada Op-Amp pada umumnya ditentukan oleh Resistor Eksternal yang terhubung diantara Output dan Input pembalik (Inverting Input). Konfigurasi dengan umpan balik negatif (Negative Feedback) ini biasanya disebut dengan Closed-Loop configuration atau Konfigurasi Lingkar Tertutup. Umpan balik negatif ini akan menyebabkan penguatan atau gain menjadi berkurang dan menghasilkan penguatan yang dapat diukur serta dapat dikendalikan. Tujuan pengurangan Gain dari Op-Amp ini adalah untuk menghindari terjadinya Noise yang berlebihan dan juga untuk menghindari respon yang tidak diinginkan. Sedangkan pada Konfigurasi Lingkar Terbuka atau Open-Loop Configuration, besar penguatannya adalah tak terhingga (∞) sehingga besarnya tegangan output hampir atau mendekati tegangan Vcc.
Secara umum, Operational Amplifier (Op-Amp) yang ideal memiliki karakteristik sebagai berikut :
· Penguatan Tegangan Open-loop atau Av = ∞ (tak terhingga)
· Tegangan Offset Keluaran (Output Offset Voltage) atau Voo = 0 (nol)
· Impedansi Masukan (Input Impedance) atau Zin= ∞ (tak terhingga)
· Impedansi Output (Output Impedance ) atau Zout = 0 (nol)
· Lebar Pita (Bandwidth) atau BW = ∞ (tak terhingga)
· Karakteristik tidak berubah dengan suhu
Pada dasarnya, kondisi Op-Amp ideal hanya merupakan teoritis dan hampir tidak mungkin dicapai dalam kondisi praktis. Namun produsen perangkat Op-Amp selalu berusaha untuk memproduksi Op-Amp yang mendekati kondisi idealnya ini. Oleh karena itu, sebuah Op-Amp yang baik adalah Op-Amp yang memiliki karakteristik yang hampir mendekati kondisi Op-Amp Ideal
B) Transistor Bipolar
Transistor bipolar adalah jenis perangkat semikonduktor yang dapat digunakan sebagai sakelar atau penguat elektronik. Ini disebut “bipolar” karena bergantung pada elektron dan lubang untuk operasinya. Pada dasarnya transistor bipolar memiliki dua jenis utama: transistor NPN dan PNP. Sebutan ini mengacu pada jenis bahan semikonduktor yang digunakan dalam konstruksi transistor
C) Resistor
Resistor merupakan komponen penting dan sering dijumpai dalam sirkuit Elektronik. Boleh dikatakan hampir setiap sirkuit Elektronik pasti ada Resistor. Tetapi banyak diantara kita yang bekerja di perusahaan perakitan Elektronik maupun yang menggunakan peralatan Elektronik tersebut tidak mengetahui cara membaca kode warna ataupun kode angka yang ada ditubuh Resistor itu sendiri.
Seperti yang dikatakan sebelumnya, nilai Resistor yang berbentuk Axial adalah diwakili oleh Warna-warna yang terdapat di tubuh (body) Resistor itu sendiri dalam bentuk Gelang. Umumnya terdapat 4 Gelang di tubuh Resistor, tetapi ada juga yang 5 Gelang.
Gelang warna Emas dan Perak biasanya terletak agak jauh dari gelang warna lainnya sebagai tanda gelang terakhir. Gelang Terakhirnya ini juga merupakan nilai toleransi pada nilai Resistor yang bersangkutan.
Tabel dibawah ini adalah warna-warna yang terdapat di Tubuh Resistor :
TABEL WARNA RESISTOR |
Perhitungan untuk Resistor dengan 4 Gelang warna :
Cara menghitung nilai resistor 4 gelang:
1) Masukkan angka langsung dari kode warna Gelang ke-1 (pertama)
2) Masukkan angka langsung dari kode warna Gelang ke-2
3) Masukkan Jumlah nol dari kode warna Gelang ke-3 atau pangkatkan angka tersebut dengan 10 (10n)
4) Merupakan Toleransi dari nilai Resistor tersebut
Contoh pembacaan 4 gelang warna:
Gelang ke 1 : Coklat = 1
Gelang ke 2 : Hitam = 0
Gelang ke 3 : Merah = 2 nol dibelakang angka gelang ke-2; atau kalikan 100
Gelang ke 4 : Perak = Toleransi 5%
Maka nilai Resistor tersebut adalah 10 * 100 = 1.000 Ohm atau 1Kohm dengan toleransi 5%.
Perhitungan untuk Resistor dengan 5 Gelang warna :
Cara Menghitung Nilai Resistor 5 Gelang Warna:
1) Masukkan angka langsung dari kode warna Gelang ke-1 (pertama)
2) Masukkan angka langsung dari kode warna Gelang ke-2
3) Masukkan angka langsung dari kode warna Gelang ke-3
4) Masukkan Jumlah nol dari kode warna Gelang ke-4 atau pangkatkan angka tersebut dengan 10 (10n)
5) Merupakan Toleransi dari nilai Resistor tersebut
Contoh pembacaan 5 gelang warna:
Gelang ke 1 : Merah = 2
Gelang ke 2 : Merah = 2
Gelang ke 3 : Hitam = 0
Gelang ke 4 : Hitam = 0 nol dibelakang angka gelang ke-3; atau kalikan 0
Gelang ke 5 : Emas = Toleransi 5%
Maka nilai Resistor tersebut adalah 220 * 1 = 220 Ohm dengan toleransi 5%.
Contoh-contoh perhitungan lainnya :
Merah, Merah, Merah, Emas → 22 * 10² = 2.200 Ohm atau 2,2 Kilo Ohm dengan 5% toleransi
Kuning, Ungu, Orange, Perak → 47 * 10³ = 47.000 Ohm atau 47 Kilo Ohm dengan 10% toleransi
Cara menghitung Toleransi :
2.200 Ohm dengan Toleransi 5% =
2200 – 5% = 2.090
2200 + 5% = 2.310
ini artinya nilai Resistor tersebut akan berkisar antara 2.090 Ohm ~ 2.310 Ohm
D) Dasar Teori
Dioda zener adalah jenis dioda khusus yang dirancang untuk beroperasi dalam kondisi reverse bias (bias balik) dan tetap menjaga tegangan tetap (stabil) saat arus mengalir mundur melebihi tegangan tertentu yang disebut tegangan zener (Vz).
Karakteristik Dioda Zener
· Dalam Bias Maju (Forward Bias): Dioda zener berperilaku seperti dioda biasa, yaitu menghantarkan arus setelah melewati tegangan ambang maju (biasanya sekitar 0,7 V untuk dioda silikon).
· Dalam Bias Balik (Reverse Bias): Saat tegangan balik melampaui nilai tegangan zener (Vz), dioda akan mulai menghantarkan arus balik dan menjaga tegangan tetap sekitar Vz.
Tegangan zener adalah tegangan breakdown terkontrol di mana dioda mulai menghantarkan dalam kondisi bias balik. Nilai Vz ini tergantung pada desain dan material dioda, contohnya: Dioda zener 5,1 V akan menjaga tegangan tetap di 5,1 V saat arus balik mengalir.
. Series Voltage Regulation
Regulator seri mengontrol tegangan output dengan menyesuaikan resistansi transistor yang terhubung secara seri antara input dan output.
a. Series Regulator Circuit
- Komponen Utama:
- Transistor Q₁ (elemen seri).
- Dioda Zener (Dz) sebagai referensi tegangan.
- Resistor R untuk membatasi arus basis.
- Prinsip Kerja:
- Jika VO turun → VBE Q₁ naik → Q₁ menghantar lebih banyak → VO naik.
- Jika VO naik → VBE Q₁ turun → Q₁ menghantar lebih sedikit → VO turun.
- Rumus Output:
b. Improved Series Regulator
- Perbaikan:
- Menambahkan transistor Q₂ untuk meningkatkan respons kontrol.
- Resistor R₁ dan R₂ sebagai voltage divider untuk sampling tegangan output.
- Prinsip Kerja:
- Jika VO naik → V2 (di R₂) naik → Q₂ menghantar lebih banyak → arus basis Q₁ berkurang → VO turun.
- Rumus Output:
c. Op-Amp Series Regulator
- Komponen Utama:
- Op-amp sebagai komparator presisi.
- Dioda Zener sebagai referensi.
- Prinsip Kerja:
- Op-amp membandingkan VZ dengan tegangan feedback dari R1 dan R2.
- Jika VO menyimpang → op-amp mengatur konduksi Q₁ untuk menstabilkannya.
- Rumus Output:
d. Current-Limiting Circuit
- Tujuan: Mencegah kerusakan akibat arus berlebih.
- Komponen Utama:
- Resistor sensing (RSC).
- Transistor Q₂ untuk membatasi arus basis Q₁.
- Mekanisme:
- Jika IL melebihi batas → tegangan di RSC mengaktifkan Q₂ → Q₁ menghantar lebih sedikit.
e. Foldback Limiting
- Perbedaan dari Current Limiting:
- Tidak hanya membatasi arus, tetapi juga menurunkan tegangan saat overload.
- Komponen Tambahan:
- Jaringan resistor R4 dan R5 untuk feedback tegangan output.
- Keuntungan:
- Proteksi ganda (arus dan tegangan) untuk beban dan regulator.
2. Shunt Voltage Regulation
Regulator shunt menjaga stabilitas tegangan dengan mengalihkan arus berlebih ke ground.
a. Basic Transistor Shunt Regulator
- Komponen Utama:
- Transistor Q₁ (shunt).
- Dioda Zener (VZ) dan resistor seri (RS).
- Rumus Output:
b. Improved Shunt Regulator
- Perbaikan:
- Menambahkan transistor Q₂ untuk meningkatkan arus shunt.
- Prinsip Kerja:
- Jika VO naik → Q₂ menghantar lebih banyak → Q₁ mengalihkan arus lebih besar → VO turun.
- Rumus Output:
c. Shunt Voltage Regulator Using Op-Amp
- Komponen Utama:
- Op-amp sebagai komparator.
- Transistor Q₁ sebagai elemen shunt.
- Prinsip Kerja:
- Op-amp membandingkan VZ dengan feedback dari R1 dan R2 → mengatur konduksi Q₁.
3. Switching Regulation
- Prinsip Dasar:
- Menggunakan pulsa tegangan yang difilter menjadi DC halus.
- Efisiensi tinggi karena transistor bekerja dalam mode ON/OFF.
- Aplikasi:
- Catu daya untuk perangkat portabel, sistem tenaga tinggi.
- Contoh IC: LM2576, LM2596.
Perbandingan Seri vs. Shunt Regulator
Parameter | Series Regulator | Shunt Regulator |
Efisiensi | Tinggi (khusus untuk beban besar) | Rendah (arus terbuang di shunt) |
Kompleksitas | Sederhana | Membutuhkan tambahan Q₂/op-amp |
Proteksi | Current limiting + Foldback | Current limiting |
Aplikasi Khas | Power supply, motor | Sensor, sistem low-noise |
5. Prinsip Kerja [kembali]
Rangkaian pertama Op-Amp Series Regulator
Prinsip Kerja:
Rangkaian ini menggunakan op-amp sebagai pengendali tegangan output yang disuplai oleh transistor Q1 (2N2222). Zener diode (6.2 V) berfungsi sebagai referensi tegangan. Tegangan referensi diberikan ke input non-inverting (+) op-amp, sementara tegangan umpan balik dari pembagi tegangan R2 dan R3 diberikan ke input inverting (−).
- Jika tegangan output lebih rendah dari yang diharapkan, op-amp meningkatkan tegangan basis Q1, membuat Q1 lebih konduktif sehingga tegangan output naik.
- Jika tegangan output lebih tinggi, op-amp menurunkan tegangan basis Q1 sehingga mengurangi konduksi dan menurunkan tegangan output. Dengan mekanisme ini, tegangan output tetap stabil pada nilai tertentu.
Rangkaian kedua Current Limiting Regulator
Prinsip Kerja:
Pada rangkaian ini, terdapat dua transistor Q1 dan Q2, di mana Q2 berfungsi untuk membatasi arus yang mengalir ke beban.
- Op-amp mengontrol Q1 untuk menjaga tegangan output tetap stabil seperti pada rangkaian sebelumnya.
- Ketika arus beban (IL) naik melebihi batas, tegangan jatuh pada resistor RSC meningkat.
- Jika tegangan ini cukup besar, maka Q2 akan aktif, menurunkan tegangan basis Q1.
- Akibatnya, Q1 mulai menutup, dan arus output dibatasi agar tidak melebihi batas maksimum
Rangkaian ketiga adalah Foldback Limiting Series Regulator,
Prinsip Kerja:
Rangkaian ini merupakan pengembangan dari current limiting regulator dengan metode foldback untuk meningkatkan perlindungan saat arus pendek terjadi.
- Sama seperti sebelumnya, op-amp mengendalikan transistor Q1 untuk stabilisasi tegangan.
- Ketika arus beban meningkat, tegangan pada resistor RSC naik, yang mengaktifkan Q2.
- Namun di sini, terdapat tambahan pembagi tegangan (R4, R5) yang membentuk sinyal feedback ke Q2.
- Saat terjadi kelebihan beban atau arus pendek, feedback ini menyebabkan Q2 mengurangi arus ke basis Q1 secara drastis.
- Hasilnya, arus keluaran akan jatuh drastis (foldback), bahkan lebih kecil dari nilai maksimum, demi mencegah kerusakan komponen.
7. Soal Latihan [kembali]
Sebuah foldback regulator menggunakan resistor Rs=0.5 Ω dan konfigurasi feedback yang membuat arus drop kembali saat terjadi short-circuit. Arus maksimum normal = 1.2 A, dan saat short, arus dibatasi hingga 0.4 A.
a. Hitung tegangan pada resistor Rs saat kondisi normal dan short.
b. Jelaskan keuntungan menggunakan foldback limiting dibanding pembatas arus biasa.
jawab ;
Diketahui:
· Rs=0.5 Ω
· Arus normal = 1.2 A
· Arus short = 0.4 A
a. Tegangan Rs:
· Normal:
VRs = I⋅Rs = 1.2⋅0.5 =0.6 V
· Short:
VRs = 0.4⋅0.5 = 0.2 V
Jawaban: Normal = 0.6 V, Short = 0.2 V
b. Keuntungan Foldback Limiting:
Saat short circuit terjadi, arus tidak hanya dibatasi, tetapi diturunkan lebih jauh dari batas maksimum, sehingga panas dan daya pada transistor lebih kecil, dan sistem lebih aman.
Jawaban ringkas: Mengurangi panas & arus saat short, menjaga komponen tetap aman.
Example
Soal 1
Soal 2
6. Problem[Kembali]
Problem
Soal 1
Soal 3
Pilihan Ganda
Soal 1
Soal 2
VO = 
(VZ + VBE) = 
(6 + 0.7) = 2.5 x 6.7 = 10.05 V
Soal 3
8. Percobaan [kembali]
Alur Proses Percobaan
1) Identifikasi Tujuan dan Jenis Rangkaian
Menentukan tujuan percobaan yaitu mempelajari karakteristik dan prinsip kerja tiga jenis regulator tegangan diskrit. Menyiapkan rangkaian yang akan dibuat:
· Op-Amp Series Regulator (Fig. 15.17)
· Current Limiting Voltage Regulator (Fig. 15.18)
· Foldback Limiting Series Regulator (Fig. 15.19)
2) Persiapan Komponen di Proteus
Membuka software Proteus Design Suite.
Membuat proyek baru untuk masing-masing rangkaian.
Mencari dan memilih komponen yang dibutuhkan dari Library Proteus, yaitu:
· Op-Amp (misal OP1P)
· Transistor NPN (2N2222)
· Dioda Zener (BZY88C 8.2V)
· Resistor (sesuai nilai di skematik)
· Ground, DC voltage source, dan Virtual Voltmeter / Ammeter untuk pengukuran
· (Opsional) Load resistor (beban) di bagian output
3) Penyusunan Rangkaian pada Lembar Kerja Proteus
Menyusun komponen sesuai skematik:
Menghubungkan pin sesuai konfigurasi pada gambar rangkaian yang diberikan.
Memastikan arah komponen seperti dioda dan transistor sudah benar.
Menghubungkan node ground dan tegangan supply dengan benar.
Memberi label atau keterangan untuk tiap node (opsional, tapi membantu identifikasi saat pengukuran).
4) Pengecekan dan Verifikasi Awal
Memastikan tidak ada koneksi yang terputus.
Memverifikasi nilai komponen apakah sudah sesuai datasheet (misalnya nilai zener voltage, nilai resistor). Menyimpan file proyek sebagai backup.
5) Menjalankan Simulasi
Menekan tombol "Play" atau "Run Simulation" pada Proteus.
Mengamati tegangan keluaran dan arus pada berbagai kondisi:
· Beban normal
· Beban berat
· Simulasi short circuit (khusus untuk current limiting dan foldback)
6) Pencatatan Data Hasil Simulasi
Mencatat nilai tegangan output dan arus beban untuk masing-masing rangkaian.
Mengamati bagaimana masing-masing regulator merespons terhadap perubahan beban dan input.
7) Analisis dan Perbandingan
· Membandingkan hasil dari ketiga rangkaian:
· Seberapa stabil tegangan keluarannya
· Efektivitas pembatasan arus
· Efisiensi saat terjadi beban lebih atau short circuit
Rangkaian 15.17
9. Download File [kembali]
Download Rangkaian 15.17 KlikDisini
Download Rangkaian 15.18 KlikDisini
Download Rangkaian 15.19 KlikDisini
Download Datasheet Resistor [download]
Download Datasheet Baterai [download]
Download Datasheet Voltmeter [download]
Download Datasheet Amperemeter [download]
Download Datasheet 2N2222 [download]
Download Datasheet LM741 [download]
Download Datasheet Diode Zener [download]
Komentar
Posting Komentar