Transcript kul-eldas9-07 - IFI TALKS SOMETHING

Kuliah Elektronika Dasar
Pertemuan minggu ke 9
Transistor
DRIVER dan REGULATOR
oleh
Ir. Bambang Sutopo, M.Phil
Jurusan Teknik Elektro
FT-UGM
2007
1
ARUS KOLEKTOR vs VBE
0.76
Tegangan Basis Emitor VBE (Volt)
0.74
0.72
0.7
0.68
0.66
0.64
BD 139
0.62
0.6
0.58
0
5
10
15
20
25
30
35
Arus KOLEKTOR IC (mili Amper)
40
45
2
ARUS KOLEKTOR vs BETA
190
180
170
BETA
160
150
BD 139
140
130
120
110
0
5
10
15
20
25
30
35
Arus KOLEKTOR IC (mili Amper)
40
45
3
ARUS KOLEKTOR vs BETA
300
280
260
BC 108
BETA
240
220
200
180
160
BC 109
4
ARUS KOLEKTOR vs BETA
180
160
BETA
140
120
2N 2222
100
80
60
40
0
5
10
15
20
25
30
35
Arus KOLEKTOR IC (mili Amper)
40
45
5
ARUS KOLEKTOR vs VBE
0.8
Tegangan Basis Emiter VBE (Volt)
0.78
0.76
0.74
0.72
0.7
0.68
0.66
0.64
0.62
0
5
10
15
20
25
30
35
Arus KOLEKTOR IC (mili Amper)
40
45
50
6
RANGKAIAN
R1
RC
C2
C1
IC
R2
RE
7
RANGKAIAN
R2 min (R2 << R1)
Transistor OFF
IB =0  IC = 0
VCE = VCC
RC
R1
R2 max (mis : R2 = R1)
Transistor JENUH
IB =besar  IC   IB R2
VCE = 0,2 atau 0,3 Volt
IB
IC
C2
VCE
8
TRANSISTOR JENUH
• VCE = 0,2 – 0,3 Volt
• Penyebabnya :
• Arus basis IB yang terlalu besar
atau
• RC yang terlalu besar
9
DRIVER LED
VCC
R
LED
Deretan pulsa
VCC  VLED  VCE
R
I DIODA
• Deretan pulsa
membuat
transistor On
dan OFF
10
DRIVER RELAY
RELAY
VCC  VBE
RB 
2  I B  JENUH
DIODA
freewheel
VCC
IB-JENUH = arus basis
yang membuat transistor
dalam kondisi jenuh.
RB
Relay membutuhkan arus
sekitar 50 sampai
100 mili Amper
11
RELAY
12
TRANSISTOR DARLINGTON
UNTUK DRIVER RELAY DAN LED
13
PENGGERAK MOTOR DC
• DRIVER MOTOR
VCC
Dioda freewheel
Motor DC
Deretan pulsa
• Deretan pulsa
membuat
transistor On
dan OFF
14
CHOPPER
• Pengubah DC ke DC dengan
menggunakan chopper.
ON
A
Tegangan DC
OFF
B
CHOPPER
Keluaran Chopper
• Dengan mengubah duty cycle maka
besar tegangan keluaran dapat diubah. 15
CATU DAYA DC
1. Hampir semua peralatan elektronis membutuhkan
sumber DC yang stabil. Baterei yang biasa digunakan
untuk keperluan ini terbatas daya yang disimpannya.
2. Contoh :
 Baterei alkalin 9 V akan habis dalam satu hari pada
arus 100 mA.
 Aki mobil akan habis dalam 2 jam pada 1 A.
3. Salah satu catu daya yang sederhana adalah terbuat
dari dioda penyearah, trafo, dan filter serta untai
regulator.
16
Bahasan Utama
• Catu Daya Analog
– Review penyearahan dan filtering
– Review dioda zener sebagai regulator
tegangan
– Regulator tegangan dengan Transistor seri
– Regulator arus transistor
– IC regulator tegangan (mis. 78/79XX, LM317)
17
Diagram kotak catu daya
18
CATU DAYA
TAK
TEREGULASI
I
Ada dua persamaan :
V0 ( DC)  V peak  2Vdiode
T
1

2 2f
V
2,4V0
Ripple V 

4 3 fC CRL
I
Lihat buku : Boylestad, hal. 894
V0
Pilihan kapasitor tergantung pada ripel yang
diijinkan dan arus yang mengalir
19
Penyearah jembatan
VP  2 Vs  1,4
 0,00417

Vdc  VP 1 

R
C
L F 

V
0,0024VP
Vr 
RLC F
t
20
Penyearah separoh gelombang
VP  2 VS  0,7
 0,00833

Vdc  VP 1 

R
C
L F 

V
0,0048VP
Vr 
RLC F
t
21
Penyearah gelombang penuh
VP  0,707Vs  0,7
 0,00417

Vdc  VP 1 

R
C
L F 

V
t
0,0024VP
Vr 
RLC F
22
Rumus lainnya…………. .
Mengatur pers. sebelumnya: VP = Vdc + 1,736 Vr
Tegangan ripel dalam prosen:
Vr
% ripple 
x100
Vdc
Dioda harus mampu menahan arus surja:
I surge
VP

RW
RW adalah hambatan belitan trafo :
VNL  VFL
RW 
I FL
23
Perbandingan beberapa jenis
penyearah
1. Penyearah separoh gelombang hanya
membutuhkan satu dioda tetapi ripelnya dua
kali lipat terhadap jenis lain.
2. Penyearah gelombang penuh membutuhkan
trafo dengan tap ditengah.
3. Penyearah jembatan merupakan yang terbaik,
walaupun membutuhkan 4 buah dioda.
24
Mengapa regulator diperlukan ?
1.Karena ada variasi tegangan
masukan (dari sumber AC) yang
tak terduga.
2.Ada pembebanan yang bervariasi
terhadap waktu.
25
Regulasi Tegangan
Merupakan ukuran efektifitas suatu regulator tegangan
untuk mempertahankan tegangan keluaran terhadap
perubajhan tegangan sumber.
Regulasi tegangan(mV / V ) 
Vo
Vi
Vo 100
% regulasi
x
Vi Vo
26
Regulasi beban
Merupakan kemampuan regulator untuk mempertahankan
tegangan keluaran walaupun ada perubahan arus beban
Vo
Regulationbeban (mV / A) 
I L
Vo 100
% regulasi beban 
x
I L Vo
27
Spesifikasi lain
Definisi regulasi tegangan :
V  VFL
regulasi tegangan (%)  NL
x100
VFL
Kemampuan mengurangi ripel tegangan keluaran :
penolakanripel (dB)  20log
Hambatan regulator :
Rs 
Vr (out )
Vr (in)
Vo

I L
28
Regulator tegangan yang
menggunakan Dioda Zener
Karakteristik I-V
Rangkaian
IZM
29
Regulator Dioda Zener
• VZ tergantung pada arus I dan suhu.
• Dioda Zener dengan tegangan rated < 6 V
mempunyai koefisien suhu negatif; untuk yang > 6
V mempunyai koefisien positip.
• Agar Vo tetap, IZT bervariasi dalam menanggapi
perubahan IL atau Vi. Misal, bila RL membesar, IL
menurun, maka IZT harus membesar untuk
mempertahankan arus yang lewat Rs tetap.
Karena tegangan pada Rs tetap, maka Vo tetap.
30
Rumus dalam untai regulator
Rs menentukan arus bias zener, IZT:
Vi  VZ Vi  VZ
Rs 

I Rs
I ZT  I L
Untuk nilai Vi yang tetap, tetapi RL bervariasi :
RsVZ
VZ
min. RL 

I Rs Vi  VZ
max. RL 
VZ
I L (min)
VZ

I Rs  I ZM
31
Rumus (lanjutan)
Untuk Rl yang tetap, tetapi Vi bervariasi :
RL  Rs
min .Vi 
VZ
RL
max.Vi  I R (max) Rs  VZ
where I R (max)  I ZM  I L
Tegangan riak output pada regulator dengan zener :
Vr ( out )
RL // RZ

Vr (in)
RL // RZ  Rs
RZ = hambatan ac
dioda zener
32
REGULATOR TEGANGAN
DENGAN TRANSISTOR SERI
Regulator sederhana dapat
diperbaiki dengan
penambahan transistor
VBE = VZ - VL , maka setiap
pengurangan/ penambahan VL
akan di imbangi dengan
penambahan atau pengurangan
IE. Arus DC dalam rangkaian
sbb :
Vi  VZ
VL VZ  VBE
IL 

; IR 
RL
RL
R
IL = hFEIB; IZT = IR - IB
33
Regulator Tegangan dengan Dioda Zener
Unregulated Vin
Tegangan keluaran : Vout = VZ - VBE VZ – 0,7.
R
RC
VZ tergantung pada arus yang mengalir lewat dioda.
Tetapi arus basis ini lebih kecil dibanding arus dioda
Zener.
Pemilihan hambatan R tergantung pada arus yang
diinginkan lewat dioda dan arus bebabn.
Bila catu daya harus mengeluarkan arus 1 A maka
Regulated arus basis 10 mA, (bila  =100).
Arus dioda zener harus lebih besar lagi, sehingga
Vout
perubahannya tak berpengaruh pada tegangan
referensi
Untuk zener 1 W, arus normalnya ~20-50 mA
(untuk 0,5 W, normalnya sekitar puluhan mAs)
34
Regulator Tegangan dengan Dioda Zener
Unregulated Vin
Hambatan RC digunakan untuk membatasi
arus saat keluaran terhubung singkat.
R
RC
Kalau hal itu terjadi maka tak ada regulasi dan
tegangan Vin muncul antara RC dan R, karena
emiter dan basis ter-grounded.
Agar aman maka saat arus maksimum dibuat
tegangan drop pada RC dibuat lebih kecil
dibanding tegangan drop pada R.
Regulated Contoh : Bila maksimum arus = 1 A dan
Vout
tegangan taktergulasi 5 V lebih besar
dibanding keluaran maka RC ~ 4.3 V/1 A =
4. Ini akan membuat BJT berada jauh dari
kondisi jenuh karena arus output kurang dari
Vin/RC.
35
Regulator Tegangan
dgn Transistor Shunt
VBE = VL - VZ,
Penurunan VL
Atau penambahan
Akan menambah IRs
Atau menurunkan IRs.
VL = Vi - IRsRs.
VL VZ  VBE
Vi  (VZ  VBE )
IL 

; I Rs 
RL
RL
RS
IE = IRs - IL = hFEIZT
36
REGULATOR TEGANGAN
dgn OP-AMP
Series
Shunt
 R2 
VZ
Vo  1 
 R3 
37
Catatan pada Regulator tegangan
dengan Opamp
• Lebih fleksibel dalam perancangan
dibanding regulator dengan IC.
• Elemen yang utama : zener, seri atau
shunt transistor, untai perasa, dan penguat
kesalahan.
• Vo tergantung R2, R3, dan VZ.
• Konfigurasi shunt kurang efisien karena R2
bisa menyebabkan ada pembatasan arus
short-circuit.
38
Pembatas arus
Cara ini dapat digunakan untuk mengatasi
arus hubung singkat atau arus lebih pada
regulator seri
Arus output
dibatasi :
I L(max) 
0,7
R4
39
Pembatas arus terlipat balik
Cara lebih baik dalam melindungi regulator
terhadap arus hubung singkat
VBE 2
R6
 VB 2  Vo 
(Vo  I L R4 )  Vo
R5  R6
40
Rumus perancangan
pembatas arus terlipat balik
Maksimum arus beban tanpa pembatas arus :
R5Vo  0,7( R5  R6 )
I L(max) 
R4 R6
Tegangan keluaran pada kondisi pembatasan arus :
Vo ' 
0,7( R5  R6 ) RL
R 4 R6  R5 RL
Arus hubung singkat ( bila Vo = 0) :
I short 
0,7( R5  R6 )
R4 R6
41
Karakteristik pembatas terlipat
balik
• Ishort < IL(max) dan Vo
konstan setelah RL >
nilai kritis.
Vo
IL
• Untuk perancangan,
• R5 + R6 = 1 k
• Dan bila Ishort dan
L(max) ditentukan ,
maka
R4 
0,7Vo
I short (Vo  0,7)  0,7 I L(max) 42
Regulator arus transistor
Dirancang untuk menjaga arus konstan pada
beban untuk variasi Vi atu RL.
Untuk BJT, VEB = VZ - VRE.
Setiap perubahan IL akan diimba
perubahan yang berlawanan dar
VEB,
43
IC Voltage Regulators
• There are basically two kinds of IC voltage
regulators:
– Multipin type, e.g. LM723C
– 3-pin type, e.g. 78/79XX
• Multipin regulators are less popular but
they provide the greatest flexibility and
produce the highest quality voltage
regulation.
• 3-pin types make regulator circuit design 44
simple.
Multipin IC Voltage Regulator
LM 723C Schematic
• The LM723 has an
equivalent circuit that
contains most of the
parts of the op-amp
voltage regulator.
• It has an internal
voltage reference,
error amplifier, pass
transistor, and current
limiter all in one IC
package.
45
Catatan LM723
• 14-pin DIP atau 10-pin, TO-100
• Dapat + atau -, variable or fixed regulated
voltage output
• Max. output current with heat sink is 150
mA
• Drop voltage is 3 V (i.e. VCC > Vo(max) + 3)
46
LM723
konfigurasi tegangan tinggi
Persamaan :
Vo 
Vref ( R1  R2 )
R1R2
R3 
R1  R2
R2
Rsens
0.7

I max
Pilih R1 + R2 = 10 k,
dan Cc = 100 pF.
Perlu tambahan transistor luar
detektor arus.
Ganti R1 dengan potensio
agar Vo variable,
47
LM723
konfigurasi tegangan rendah
I L (max)
R 4 Vo  0.7(R 4  R 5 )

R 5 R sens
I short
R sens
0.7(R 4  R 5 )

R 5 R sens
0.7Vo

Ishort (Vo  0.7)  0.7I L (max)
Dalam kondisi terlipat :
R 2 Vref
Vo 
R1  R 2
0.7R L (R 4  R 5 )
Vo ' 
R 5 R sens  R 4 R L
48
Regulator 3 terminal
tegangan konstan
• Sederhana,
• Standard kemasan transistor TO-3 (20 W) or
TO-220
• Seri 78/79XX untuk 5, 6, 8, 12, 15, 18, or 24 V
output
• Max. arus 1 A (dengan pendingin)
• Ada proteksi termal.
• Drop tegangan 3-V, max. input : 37 V
49
Regulators 78/79XX
•
•
•
•
Regulator 78XX / 79XX bisa untuk teg pos/neg
C1 untuk menghilangkan efek induktansi
C2 memperbaiki transient response.
Biasanya 1 mF tantalum atau 0.1 mF mica
50
Dual-Polarity Output with 78/79XX
Regulators
51
Regulator 78XX
dengan Pass Transistor
•
•
•
•
•
0.7
R1 
I max
0.7
R2 
I R2
Q1 mulai ON saat VR2 = 0.7 V.
R2 pilih max shg IR2 : 0.1 A.
Disipasi daya Q1
P = (Vi - Vo)IL.
Q2 untuk proteksi pembatas
arus. ON saat VR1 = 0.7 V.
• Q2 harus mampu mengalirkan
arus sampai 1 A;
• max. VCE2 hanya 1.4 V.
52
78XX Floating Regulator
• Untuk output > the
Vreg sampai 37 V.
• R1 dipilih shg
R1 = 0.1 Vreg/IQ,
IQ adalah arus kerja
regulator.
Vo  Vreg
 Vreg

 
 I Q  R2
 R1

atau R2 
R1 (Vo  Vreg )
Vreg  I Q R1
53
3-Terminal Variable Regulator
• The floating regulator could be made into a
variable regulator by replacing R2 with a pot.
However, there are several disadvantages:
– Minimum output voltage is Vreg instead of 0 V.
– IQ is relatively large and varies from chip to chip.
– Power dissipation in R2 can in some cases be quite
large resulting in bulky and expensive equipment.
• A variety of 3-terminal variable regulators are
available, e.g. LM317 (for +ve output) or LM 337
(for -ve output).
54
LM317 untuk Variable Regulator
(a)
Circuit with capacitors
to improve performance
(b)
Circuit with protective
diodes
55
LM317 Circuits
• C3 untuk mengurangi riak tegangan.
• Dioda proteksi diperlukan saat
pengguanaan untuk arus/tegangan tinggi.
Vo  Vref
R2 
 Vref



 I adj  R2
 R1

Bila Vref = 1.25 V,
arus Iadj biasanya 50 mA).
R1 (Vo  Vref )
Vref  I adj R1
R1 = Vref /IL(min),
IL(min) :10 mA.
56
Other LM317 Regulator Circuits
Circuit with pass transistor
and current limiting
Circuit to give 0V min.
output voltage
57