Unregulated Power Supply (tidak diregulasi)
Unregulated Power Supply adalah jenis Power Supply yang paling sederhana untuk dibangun, hampir semua perangkat elektronik dan rangkaian memerlukan beberapa bentuk sumber daya DC untuk operasinya baik dari baterai, sel surya atau sebagai power supply atau catu daya listrik.
Sementara baterai memiliki keuntungan ukuranya yang kecil, portabel dan bebas riak, mereka perlu sering diganti (atau diisi ulang) dan juga mahal dibandingkan dengan Power Supply DC konvensional.
Karena di rumah, sekolah, dan tempat kerja kita memiliki sumber daya listrik yang nyaman, andal, dan ekonomis, masuk akal untuk menggunakan supply AC listrik domestik untuk memberi daya pada rangkaian kita.
Namun, supply listrik AC jauh lebih tinggi (biasanya 220-250 V rms) daripada tegangan DC yang jauh lebih kecil yang disediakan oleh baterai. Proses mengubah tegangan AC yang lebih tinggi ini menjadi tegangan DC yang jauh lebih rendah disebut Penyearah.
Penyearah adalah proses mengubah daya AC menjadi daya DC. Dalam tutorial Dioda kami melihat bahwa dioda menjalankan arus hanya dalam satu arah (dari Anoda ke Katoda) dan tidak dalam arah sebaliknya. Kemampuan dioda untuk mengalihkan arus dalam satu arah hanya membuatnya ideal untuk mengubah arus bolak-balik dua arah menjadi arus searah atau supply DC konstan seperti yang ditunjukkan.
Kita dapat melihat bahwa input AC ke dioda adalah sinusoida yang bergantian antara setengah siklus positif dan negatif, sedangkan output dari dioda penyearah DC memiliki bentuk gelombang yang hanya positif ke nol volt, setengah siklus negatif diblokir. Jenis bentuk gelombang output ini disebut “setengah gelombang pulsa DC”.
Tetapi umumnya semua Power Supply yang tidak diregulasi terdiri dari transformator untuk mengecilkan tegangan listrik AC ke tingkat yang diperlukan serta menyediakan isolasi listrik dan dioda penyearah untuk menyediakan tegangan output tidak stabil.
Pertimbangkan rangkaian Power Supply setengah gelombang yang tidak diregulasi di bawah ini.
Input hantaran listrik diterapkan pada belitan primer transformator induk, T1 dengan belitan sekunder transformator yang men-supply AC tegangan rendah ke dioda penyearah D1. Bentuk gelombang output yang dihasilkan mengandung level tegangan DC yang kira-kira sama dengan 1/π atau 0.318 dari tegangan puncak.
Jadi misalnya, jika tegangan puncak sinusoidal adalah 10 volt, maka output DC yang setara akan menjadi: 0.318 x 10 = 3.18 volt. Maka penting bahwa Anda memilih transformator tegangan yang tepat untuk Power Supply Anda yang Unregulated.
Seperti yang telah kita lihat di atas, bentuk gelombang output dari dioda pulsa DC. Jelas tegangan DC yang ber-pulsa ini tidak cocok untuk memberi daya pada sebagian besar rangkaian elektronik karena tidak hanya tegangan supply sangat bervariasi dan cepat dibandingkan dengan supply baterai DC yang ideal, tidak ada tegangan supply sama sekali untuk 50% dari waktu selama setengah siklus negatif.
Sangat sering ketika memperbaiki tegangan bolak-balik kami ingin menghasilkan tegangan langsung keadaan stabil seperti yang akan kami peroleh dari supply baterai dan bebas dari variasi bentuk gelombang yang disebutkan di atas. Salah satu cara untuk mengatasi masalah ini adalah dengan menambahkan kapasitor smoothing di terminal output yang menghubungkannya secara paralel dengan beban secara efektif.
Kita tahu bahwa kapasitor memiliki kemampuan untuk menyimpan muatan listrik pada platnya dan kita dapat menggunakan kemampuan ini untuk membantu memuluskan beberapa bentuk gelombang yang berdenyut(pulsa).
Kapasitor, C1, biasanya disebut kapasitor smoothing atau kapasitor reservoir, menjadi terisi oleh arus yang mengalir melalui dioda forward bias selama setengah siklus positif. Jumlah muatan pada plat kapasitor tergantung pada puncak tegangan output positif dari transformator, T1 dan nilai kapasitor sebagai muatan, Q sama dengan V x C (volt x kapasitansi).
Ketika tegangan output dari T1 mulai berkurang ke nol, kapasitor yang terisi sekarang mengambil alih memasok arus ke beban. Pada titik tertentu, tegangan output dari T1 melintasi lebih dari nol dan memasok setengah siklus negatif yang membalikkan bias dioda menjadi cut-off. Selama setengah siklus ini, kapasitor C1 memasok semua arus ke beban dan melepaskan dirinya sendiri pada tingkat yang ditentukan oleh konstanta waktu beban.
Pada setengah siklus positif berikutnya, transformator T1 mengambil alih kendali lagi memasok daya ke beban dan terus melakukannya sampai tegangan output dari T1 kembali ke nilai puncak positifnya sekali lagi. Selama periode ini C1 mengisi kembali dan memberikan arus output ke beban ketika tegangan dari T1 turun lagi sampai tegangan puncak positif berikutnya dari T1 seperti yang ditunjukkan.
Sebagai kapasitor, C1 tidak dapat memiliki nilai yang tak terbatas, tidak dapat memberikan supply output DC yang sangat halus yang dalam beberapa kasus dapat berbentuk gelombang gigi gergaji.
Variasi dalam bentuk gelombang output karena ketidakmampuan kapasitor untuk mempertahankan output yang stabil disebut "Ripple/Riak" dan riak dihasilkan untuk setiap siklus lengkap input AC. Dengan kata lain untuk rangkaian penyearah setengah gelombang jumlah frekuensi riak DC berdenyut (pulsa) akan sama dengan frekuensi AC input.
Jumlah riak yang ada pada bentuk gelombang output tergantung pada karakteristik beban tetapi untuk nilai kapasitor tertentu, arus beban yang lebih besar (resistansi beban yang lebih kecil) melepaskan kapasitor lebih banyak dan dengan demikian meningkatkan konten riak dari bentuk gelombang output.
Anda mungkin berpikir, mengapa tidak menggunakan kapasitor nilai lebih besar untuk mengurangi konten riak, tetapi ada batas untuk menggunakan kapasitor smoothing besar (biasanya elektrolitik) berkaitan dengan biaya, ukuran dan meningkatkan nilainya melebihi titik tidak akan mengurangi riak secara signifikan.
Juga menggunakan kapasitor smoothing nilai besar dapat membutuhkan arus pengisian yang sangat besar untuk dipasok melalui jembatan dioda. Namun, dimungkinkan untuk meningkatkan konten riak yang ada dalam tegangan output yang dipasok oleh Power Supply yang tidak diregulasi dengan menambahkan lebih banyak kapasitor dari nilai yang berbeda secara paralel di seluruh terminal output.
Sementara baterai memiliki keuntungan ukuranya yang kecil, portabel dan bebas riak, mereka perlu sering diganti (atau diisi ulang) dan juga mahal dibandingkan dengan Power Supply DC konvensional.
Karena di rumah, sekolah, dan tempat kerja kita memiliki sumber daya listrik yang nyaman, andal, dan ekonomis, masuk akal untuk menggunakan supply AC listrik domestik untuk memberi daya pada rangkaian kita.
Namun, supply listrik AC jauh lebih tinggi (biasanya 220-250 V rms) daripada tegangan DC yang jauh lebih kecil yang disediakan oleh baterai. Proses mengubah tegangan AC yang lebih tinggi ini menjadi tegangan DC yang jauh lebih rendah disebut Penyearah.
Penyearah adalah proses mengubah daya AC menjadi daya DC. Dalam tutorial Dioda kami melihat bahwa dioda menjalankan arus hanya dalam satu arah (dari Anoda ke Katoda) dan tidak dalam arah sebaliknya. Kemampuan dioda untuk mengalihkan arus dalam satu arah hanya membuatnya ideal untuk mengubah arus bolak-balik dua arah menjadi arus searah atau supply DC konstan seperti yang ditunjukkan.
Dioda Penyearah
Kita dapat melihat bahwa input AC ke dioda adalah sinusoida yang bergantian antara setengah siklus positif dan negatif, sedangkan output dari dioda penyearah DC memiliki bentuk gelombang yang hanya positif ke nol volt, setengah siklus negatif diblokir. Jenis bentuk gelombang output ini disebut “setengah gelombang pulsa DC”.
Unregulated Power Supply Setengah Gelombang
Tujuan dari Power Supply adalah untuk menyediakan jumlah daya listrik yang diperlukan pada level tegangan dan arus yang ditentukan, misalnya +9 volt pada 500mA. Karakteristik listrik dari setiap Power Supply akan tergantung pada rangkaian atau rangkaian yang ditenagai.Tetapi umumnya semua Power Supply yang tidak diregulasi terdiri dari transformator untuk mengecilkan tegangan listrik AC ke tingkat yang diperlukan serta menyediakan isolasi listrik dan dioda penyearah untuk menyediakan tegangan output tidak stabil.
Pertimbangkan rangkaian Power Supply setengah gelombang yang tidak diregulasi di bawah ini.
Unregulated Power Supply Setengah Gelombang
Input hantaran listrik diterapkan pada belitan primer transformator induk, T1 dengan belitan sekunder transformator yang men-supply AC tegangan rendah ke dioda penyearah D1. Bentuk gelombang output yang dihasilkan mengandung level tegangan DC yang kira-kira sama dengan 1/π atau 0.318 dari tegangan puncak.
Jadi misalnya, jika tegangan puncak sinusoidal adalah 10 volt, maka output DC yang setara akan menjadi: 0.318 x 10 = 3.18 volt. Maka penting bahwa Anda memilih transformator tegangan yang tepat untuk Power Supply Anda yang Unregulated.
Seperti yang telah kita lihat di atas, bentuk gelombang output dari dioda pulsa DC. Jelas tegangan DC yang ber-pulsa ini tidak cocok untuk memberi daya pada sebagian besar rangkaian elektronik karena tidak hanya tegangan supply sangat bervariasi dan cepat dibandingkan dengan supply baterai DC yang ideal, tidak ada tegangan supply sama sekali untuk 50% dari waktu selama setengah siklus negatif.
Sangat sering ketika memperbaiki tegangan bolak-balik kami ingin menghasilkan tegangan langsung keadaan stabil seperti yang akan kami peroleh dari supply baterai dan bebas dari variasi bentuk gelombang yang disebutkan di atas. Salah satu cara untuk mengatasi masalah ini adalah dengan menambahkan kapasitor smoothing di terminal output yang menghubungkannya secara paralel dengan beban secara efektif.
Kita tahu bahwa kapasitor memiliki kemampuan untuk menyimpan muatan listrik pada platnya dan kita dapat menggunakan kemampuan ini untuk membantu memuluskan beberapa bentuk gelombang yang berdenyut(pulsa).
Kapasitor, C1, biasanya disebut kapasitor smoothing atau kapasitor reservoir, menjadi terisi oleh arus yang mengalir melalui dioda forward bias selama setengah siklus positif. Jumlah muatan pada plat kapasitor tergantung pada puncak tegangan output positif dari transformator, T1 dan nilai kapasitor sebagai muatan, Q sama dengan V x C (volt x kapasitansi).
Ketika tegangan output dari T1 mulai berkurang ke nol, kapasitor yang terisi sekarang mengambil alih memasok arus ke beban. Pada titik tertentu, tegangan output dari T1 melintasi lebih dari nol dan memasok setengah siklus negatif yang membalikkan bias dioda menjadi cut-off. Selama setengah siklus ini, kapasitor C1 memasok semua arus ke beban dan melepaskan dirinya sendiri pada tingkat yang ditentukan oleh konstanta waktu beban.
Pada setengah siklus positif berikutnya, transformator T1 mengambil alih kendali lagi memasok daya ke beban dan terus melakukannya sampai tegangan output dari T1 kembali ke nilai puncak positifnya sekali lagi. Selama periode ini C1 mengisi kembali dan memberikan arus output ke beban ketika tegangan dari T1 turun lagi sampai tegangan puncak positif berikutnya dari T1 seperti yang ditunjukkan.
Penyearah Setengah Gelombang
Sebagai kapasitor, C1 tidak dapat memiliki nilai yang tak terbatas, tidak dapat memberikan supply output DC yang sangat halus yang dalam beberapa kasus dapat berbentuk gelombang gigi gergaji.
Variasi dalam bentuk gelombang output karena ketidakmampuan kapasitor untuk mempertahankan output yang stabil disebut "Ripple/Riak" dan riak dihasilkan untuk setiap siklus lengkap input AC. Dengan kata lain untuk rangkaian penyearah setengah gelombang jumlah frekuensi riak DC berdenyut (pulsa) akan sama dengan frekuensi AC input.
Jumlah riak yang ada pada bentuk gelombang output tergantung pada karakteristik beban tetapi untuk nilai kapasitor tertentu, arus beban yang lebih besar (resistansi beban yang lebih kecil) melepaskan kapasitor lebih banyak dan dengan demikian meningkatkan konten riak dari bentuk gelombang output.
Anda mungkin berpikir, mengapa tidak menggunakan kapasitor nilai lebih besar untuk mengurangi konten riak, tetapi ada batas untuk menggunakan kapasitor smoothing besar (biasanya elektrolitik) berkaitan dengan biaya, ukuran dan meningkatkan nilainya melebihi titik tidak akan mengurangi riak secara signifikan.
Juga menggunakan kapasitor smoothing nilai besar dapat membutuhkan arus pengisian yang sangat besar untuk dipasok melalui jembatan dioda. Namun, dimungkinkan untuk meningkatkan konten riak yang ada dalam tegangan output yang dipasok oleh Power Supply yang tidak diregulasi dengan menambahkan lebih banyak kapasitor dari nilai yang berbeda secara paralel di seluruh terminal output.
Unregulated Power Supply Gelombang Penuh
Kita telah melihat bahwa tegangan output dari Power Supply setengah gelombang yang tidak diregulasi mungkin sulit untuk disaring ke tingkat DC yang lancar karena tegangan dan arus output diterapkan ke beban hanya untuk setengah dari setiap siklus input.
Juga kerugian lain dari Power Supply setengah gelombang yang tidak diregulasi adalah periode yang relatif lama antara pengisian kapasitor pulsa yang disediakan oleh transformator yang mengharuskan penggunaan kapasitor smoothing jenis elektrolitik yang relatif besar.
Namun, jika kami menambahkan dioda penyearah kedua ke rangkaian sehingga setiap setengah siklus input, bukan setiap setengah siklus lainnya, berkontribusi pada bentuk gelombang output yang diperbaiki, jumlah konten riak akan sangat berkurang dan ini dapat dicapai dengan menggunakan Unregulated Power Supply Gelombang Penuh.
Power Supply gelombang penuh yang tidak diregulasi bervariasi dari saudara setengahnya dengan menggunakan transformator listrik dengan belitan sekunder yang disadap tengah dan dua dioda penyearah seperti yang ditunjukkan.
Unregulated Power Supply Gelombang Penuh
Kita dapat melihat bahwa dua bagian dari belitan sekunder secara efektif mengumpankan untuk memisahkan rangkaian penyearah setengah gelombang dari tipe yang dijelaskan di atas, dengan dua output digabungkan bersama dan dihaluskan oleh kapasitor smoothing biasa, C1.
Kedua dioda, D1 dan D2 beroperasi dalam pengaturan tipe dorong-tarik karena transformator sekunder grounded (0V) untuk membuat perbedaan fasa 180° antara gulungan sekunder setengah atas dan bawah. Kemudian bagian atas memberikan tegangan positif dan setengah negatif tegangan negatif.
Ketika gelombang input AC positif, tegangan positif dikembangkan melintasi setengah bagian atas T1 forward bias dioda sekunder, D1 memutarnya "ON", sedangkan tegangan negatif yang sesuai dikembangkan di lilitan bawah reverse bias dioda sekunder T1, di balik D2 itu "OFF". Kemudian arus disupply ke beban melalui dioda D1 saja.
Ketika gelombang input AC berayun negatif, tegangan negatif dikembangkan di bagian atas T1 dioda putar sekunder D1 "OFF", sementara tegangan positif dikembangkan di bagian bawah T1 forward bias sekunder dan memutar dioda "ON", D2. Kemudian arus disupply ke beban melalui dioda D2 saja.
Kemudian dua dioda dan transformator CT mengganti arus AC dua arah yang dikembangkan melintasi belitan sekunder secara bergantian melalui beban. Bentuk gelombang output yang dihasilkan mengandung level tegangan DC yang kira-kira sama dengan 2/π atau 0.636 dari tegangan puncak.
Jadi misalnya, jika tegangan puncak sinusoidal adalah 10 volt, maka output DC ekuivalen akan menjadi: 0.636 x 10 = 6.36 volt, dua kali lipat dari penyearah setengah gelombang seperti yang ditunjukkan.
Penyearah Gelombang Penuh
Keuntungan dari rangkaian Power Supply gelombang penuh yang tidak diregulasi (unregulated) ini adalah bahwa ia membutuhkan kapasitor perataan sekitar setengah dari nilai yang diperlukan untuk rangkaian setengah gelombang karena ia terisi dua kali lebih sering dalam rangkaian gelombang penuh seperti dalam rangkaian setengah gelombang dan jumlah debit untuk arus beban yang diberikan karenanya kurang.
Juga, karena dua setengah siklus muncul di kapasitor smoothing untuk setiap satu siklus pada input, konten riak akan lebih rendah dan frekuensi riak akan dua kali lipat dari frekuensi input. Misalnya, jika frekuensi input sinusoidal adalah 50Hz, maka frekuensi riak akan menjadi 100Hz. Hasilnya, frekuensi riak yang lebih tinggi ini lebih mudah untuk menghaluskan fluktuasi apa pun.
Ringkasan Unregulated Power Supply
Salah satu kelemahan utama dari Unregulated Power Supply adalah bahwa tegangan outputnya dipengaruhi secara signifikan oleh perubahan tegangan listrik dan juga oleh perubahan arus beban. Karena beban menarik lebih banyak arus, tegangan terminal DC berkurang.
Juga bentuk gelombang output yang dihasilkan oleh Power Supply setengah gelombang yang tidak diregulasi memiliki tingkat DC sekitar 0.318 x Vpuncak bersama dengan variasi AC besar yang menyerupai bentuk gelombang gigi gergaji. Bentuk gelombang output ini umumnya dikenal sebagai tegangan DC yang berdenyut (pulsa).
Untuk menghapus beberapa konten AC, sebuah kapasitor smoothing digunakan memungkinkan konten DC untuk lulus dan mengurangi AC menjadi riak kecil. Penyearah setengah gelombang menghasilkan frekuensi riak yang sama dengan frekuensi input.
Salah satu cara untuk meningkatkan tegangan output DC, mengurangi konten gelombang riak dan meningkatkan efisiensi adalah dengan menggunakan penyearah gelombang penuh yang terdiri dari dua dioda dan transformator center-tapped untuk menghasilkan dua bentuk gelombang yang sama dan berlawanan di setiap setengah dari gulungan sekunder.
Kerugian atau kelemahan utama dari Power Supply gelombang penuh yang tidak diregulasi (unregulated) adalah membutuhkan transformator yang lebih besar untuk daya output yang diberikan.
Unregulated Power Supply (tidak regulasi) setengah gelombang yang murah dan mudah dibangun yang mengubah daya AC menjadi daya DC yang berdenyut. Kita telah melihat bahwa kapasitor smoothing dapat digunakan untuk mengubah DC yang berdenyut ini dari dioda penyearah, baik dioda penyearah setengah gelombang dari dioda penyearah gelombang penuh menjadi supply DC bebas yang cukup lancar dan berombak untuk menghidupkan rangkaian elektronik atau untuk mengisi baterai.