CHAPTER 14 & 15

[menuju akhir]

[KEMBALI KE MENU SEBELUMNYA]

DAFTAR ISI

1. Pendahuluan

6. Problem

CHAPTER 15

Op-Amp Series Regulator & Shunt Voltage Regulator Using Op-Amp

FIG. 15.38 & 15.40

1. Pendahuluan (kembali)

Dalam sistem elektronika, kestabilan tegangan sangat penting untuk memastikan bahwa rangkaian bekerja dengan baik dan tidak rusak oleh fluktuasi daya. Oleh karena itu, digunakan rangkaian regulator tegangan (voltage regulator) untuk mempertahankan tegangan output agar tetap konstan, meskipun terjadi perubahan pada tegangan input atau beban output.

Dua jenis utama regulator yang umum digunakan adalah series regulator dan shunt regulator. Keduanya dapat dirancang menggunakan operational amplifier (op-amp) untuk meningkatkan akurasi dan kestabilan.

Op-Amp Series Regulator

Series regulator menggunakan komponen pengatur (biasanya transistor) yang diletakkan secara seri dengan beban. Op-amp di sini berfungsi sebagai pengontrol tegangan, yang mengatur basis/gate dari transistor berdasarkan perbandingan antara tegangan referensi dan tegangan umpan balik dari output.

Series regulator sangat efisien dalam mengatur output yang presisi, cocok untuk aplikasi daya rendah hingga menengah.

Shunt Voltage Regulator Using Op-Amp

Shunt regulator bekerja dengan cara mengalirkan kelebihan arus ke ground, bukan memblokirnya seperti series regulator. Dalam konfigurasi ini, op-amp berfungsi sebagai pengendali arus shunt (biasanya lewat transistor atau zener), untuk menjaga tegangan output tetap stabil.

Shunt regulator lebih sederhana dan cocok untuk aplikasi daya kecil atau sebagai pelindung (proteksi) terhadap lonjakan tegangan.

Fungsi Op-Amp Series Regulator & Shunt Voltage Regulator

Menjaga tegangan output tetap stabil, meskipun terjadi perubahan pada input atau beban.
Melindungi komponen rangkaian dari overvoltage atau fluktuasi daya.
Menghasilkan tegangan referensi yang presisi untuk keperluan sistem analog dan digital.

Fungsi Khusus:

1. Op-Amp Series Regulator

Mengatur arus dan tegangan ke beban secara linear dan efisien.
Cocok digunakan untuk power supply variabel, charger, dan sistem kendali daya.
Memberikan regulasi yang halus dan akurat pada output.
Dapat digunakan untuk mengatur tegangan output berdasarkan potensiometer atau sumber referensi eksternal.

2. Shunt Voltage Regulator Using Op-Amp

Menyerap kelebihan arus agar tegangan output tidak naik melebihi batas.
Cocok sebagai proteksi tegangan atau dalam rangkaian sensor/sinyal kecil.
Dapat digunakan untuk mengatur tegangan referensi tetap secara sederhana.
Mempunyai respon cepat terhadap perubahan tegangan input.

2. Tujuan (kembali)

Memahami prinsip kerja rangkaian regulator tegangan berbasis op-amp dalam dua konfigurasi utama: series regulator dan shunt regulator.
Mampu menjelaskan perbedaan antara regulator seri dan regulator shunt, baik dari segi cara kerja, karakteristik output, maupun aplikasinya.
Mengidentifikasi peran op-amp dalam rangkaian regulator tegangan sebagai pengontrol umpan balik (feedback controller) yang menjaga kestabilan output.
Mampu merancang dan menganalisis rangkaian regulator tegangan menggunakan op-amp dan komponen pendukung seperti transistor, dioda zener, dan resistor.
Mengamati efek perubahan tegangan input dan beban terhadap output regulator, serta mengevaluasi efektivitas pengaturan tegangan oleh masing-masing jenis regulator.
Menjelaskan kelebihan dan keterbatasan dari masing-masing jenis regulator, serta menyesuaikannya dengan kebutuhan aplikasi praktis.
Melatih keterampilan penggunaan software simulasi atau praktikum rangkaian elektronika, seperti Proteus atau Multisim, untuk menguji kinerja regulator tegangan.

3. Alat dan Bahan (kembali)

1. Transistor NPN

Transistor adalah komponen elektronik yang berfungsi sebagai penguat sinyal, saklar, atau pengatur arus dalam rangkaian listrik. Transistor terbuat dari bahan semikonduktor, biasanya silikon, dan memiliki tiga terminal: emitter (E), base (B), dan collector (C). Ada dua jenis utama transistor, yaitu transistor bipolar (BJT) dan transistor efek medan (FET).

Gambar Transistor NPN pada Proteus

Gambar Transistor NPN

2. Resistor

Resistor adalah komponen pasif yang digunakan untuk mengatur aliran arus listrik dalam suatu rangkaian. Fungsinya adalah untuk membatasi arus, menurunkan tegangan, atau mengatur pembagian tegangan dalam rangkaian.

Gambar Resistor pada Proteus

Gambar Resistor

3. Dioda Zener

Dioda zener adalah jenis khusus dari dioda yang dirancang untuk beroperasi dalam kondisi bias balik (reverse bias) dan tetap menjaga tegangan tetap (stabil) saat terjadi lonjakan tegangan. Fungsi utama dioda zener adalah sebagai penstabil tegangan dalam rangkaian elektronik.

Gambar Dioda Zener pada Proteus

Gambar Dioda Zener

4. Power

Power merupakan komponen yang berfungsi sebagai sumber tegangan. Nilai tegangan pada power dapat diubah-ubah, sesuai dengan kebutuhan.

Gambar Power

5. Ground

Ground adalah titik referensi tegangan nol volt (0V) yang digunakan sebagai acuan untuk semua tegangan lain dalam rangkaian. Ground juga berfungsi sebagai jalur arus balik dan penyeimbang sistem agar rangkaian bisa bekerja dengan benar dan stabil.

Gambar Ground pada Proteus

6. Voltmeter

Voltmeter merupakan alat untuk mengukur tegangan pada rangkaian. Dalam dua rangkaian ini, masing-masing Voltmeter yang digunakan adalah voltmeter biasa dan voltage probe. Voltage probe adalah komponen virtual yang digunakan dalam software simulasi rangkaian (seperti Proteus) untuk mengukur beda potensial (tegangan) antara dua titik dalam rangkaian.

Gambar Voltmeter pada Proteus

Gambar Voltage Probe pada Proteus

Gambar Voltage Probe

4. Dasar Teori (kembali)

Dalam sistem elektronika, tegangan sumber yang stabil sangat penting untuk menjaga agar rangkaian berfungsi dengan baik dan tidak rusak oleh fluktuasi tegangan atau arus. Untuk itu, digunakan rangkaian voltage regulator yang bertugas menjaga tegangan output tetap konstan, meskipun terdapat perubahan pada tegangan input atau beban.

Regulator tegangan dapat dibagi menjadi dua jenis utama berdasarkan cara kerjanya: series regulator dan shunt regulator. Kedua jenis ini dapat dibangun menggunakan operational amplifier (op-amp) sebagai bagian pengendali, karena op-amp mampu mendeteksi perubahan kecil pada tegangan dan memberikan penguatan untuk mengatur elemen kontrol seperti transistor.

2. Op-Amp Series Regulator

Series regulator bekerja dengan cara mengatur jumlah arus yang mengalir ke beban melalui sebuah transistor yang disusun secara seri antara sumber daya dan beban. Op-amp digunakan dalam konfigurasi error amplifier, yaitu membandingkan tegangan output aktual dengan tegangan referensi. Perbandingan ini menghasilkan sinyal error yang mengontrol transistor sehingga arus dapat diatur sesuai kebutuhan.

Jika output terlalu tinggi, op-amp akan mengurangi arus transistor; jika output terlalu rendah, op-amp akan membuka transistor lebih besar. Dengan sistem umpan balik ini, tegangan output dapat dikendalikan secara presisi dan stabil.

Rumus tegangan output (jika menggunakan pembagi tegangan):

$V_{\text{out}} = V_{\text{ref}} \left(1 + \frac{R2}{R1} \right)$

Di mana:

$V_{\text{ref}}$ = tegangan referensi
$R1$ dan $R2$ = resistor pada jalur umpan balik

3. Shunt Voltage Regulator Using Op-Amp

Shunt regulator memiliki cara kerja yang berbeda: bukan mengatur arus ke beban, tetapi membuang kelebihan arus ke ground melalui elemen shunt (seperti transistor atau dioda zener). Rangkaian ini disusun paralel dengan beban.

Op-amp pada shunt regulator juga berfungsi sebagai pembanding (komparator/error amplifier) antara tegangan output dan tegangan referensi. Jika tegangan output melebihi batas yang ditentukan, op-amp akan mengaktifkan transistor shunt untuk mengalirkan kelebihan arus ke ground, sehingga tegangan output tetap konstan.

Kelebihan shunt regulator adalah kesederhanaan dan respon cepat terhadap perubahan tegangan input, namun tidak efisien pada aplikasi arus besar karena arus dibuang langsung ke tanah (ground).

4. Peran Op-Amp dalam Regulator

Membandingkan tegangan output dengan referensi
Mengendalikan transistor pengatur (series atau shunt)
Menyediakan sistem umpan balik tertutup (closed-loop control) untuk menjaga kestabilan tegangan
Memberikan penguatan sinyal error agar sistem cepat merespon perubahan

5. Aplikasi Regulator Tegangan

Power supply laboratorium atau peralatan elektronik presisi
Sistem pengisian daya (charger)
Rangkaian proteksi dan stabilisasi daya
Regulator tegangan pada sensor atau sistem kendali otomatis

5. Prinsip Kerja [kembali]

Konfigurasi Umum:

Op-amp series regulator adalah rangkaian yang menggunakan transistor sebagai pengatur tegangan yang disusun secara seri dengan beban. Op-amp berfungsi sebagai penguat kesalahan (error amplifier) dalam sistem umpan balik tertutup (closed-loop).

Cara Kerja:

Input op-amp menerima dua sinyal:
- Tegangan referensi (biasanya dari zener atau IC) dimasukkan ke terminal non-inverting (+).
- Tegangan output diambil sebagai umpan balik melalui pembagi tegangan ke terminal inverting (–).
Op-amp membandingkan tegangan referensi dengan tegangan umpan balik.
- Jika tegangan output lebih rendah dari tegangan referensi, maka selisih (error) akan diperkuat oleh op-amp, sehingga tegangan output op-amp naik.
- Tegangan ini digunakan untuk mengontrol basis transistor seri, sehingga transistor akan lebih menghantarkan dan menaikkan tegangan ke beban.
Jika tegangan output terlalu tinggi, maka feedback ke terminal inverting akan lebih besar dari referensi, menyebabkan output op-amp turun, dan transistor akan menutup sebagian, mengurangi tegangan output.
Proses ini terus berulang sehingga sistem akan mencapai keseimbangan, di mana tegangan output akan stabil dan sebanding dengan tegangan referensi yang ditetapkan.