IC Regulator Tegangan (Voltage Regulator)

IC Regulator Packages (LM317)

Regulator tegangan sederhana-nya adalah suatu rangkaian elektronika yang berfungsi untuk mengatur agar tegangan keluaran-nya tetap berada pada posisi yang ditentukan walau tegangan masukkan-nya berubah-ubah. Rangkaian regulator tegangan ini kemudian dikemas dalam bentuk sirkuit terintegrasi (IC).

IC regulator tegangan yang banyak dijumpai di pasaran antara lain IC regulator keluarga 78xx dan LM317, sehingga dalam artikel ini akan dibahas mengenai bagaimana masing-masing IC tersebut dirangkai beserta perhitungan-nya.

Jenis / Tipe Dasar IC Regulator Tegangan

Jenis-jenis atau tipe IC regulator tegangan itu dibedakan menjadi :

• Fixed Voltage Regulator (78xx / 79xx Series)
• Adjustable Voltage Regulator (LM317 series )

Fixed Voltage Regulator IC

IC Regulator jenis ini merupakan regulator yang tegangan keluaran-nya telah ditentukan sehingga tidak banyak komponen tambahan untuk merangkai regulator menggunakan IC ini. Contoh IC regulator ini yang paling populer adalah keluarga 78xx (positif) dan 79xx (negatif). Tanda “xx” merupakan besar tegangan keluaran yang diatur oleh IC tersebut, contoh:

• 7805 / 7905 menghasilkan tegangan keluaran sebesar +5VDC / -5VDC.
• 7809 / 7909 menghasilkan tegangan keluaran sebesar +9VDC / -9VDC.
• 7812 / 7912 menghasilkan tegangan keluaran sebesar +12VDC / -12VDC.
• 7824 / 7924 menghasilkan tegangan keluaran sebesar +24VDC / -24VDC.

Bagaimana Fixed Voltage Regulator IC Dirangkai?

Rangkaian dasar dari jenis regulator ini bisa dilihat pada gambar di bawah ini.

Rangkaian dasar untuk 78xx

Rangkaian dasar untuk 79xx

• Cin : merupakan kapasitor input filter dengan kapasitas standar yang digunakan adalah 330nF.
• Cout : merupakan kapasitor output filter dengan kapasitas standar yang digunakan adalah 100nF.

Dari kedua rangkaian regulator dasar di atas terlihat sangat sederhana bukan?! Yang membedakan keduanya adalah polaritas-nya saja.

Fixed Voltage Regulator Dengan Output Current Boosting

Rangkaian regulator tegangan dasar di atas hanya mampu mengalirkan arus maksimal 1,5A (berdasarkan datasheet), lalu bagaimana jika kita membutuhkan regulator tegangan dengan arus yang lebih besar. Berikut ini merupakan rangkaian untuk meningkatkan arus keluaran di atas 1,5A.

Rangkaian Fixed Voltage Regulator Dengan Output Current Boosting

Nilai resistansi dari resistor R1 dapat dihitung menggunakan persamaan berikut.

Dimana:

• R1 : resistansi resistor R1 dalam Ohm (Ω)
• Q1_hfe : Penguatan arus (Current Gain) pada transistor Q1 (lihat datasheet)
• V_BE : tegangan Basis-Emitter pada transistor Q1(lihat datasheet) dalam Volt (V)
• I_regMax : Arus maksimum yang dikeluarkan oleh IC regulator IC1 (lihat datasheet) dalam Ampere (A)
• I_OMax : Arus keluaran maksimum yang kita inginkan dalam Ampere (A)

Sebagai contoh dengan menggunakan rangkaian di atas, kita membutuhkan arus keluaran maksimum (I_OMax) 5A, rangkaian regulator tegangan menggunakan IC 7805 dengan I_regMax = 1A, transistor Q1 dengan hfe = 45 dan V_BE = 1,8V. Berapa nilai R1 yang dibutuhkan?

Jawab :

• R1 = (Q1_hfe x V_BE) / (I_regMax x (Q1_hfe + 1) – I_OMax)
• R1 = (70 x 1,8) / (1 x (45 +1) – 5)
• R1 = 126 / 41
• R1 = 3,07Ω

transistor Q1 merupakan transistor power dengan syarat memiliki hfe lebih besar sama dengan arus keluaran maksimum (I_OMax) dibagi arus regulator maksimum (I_regMax)

Q1_hfe ≥ I_OMax / I_regMax

Fixed Voltage Regulator Sebagai Regulator Arus

Selain sebagai regulator tegangan, IC 78xx juga dapat digunakan sebagai regulator arus seperti yang terlihat pada gambar berikut ini.

Fixed Voltage Regulator Sebagai Regulator Arus

Secara teori arus maksimum yang dapat di regulasi oleh IC regulator 78xx adalah 1,5A. Besarnya arus keluaran yang di regulasi ditentukan oleh persamaan berikut.

I_out = (Vxx/R) + Id

Dimana:

• I_out = Arus keluaran yang di regulasi dalam Ampere (A)
• Vxx = Tegangan keluaran IC regulator dalam Volt (V)
• R = Resistansi resistor dalam Ohm (Ω)
• Id = Arus bias regulator (bisa dilihat pada datasheet) dalam Ampere (A)

Contoh, diketahui suatu rangkaian regulator arus yang dibangun menggunakan IC regulator 7805, dengan Id = 8mA dan R = 10 Ω. Hitung berapa I_out?

Jawab:

• I_out = (Vxx/R) + Id
• I_out = (5/10) + 8x10^-3
• I_out = 0,5A

Fixed Voltage Regulator sebagai Regulator Tegangan Variabel

Walaupun fixed voltage regulator seperti IC 78xx sudah memiliki tegangan keluaran yang telah ditetapkan, tetapi ternyata IC 78xx ini juga dapat bertindak sebagai regulator tegangan variabel atau dengan kata lain dapat kita ubah-ubah tegangan keluaran –nya seperti tampak pada gambar berikut.

Fixed Voltage Regulator sebagai Regulator Tegangan Variabel

Rangkaian di atas mampu menghasilkan tegangan keluaran 7V sampai dengan 30V hanya dengan memutar potensiometer VR1. Adapun syarat dari regulator tegangan variabel menggunakan IC 78xx ini adalah :

• Vin – Vout ≥ 2V
• Vin ≥ 35V (lihat datasheet untuk Vin maksimum)

Sebenarnya menggunakan fixed regulator 78xx sebagai regulator tegangan variabel ini jarang digunakan, karena sebagian besar orang lebih memilih menggunakan IC LM317 sebagai regulator tegangan variabel.

Adjustable Voltage Regulator IC

Adjustable Voltage Regulator IC merupakan jenis regulator tegangan yang dapat kita tentukan keluaran tegangan-nya atau bisa juga dibuat sebagai regulator tegangan variabel. Jenis IC yang sering digunakan sebagai Adjustable Voltage Regulator ini adalah IC regulator LM317 (positif) dan LM337 (negatif). Rentang tegangan yang mampu diatur oleh IC regulator ini adalah 1,2V sampai dengan 37V.

Bagaimana Adjustable Voltage Regulator Dirangkai?

Berbeda dengan IC keluarga 78xx, rangkaian LM317 dasar memerlukan komponen tambahan yakni dua buah resistor yang berfungsi untuk menentukan tegangan keluaran dari IC regulator LM317 ini. Rangkaian dasar / minimum untuk IC LM317 ini dapat bekerja, dapat dilihat pada gambar berikut ini.

Rangkaian Dasar Adjustable Voltage Regulator

Untuk menentukan tegangan keluaran pada rangkaian di atas digunakan persamaan berikut.

Vo = 1,25 x (1 + R2/R1) I_ADJ x R2

Dimana:

• Vo = Tegangan keluaran dalam Volt (V)
• R1 dan R2 = Resistansi resistor dalam Ohm (Ω), biasanya resistansi R1 sudah ditentukan yakni 240Ω dan kita tinggal mencari nilai resistansi R2.
• I_ADJ = Arus pada kaki adjustment IC LM317 (lihat datasheet) dalam Ampere (A)

Untuk membuatnya menjadi regulator tegangan variabel ganti resistor R2 dengan potensiometer / variabel resistor dengan nilai resistansi sebesar 5kΩ sampai dengan 10kΩ, seperti berikut ini.

Rangkaian Regulator Tegangan Variabel dengan IC LM317

Adjustable Voltage Regulator Dengan Output Current Boosting

Seperti hal-nya IC 78xx, IC LM317 juga hanya mampu mengalirkan arus maksimum kurang dari 1,5 Ampere, maka agar dapat mengalirkan arus yang lebih besar, diperlukan rangkaian current boosting seperti tampak pada gambar berikut.

Adjustable Voltage Regulator Dengan Output Current Boosting

Ya!!! rangkaian-nya sama seperti yang digunakan pada IC78xx dengan output current boosting, ini berarti perhitungan-nya menggunakan persamaan yang sama.

Adjustable Voltage Regulator Sebagai Regulator Arus

Adjustable voltage regulator juga dapat dirangkai menjadi sebuah regulator arus dan rangkaian-nya pun sama seperti yang digunakan pada IC 78xx.

Adjustable Voltage Regulator Sebagai Regulator Arus

Yang membedakan, hanya pada perhitungan untuk menentukan arus keluaran-nya (I_OUT). Arus keluaran pada rangkaian regulator arus yang menggunakan IC LM317 ditentukan dengan menggunakan persamaan berikut ini.

I_OUT = 1,25 / R

Perhitungan Disipasi Daya Pada IC Regulator

Untuk menghitung disipasi daya pada suatu IC regulator adalah dengan menggunakan persamaan berikut:

Pd = (Vin – Vout) x I_OUT

Dimana:

• Pd = Disipasi daya dalam Watt (W)
• Vin = Tegangan input dalam Volt (V)
• Vout = Tegangan output dalam Volt (V)
• I_OUT = Arus output dalam Ampere (A)

Persamaan di atas berlaku untuk kedua jenis regulator yang telah dibahas yakni Fixed Voltage Regulator (LM78xx dan 79xx) dan Adjustable Voltage Regulator (LM317 dan LM337).

Proteksi Pada Rangkaian Regulator Tegangan

Ada dua tipe umum rangkaian proteksi suatu rangkaian regulator tegangan, yang pertama adalah Reverse Polarity Protection dan yang kedua adalah Reverse Bias Protection.

Reversal Polarity Protection

Proteksi ini terdapat pada bagian keluaran (output) regulator, yang berfungsi untuk mencegah short circuit (hubung singkat) pada keluaran regulator. Penerapan proteksi Reverse Polarity Protection ini diterapkan pada Split Power Supply Regulator dengan cara menambahkan dioda (D1 dan D2) pada masing-masing keluaran regulator, seperti tampak pada gambar berikut ini.

Reversal Polarity Protection

Reverse Bias Protection

Proteksi ini digunakan untuk mencegah kerusakan pada IC regulator yang disebabkan oleh hubung singkat pada masukkan regulator, cara-nya dengan menambahkan sebuah dioda D1 yang terhubung dengan masukkan dan keluaran IC regulator, seperti pada gambar berikut ini.

Reverse Bias Protection

Sedangkan untuk IC Regulator LM317 yang di set sebagai regulator tegangan variabel dibutuhkan sebuah dioda lagi (D2) yang terhubung dengan keluaran dan kaki adjustment pada IC regulator. Proteksi diterapkan jika regulator tegangan di set untuk mengeluarkan tegangan di atas 24V, nilai kapasitansi C_out > 25uF dan C_adj > 10uF.

Proteksi Pada Rangkaian Regulator Variabel

Macam-Macam Rangkaian Regulator Tegangan

Selain rangkaian dasar, berikut ini beberapa rangkaian regulator tegangan yang di aplikasikan untuk keadaan tertentu.

High Input Voltage

Rangkaian ini digunakan jika tegangan masukkan-nya lebih besar dari yang ditetapkan datasheet Vin Max > 35V atau 40V.

High Input Voltage

R1, Q1 dan ZD1 merupakan rangkaian Pre-Regulator yang berfungsi untuk menurunkan tegangan ke level aman masukkan IC regulator IC1.

High Output Voltage

Rangkaian ini digunakan jika kita ingin me-regulasi tegangan keluaran yang lebih besar dari yang ditetapkan datasheet Vout > Vxx untuk IC 78xx, dengan syarat Vin > Vout.

High Output Voltage

Untuk menghitung besar tegangan keluaran-nya digunakan persamaan berikut.

V_OUT = Vxx + VZD1

Dimana :

• V_OUT = tegangan keluaran yang dihasilkan regulator dalam Volt (V)
• Vxx = tegangan keluaran pada IC regulator
• VZD1 = tegangan dioda zener Z1 dalam Volt (V)