FIG. 15.14 & 15.15

[KEMBALI KE MENU SEBELUMNYA]

DAFTAR ISI

1. Pendahuluan

2. Tujuan

3. Alat dan Bahan

4. Dasar Teori

5. Example  

6. Problem

7. Pilihan Ganda

8. Percobaan

9. Download File  

1. Pendahuluan[Kembali]

        Dalam dunia elektronika, kestabilan tegangan sangat penting untuk memastikan bahwa perangkat elektronik dapat bekerja dengan baik dan aman. Salah satu metode yang umum digunakan untuk mengatur dan menstabilkan tegangan adalah dengan menggunakan rangkaian regulator tegangan. Salah satu jenis regulator yang sering dipelajari adalah Discrete Transistor Voltage Regulator, yaitu regulator tegangan yang dibangun dari komponen diskret seperti transistor, dioda zener, dan resistor, tanpa menggunakan IC regulator.

        Salah satu bentuk dasar dari regulator ini adalah Series Regulator Circuit, di mana transistor ditempatkan secara seri dengan beban dan berfungsi mengatur besar arus yang mengalir untuk menjaga tegangan output tetap stabil. Namun, untuk meningkatkan kinerja dan stabilitas regulasi, dikembangkan versi lanjutannya yaitu Improved Series Regulator. Pada versi ini, ditambahkan elemen seperti transistor penguat kesalahan (error amplifier) dan sistem umpan balik (feedback) dari tegangan output, sehingga mampu memberikan regulasi yang lebih presisi terhadap perubahan beban maupun tegangan input. Melalui pendekatan ini, sistem regulasi tegangan menjadi lebih responsif dan akurat.

2. Tujuan[Kembali]

1. Melengkapi tugas mata kuliah elektronika yang ditugaskan oleh Bapak Darwison, M.T.

2. Memahami Konsep Regulasi Tegangan dengan Komponen Diskret

3. Menganalisis Cara Kerja Series Regulator Circuit dan Improved Series Regulator

3. Alat dan Bahan[Kembali] 

A. Alat

    1) Instrument

        a. Voltmeter

 

    Voltmeter adalah alat ukur yang digunakan untuk mengukur besara tegangan atau beda potensial listrik antara dua titik pada suatu rangkaian listrik yang dialiri arus listrik. Pada alat ukur voltmeter ini biasanya ditemukan tulisan voltmeter (V), milivoltmeter (mV), mikrovoltmeter, dan kilovolt (kV). Sekarang ini, voltmeter ditemukan dalam dua jenis yaitu voltmeter analog (jarum penunjuk) dan voltmeter digital. Voltmeter memiliki batas ukur tertentu, yakni nilai tegangan maksimum yang dapat diukur oleh voltmeter tersebut.

 

Spesifikasi :

1. Angka rangkuman masukan biasanya di mulai dari ± 1,000000 V hingga s/d ± 1000, 000 V (Metode pemilihan rangkuman dilakukan dengan cara otomatis dan indikasi beban lebih).
2. Ketelitian mutlak tercatat mencapai ± 0,005 persen dari pembacaan yang sudah dilakukan.
3. Angka stabilitas untuk jangka pendek sebesar 0,002 persen dari pembacaan (periode 24 jam). Sedangkan untuk jangka panjang sebesar 0,008 persen pembacaan (periode 6 bulan).
4. Resolusi untuk 1 bagian dalam 106 yaitu 1 μV bisa dibaca pada rangkuman dari masukan 1 V.
5. Karakteristik masukannya yaitu tahanan masukan khas sebesar 10 MΩ dengan kapasitas masukan 40 pF.
6. Kalibrasi yang standar (internal) tidak tergantung pada rangkaian ukuran yang mana telah diperoleh dari sumber referensi yang sudah stabil.
7. Ada beberapa sinyal keluaran seperti perintah mencetak.

         b. Amperemeter

 

      Amperemeter adalah alat ukur listrik yang digunakan untuk mengukur arus listrik dalam suatu rangkaian, biasanya dalam satuan ampere (A). Alat ini bekerja berdasarkan prinsip bahwa arus listrik yang mengalir melalui konduktor akan menimbulkan medan magnet, yang kemudian dapat digunakan untuk menggerakkan jarum penunjuk atau menghasilkan data digital. Untuk memastikan pengukuran yang akurat dan aman, amperemeter harus dihubungkan secara seri dengan beban yang akan diukur, agar seluruh arus mengalir melewati alat tersebut.

Spesifikasi :

1. Fungsi: Mengukur arus listrik (A)
2. Tipe: Analog (jarum) / Digital (display angka)
3. Kisaran pengukuran: µA, mA, hingga puluhan A (tergantung model)
4. Tipe arus: DC, AC, atau keduanya
5. Tegangan kerja maksimum: Tergantung alat, biasanya hingga 600V
6. Ketelitian (akurasi): ±1% hingga ±3% (tergantung kelas alat)
7. Hambatan internal: Sangat kecil (≈0,1Ω atau kurang)
8. Sambungan: Dipasang seri dengan beban
9. Proteksi: Sekering atau overload protection (pada model tertentu)
10. Aplikasi: Elektronika, instalasi listrik, otomotif, laboratorium

         c. Generator daya

             - Generator dc

 

    Generator DC merupakan sebuah perangkat mesin listrik dinamis yang mengubah energi mekanis menjadi energi listrik. Generator DC menghasilkan arus DC / arus searah.

 

Spesifikasi: 

1. Non gearbox
2. Speed : 2750 rpm
3. Output : DC 12V
4. Arus : 35A
5. Built-in regulator
6. Dimensi body : panjang 11,5 cm x diameter 9,75 cm
7. Berat : 2,6 kg
8. Kondisi : second berkualitas

             - Baterai

    Baterai (Battery) adalah sebuah alat yang dapat mengubah energi kimia yang disimpannya menjadi energi Listrik yang dapat digunakan oleh suatu perangkat Elektronik. 

 

Spesifikasi dan Pinout Baterai

1. Input voltage: ac 100~240v / dc 10~30v
2. Output voltage: dc 1~35v
3. Max. Input current: dc 14a
4. Charging current: 0.1~10a
5. Discharging current: 0.1~1.0a
6. Balance current: 1.5a/cell max
7. Max. Discharging power: 15w
8. Max. Charging power: ac 100w / dc 250w
9. Jenis batre yg didukung: life, lilon, lipo 1~6s, lihv 1-6s, pb 1-12s, nimh, cd 1-16s
10. Ukuran: 126x115x49mm
11. Berat: 460gr

 

     2) Probes

         a. Voltage 

      Probe voltage adalah alat atau komponen dalam sistem pengukuran listrik/elektronika yang digunakan untuk mendeteksi atau mengukur tegangan pada titik tertentu dalam rangkaian.

Spesifikasi :

1. Tegangan Maksimum: 300V – 1000V (tergantung kategori keselamatan: CAT II/III).
2. Bandwidth: 10 MHz – >500 MHz (untuk osiloskop).
3. Attenuation Ratio: 1:1 atau 10:1 (peredam sinyal).
4. Input Resistance: Umumnya 10 MΩ.
5. Input Capacitance: Sekitar 10–20 pF.
6. Konektor: BNC (osiloskop), banana plug/needle (multimeter).

         b. Current

       Current probe (probe arus) adalah alat bantu pengukuran yang digunakan untuk mendeteksi dan mengukur arus listrik dalam sebuah konduktor tanpa harus memutus rangkaian. Alat ini bekerja berdasarkan prinsip induksi elektromagnetik, di mana arus listrik yang mengalir melalui sebuah kabel akan menghasilkan medan magnet di sekitarnya.

Spesifikasi :

1. Mengukur arus AC, DC, atau keduanya tergantung jenis sensornya.
2. Rentang pengukuran umum dari miliampere hingga ratusan ampere.
3. Menggunakan prinsip efek Hall untuk arus DC dan transformator arus untuk AC.
4. Tegangan output biasanya proporsional terhadap arus (misal 1 mV/A atau 10 mV/A).
5. Dapat digunakan dengan osiloskop, multimeter, atau alat ukur lainnya.
6. Bandwidth tergantung tipe, mulai dari beberapa kHz hingga ratusan MHz.
7. Tidak memerlukan pemutusan rangkaian, cukup dijepitkan pada kabel.
8. Dilengkapi dengan penjepit atau clamp yang fleksibel dan aman.
9. Tegangan isolasi maksimum biasanya mencapai 300V–600V tergantung model.

B. Bahan

     1) Resistor

    Resistor atau disebut juga dengan Hambatan adalah komponen elektronika pasif yang berfungsi untuk menghambat dan mengatur arus listrik dalam suatu rangkaian elektronika. Satuan nilai Resistor atau Hambatan adalah Ohm.

 

    Spesifikasi dari Resistor adalah resistansinya dan daya listrik yang dapat dihantarkan. Karakteristik lain termasuk koefisien suhu, derau listrik (noise), dan induktansi. Resistor dapat diintegrasikan ke dalam sirkuit hibrida dan papan sirkuit cetak, bahkan sirkuit terpadu.

 

 

Spesifikasi

 

    Resistor adalah komponen elektronika pasif yang selalu digunakan dalam setiap rangkaian elektronika karena dia berfungsi sebagai penghambat arus listrik. Bila kita menginginkan arus yang besar maka kita pasang resistor yang nilai resistansinya kecil, mendekati nol atau sama dengan nol atau tidak dipasang sama sekali dengan demikian arus tidak lagi dibatasi. Resistor berfungsi sebagai  Penghambat arus listrik, Sebagai tahanan arus listrik agar listrik yang melewati resistor di hambat melalui karbon yang berada di dalam tubuh resistor menjadi di perkecil apabila resistansinya besar, Sebagai tahanan arus listrik agar listrik yang melewati resistor di hambat melalui karbon yang berada di dalam tubuh resistor menjadi di perkecil apabila resistansinya besar.

 

      2) Dioda Zener

        Dioda Zener adalah jenis dioda khusus yang dirancang untuk beroperasi dalam kondisi bias balik (reverse bias) dan tetap mempertahankan tegangan tetap saat melewati ambang tertentu yang disebut tegangan Zener. Tidak seperti dioda biasa yang rusak jika dialiri tegangan balik terlalu besar, dioda Zener justru digunakan untuk menstabilkan tegangan pada nilai tertentu, misalnya 5,1V atau 12V, tergantung jenisnya.

Spesifikasi :

1. Tegangan kerja tetap (tegangan Zener): 2V – 200V (tergantung tipe)
2. Arus maksimum: umumnya 5 mA – 1 A
3. Dipasang dalam kondisi bias balik
4. Toleransi tegangan: ±5% hingga ±10%
5. Daya maksimum: 0,25 W – 5 W (tergantung ukuran)
6. Tipe kemasan: DO-35, DO-41 (untuk versi umum)
7. Fungsi utama: penstabil tegangan dan proteksi lonjakan
8. Waktu respon sangat cepat terhadap perubahan tegangan

 

      3) Transistor 

Spesifikasi

1. Type - NPN
2. Collector-Emitter Voltage: 35 V
3. Collector-Base Voltage: 35 V
4. Emitter-Base Voltage: 5 V
5. Collector Current: 2.5 A
6. Collector Dissipation - 10 W
7. DC Current Gain (hfe) - 100 to 200
8. Transition Frequency - 160 MHz
9. Operating and Storage Junction Temperature Range -55 to +150 °C
10. Package - TO-126

Pin :

1. Collector (C) → Tempat arus masuk (NPN) atau keluar (PNP) dari beban.
2. Base (B) → Terminal kontrol, digunakan untuk mengatur hidup/matinya arus.
3. Emitter (E) → Tempat arus keluar (NPN) atau masuk (PNP), menuju ground atau suplai.

 

Konfigurasi Transistor:

    Konfigurasi Common Base adalah konfigurasi yang kaki Basis-nya di-ground-kan dan digunakan bersama untuk INPUT maupun OUTPUT.  Pada Konfigurasi Common Base, sinyal INPUT dimasukan ke Emitor  dan sinyal OUTPUT-nya diambil dari Kolektor, sedangkan kaki Basis-nya di-ground-kan. Oleh karena itu, Common Base juga sering disebut dengan istilah “Grounded Base”. Konfigurasi Common Base ini menghasilkan Penguatan Tegangan antara sinyal INPUT dan sinyal OUTPUT namun tidak menghasilkan penguatan pada arus.

    Konfigurasi Common Collector (CC) atau Kolektor Bersama memiliki sifat dan fungsi yang berlawan dengan Common Base (Basis Bersama). Kalau pada Common Base menghasilkan penguatan Tegangan tanpa memperkuat Arus, maka Common Collector ini memiliki fungsi yang dapat menghasilkan Penguatan  Arus namun tidak menghasilkan penguatan Tegangan. Pada Konfigurasi Common Collector, Input diumpankan ke Basis Transistor sedangkan Outputnya diperoleh dari Emitor Transistor sedangkan Kolektor-nya di-ground-kan dan digunakan bersama untuk INPUT maupun OUTPUT. Konfigurasi Kolektor bersama (Common Collector) ini sering disebut juga dengan Pengikut Emitor (Emitter Follower) karena tegangan sinyal Output pada Emitor hampir sama dengan tegangan Input Basis.

    Konfigurasi Common Emitter (CE) atau Emitor Bersama merupakan Konfigurasi Transistor yang paling sering digunakan, terutama pada penguat yang membutuhkan penguatan Tegangan dan Arus secara bersamaan. Hal ini dikarenakan Konfigurasi Transistor dengan Common Emitter ini menghasilkan penguatan Tegangan dan Arus antara sinyal Input dan sinyal Output. Common Emitter adalah konfigurasi Transistor dimana kaki Emitor Transistor di-ground-kan dan dipergunakan bersama untuk INPUT dan OUTPUT. Pada Konfigurasi Common Emitter ini, sinyal INPUT dimasukan ke Basis dan sinyal OUTPUT-nya diperoleh dari kaki Kolektor.

 

4. Dasar Teori[Kembali]

A. Resistor

 

 

 

     Resistor merupakan salah satu komponen elektronika pasif yang berfungsi untuk membatasi arus yang mengalir pada suatu rangkaian dan berfungsi sebagai terminal antara dua komponen elektronika. Tegangan pada suatu resistor sebanding dengan arus yang melewatinya (V=I R).

 

Simbol :

 

 

Cara menghitung nilai resistansi resistor dengan gelang warna:

Masukkan angka langsung dari kode warna gelang pertama

Masukkan angka langsung dari kode warna gelang kedua

Masukkan angka langsung dari kode warna gelang ketiga

Masukkan jumlah nol dari kode warna gelang ke-4 atau pangkatkan angka tersebut dengan 10(10^n)

 

 

 

Rumus :

 

 

 

B. Dioda Zener

 

 

       Dioda Zener adalah jenis dioda khusus yang dirancang untuk beroperasi dalam kondisi bias balik (reverse bias) dan tetap mempertahankan tegangan tetap saat melewati ambang tertentu yang disebut tegangan Zener. Tidak seperti dioda biasa yang rusak jika dialiri tegangan balik terlalu besar, dioda Zener justru digunakan untuk menstabilkan tegangan pada nilai tertentu, misalnya 5,1V atau 12V, tergantung jenisnya. Ketika tegangan balik melebihi tegangan Zener, dioda akan menghantar dan menjaga tegangan tetap stabil meskipun arus berubah. Oleh karena itu, dioda Zener sangat berguna sebagai regulator tegangan, pelindung rangkaian terhadap lonjakan tegangan, dan referensi tegangan dalam berbagai rangkaian elektronik.

 

Simbol :

 

Rumus :

 

 

 

Karakteristik :

 

 

 

 

C. Transistor

 

   Transistor adalah sebuah komponen di dalam elektronika yang diciptakan dari bahan-bahan semikonduktor dan memiliki tiga buah kaki. Masing-masing kaki disebut sebagai basis, kolektor, dan emitor.

Emitor (E) memiliki fungsi untuk menghasilkan elektron atau muatan negatif.

Kolektor (C) berperan sebagai saluran bagi muatan negatif untuk keluar dari dalam transistor.

Basis (B) berguna untuk mengatur arah gerak muatan negatif yang keluar dari transistor melalui kolektor.

Transistor Bipolar terdiri dari dua jenis yaitu Transistor NPN dan Transistor PNP.

Transistor NPN adalah transistor bipolar yang menggunakan arus listrik kecil dan tegangan positif pada terminal Basis untuk mengendalikan aliran arus dan tegangan yang lebih besar dari Kolektor ke Emitor.

Transistor PNP adalah transistor bipolar yang menggunakan arus listrik kecil dan tegangan negatif pada terminal Basis untuk mengendalikan aliran arus dan tegangan yang lebih besar dari Emitor ke Kolektor.

 

Rumus :

 

 

Konfigurasi transistor bipolar :

 

 

Cara mengukur transistor bipolar

 

 

Karakteristik input

    Transistor adalah komponen aktif yang menggunakan aliran electron sebagai prinsip kerjanya didalam bahan. Sebuah transistor memiliki tiga daerah doped yaitu daerah emitter, daerah basis dan daerah disebut kolektor. Transistor ada dua jenis yaitu NPN dan PNP. Transistor memiliki dua sambungan: satu antara emitter dan basis, dan yang lain antara kolektor dan basis. Karena itu, sebuah transistor seperti dua buah dioda yang saling bertolak belakang yaitu dioda emitter-basis, atau disingkat dengan emitter dioda dan dioda kolektor-basis, atau disingkat dengan dioda kolektor.

Bagian emitter-basis dari transistor merupakan dioda, maka apabila dioda emitter-basis dibias maju maka kita mengharapkan akan melihat grafik arus terhadap tegangan dioda biasa. Saat tegangan dioda emitter-basis lebih kecil dari potensial barriernya, maka arus basis (Ib) akan kecil. Ketika tegangan dioda melebihi potensial barriernya, arus basis (Ib) akan naik secara cepat.

 

Karakteristik output

    Sebuah transistor memiliki empat daerah operasi yang berbeda yaitu daerah aktif, daerah saturasi, daerah cutoff, dan daerah breakdown. Jika transistor digunakan sebagai penguat, transistor bekerja pada daerah aktif. Jika transistor digunakan pada rangkaian digital, transistor biasanya beroperasi pada daerah saturasi dan cutoff. Daerah breakdown biasanya dihindari karena resiko transistor menjadi hancur terlalu besar.

 

Gelombang I/O Transistor

 

Transistor Voltage Regulation

1. Discrete Transistor Voltage Regulation

        Discrete Transistor Voltage Regulation adalah teknik pengaturan atau stabilisasi tegangan output menggunakan komponen elektronik diskret seperti transistor, dioda zener, resistor, dan kapasitor. Sistem ini bekerja dengan memanfaatkan karakteristik transistor sebagai penguat arus dan pengendali tegangan, serta dioda zener sebagai sumber tegangan referensi yang stabil. Tujuan utamanya adalah untuk menyediakan tegangan output yang relatif konstan dan stabil, walaupun terjadi perubahan pada tegangan input (V_in) maupun variasi pada beban (load). 

2. Series Voltage Regulation

        Series voltage regulation (regulasi tegangan seri) adalah metode pengaturan tegangan di mana elemen pengatur (biasanya transistor) ditempatkan dalam jalur seri antara sumber tegangan (input) dan beban (output). Tujuannya adalah untuk menjaga tegangan output tetap konstan, meskipun terjadi perubahan pada tegangan input atau arus beban.

        Dalam regulator seri, Transistor bekerja sebagai variabel resistor atau pengatur hambatan. Transistor dikendalikan oleh tegangan referensi. Jika tegangan output mulai naik, maka transistor akan mengurangi konduksi, menurunkan arus dan menstabilkan tegangan. Jika output turun, maka transistor akan menaikkan konduksi untuk mempertahankan tegangan. 

        Diagram diatas merupakan diagram blok untuk regulator seri. Proses dimulai dari Vi (unregulated input) yang masuk ke series control element, biasanya berupa transistor, yang bertindak sebagai pengatur arus dan tegangan. Tegangan keluaran (Vo) dari elemen ini kemudian disalurkan ke beban. Sebagian kecil dari Vo diambil oleh sampling circuit, yang berfungsi untuk memantau tegangan output secara terus-menerus. Tegangan hasil sampling ini dikirim ke comparator circuit untuk dibandingkan dengan tegangan referensi tetap yang disediakan oleh reference voltage, biasanya berasal dari dioda Zener atau IC referensi tegangan.

        Comparator akan membandingkan tegangan output dengan tegangan referensi. Jika Vo terdeteksi lebih rendah dari referensi, comparator akan meningkatkan sinyal kendali ke series control element agar lebih banyak tegangan disalurkan ke output. Sebaliknya, jika Vo terlalu tinggi, comparator akan mengurangi sinyal kendali sehingga tegangan output diturunkan.

3. Series Regulator Circuit

        Series regulator circuit adalah suatu rangkaian elektronik yang berfungsi untuk menghasilkan tegangan keluaran (output) yang stabil, meskipun tegangan masuk (input) mengalami fluktuasi atau beban berubah. Rangkaian ini disebut "series" karena elemen pengontrol utamanya yang biasanya sebuah transistor disusun secara seri dengan beban. Prinsip kerja rangkaian ini bergantung pada penggunaan dioda Zener sebagai sumber tegangan referensi tetap dan transistor sebagai elemen pengatur arus dan tegangan.

Pada kondisi kerja normal, dioda Zener dipasang secara bias balik dan akan mempertahankan tegangan tetap pada basis transistor. Transistor yang digunakan biasanya dalam konfigurasi emitter follower, sehingga tegangan output pada emitter akan mengikuti tegangan basis dikurangi tegangan V_BE (sekitar 0,7 V). Jika tegangan output menurun karena perubahan beban, maka tegangan V_BE akan naik, menyebabkan transistor menghantar lebih banyak arus ke beban dan mengembalikan tegangan output ke nilai stabil. Sebaliknya, jika tegangan output naik, maka V_BE akan turun, mengurangi konduksi transistor sehingga output kembali menurun. Mekanisme ini merupakan bentuk umpan balik negatif otomatis, yang membuat tegangan output tetap konstan.

    Dalam menganalisis rangkaian series regulator, pendekatan yang digunakan adalah dengan menurunkan hubungan-hubungan matematis antar komponen tanpa langsung menggunakan angka. Tegangan output (V_o) pada rangkaian ini diambil dari emitter transistor, yang bekerja dalam konfigurasi common collector (emitter follower). Dalam konfigurasi ini, tegangan output selalu mengikuti tegangan basis dikurangi tegangan basis-emitter (V_BE), sehingga dirumuskan sebagai:

V_O = V_B − V_BE

Karena tegangan basis berasal dari dioda Zener, maka Vo ditentukan secara tidak langsung oleh tegangan referensi Zener.

Arus beban (I_L) dapat dihitung menggunakan Hukum Ohm, yaitu:

dengan R_L adalah resistansi beban. Arus ini mengalir dari emitter menuju beban, yang juga mendekati arus kolektor (I_C) karena arus basis (I_B) umumnya kecil. Arus kolektor dan basis transistor berhubungan melalui faktor penguatan arus (β), dengan rumus:

I_C = β . I_B

dan arus emitter adalah jumlah dari arus kolektor dan basis:

I_E = I_C + I_B = I_B (β + 1)

Arus yang mengalir melalui resistor pembatas (I_R) berasal dari tegangan input (V_in) dikurangi tegangan pada dioda Zener (V_Z), dirumuskan sebagai:

Arus ini terbagi dua, sebagian masuk ke basis transistor (I_B), dan sisanya masuk ke dioda Zener sebagai arus Zener (I_Z), sehingga:

I_Z = I_R + I_B

Agar dioda Zener tetap bekerja dengan baik sebagai sumber tegangan referensi, I_Z harus cukup besar sehingga berada dalam kondisi breakdown. Dengan perhitungan berbasis rumus ini, dapat dipastikan bahwa tegangan output tetap stabil, dan transistor bekerja dalam kondisi aktif untuk menyuplai arus ke beban sesuai kebutuhan.

4. Improved Series Regulator

Improved Series Regulator adalah rangkaian pengatur tegangan yang dirancang untuk memberikan tegangan output yang stabil meskipun terjadi perubahan pada tegangan input atau beban. Dibandingkan dengan regulator seri dasar, rangkaian ini menggunakan pendekatan yang lebih akurat dengan menambahkan transistor penguat kesalahan (error amplifier) dan umpan balik tegangan. 

        Rangkaian ini menggunakan pendekatan kontrol tertutup dengan penambahan elemen-elemen penting seperti umpan balik (feedback), transistor penguat kesalahan (error amplifier), dan tegangan referensi dari dioda zener. Sebagian tegangan output diambil melalui pembagi tegangan (R1 dan R2), lalu dibandingkan dengan tegangan referensi oleh transistor penguat kesalahan (Q2), yang biasanya dikonfigurasikan dalam mode common emitter. Transistor ini berfungsi untuk mendeteksi selisih tegangan dan mengatur arus basis dari transistor utama (Q1), yang dikonfigurasikan sebagai emitter follower (common collector). Jika tegangan output naik, Q2 akan meningkatkan konduksi dan menurunkan arus ke basis Q1, sehingga Q1 mengurangi konduksi dan menurunkan tegangan output. Sebaliknya, jika output turun, konduksi Q2 berkurang, arus ke Q1 naik, dan output kembali meningkat.

        Mekanisme ini membentuk sistem kontrol dinamis yang sangat responsif, sehingga tegangan output dapat dijaga tetap stabil. Dalam pengembangan lanjut, penguat kesalahan juga dapat diganti dengan op-amp untuk kontrol yang lebih presisi, dan dapat ditambahkan proteksi beban atau pengendalian termal. Dengan desain ini, improved series regulator banyak digunakan dalam sistem catu daya yang memerlukan kestabilan dan keandalan tinggi. Tegangan output (V_O) ditentukan oleh rumus:

Rangkaian ini memberikan regulasi tegangan yang lebih akurat dibanding regulator seri biasa.

5. Example[Kembali]

1. Sebuah rangkaian series regulator menggunakan dioda zener 6.8 V dan transistor NPN dengan V_BE = 0.7 V. Arus beban adalah 100 mA. Tegangan input (V_in) adalah 12 V. Hitunglah tegangan output dan tegangan drop pada transistor!

Jawaban:

Tegangan output:

Vout    = Vzener + V_BE

= 6.8 + 0.7

= 7.5 V

Tegangan drop pada transistor:

V_drop    = V_in − V_out

= 12 − 7.5

= 4.5 V

2. Sebuah improved series regulator menggunakan op-amp sebagai error amplifier dan dua resistor pembagi tegangan dengan R1 = 4.7 kΩ (dari output ke inverting input op-amp) dan R2 = 1.2 kΩ (dari inverting input ke ground). Tegangan referensi pada non-inverting input adalah 5 V. Berapa tegangan output (V_out) yang dijaga oleh regulator?

Jawaban:

Rangkaian bekerja sebagai feedback dengan pembagi tegangan.

3. Hitung tegangan keluaran dan arus Zener pada rangkaian regulator pada Fig15.14 untuk R_L = 1 kΩ.

Jawab:

Vo       = V_Z - V_BE = 12 V - 0.7 V = 11.3 V

 V_CE     = V_i - Vo = 20 V - 11.3 V = 8.7 V

 I_R        = (20 V - 12 V) / 220 Ω

= 8 V / 220 Ω

= 36.4 mA

Untuk R_L = 1 kΩ,

 I_L        = Vo / RL

= 11.3 V / 1 kΩ

= 11.3 mA

I_B         = I_C / β

= 11.3 mA / 50

= 226 mA

 I_Z        = I_R - I_B = 36.4 mA - 226 mA ≈ 36 mA

6. Problem[Kembali]

1. Hitung tegangan keluaran dan arus dioda Zener pada rangkaian regulator di Gambar 15.42.

Diketahui:

• V_i = 15 V (unregulated)
• R = 1.8 kΩ
• R_L = 2 kΩ
• V_Z = 8.3 V
• V_BE= 0.7 V (default asumsi transistor)
• β = 100

Ditanya:
a) V_O (tegangan output)
b) I_Z (arus Zener)

Penyelesaian:

a) Tegangan output:
Tegangan basis = V_Z = 8.3 V
Maka tegangan emitor (output):

Vo       = V_B – V_BE

= 8.3 V − 0.7 V

= 7.6 V​

b) Arus Zener:
Arus total dari R:

I_R         = (V_i – V_Z) / R

= (15 − 8.3) / 1.8 

= 6.7 / 1800

≈ 3.72 mA

Arus beban (sama dengan I_c transistor):

I_L         = Vo / R_L

= 7.6 / 2000

= 3.8 mA

Arus basis transistor:

I_B         = I_C / β

= 3.8 mA / 100

= 0.038 mA

Maka arus Zener:

I_Z         = I_R – I_B

= 3.72 mA − 0.038 mA

= 3.68 mA 

2. Berapa besar tegangan keluaran yang ter-regulasi pada rangkaian di Gambar 15.43?

Diketahui:

• V_Z = 10 V
• V_BE dari Q₂ = 0.7 V
• Output diambil dari emitor Q₁

Penyelesaian:

Transistor Q₂ menjaga tegangan basis Q₁ agar tetap pada 10 V.
Karena V_BE Q₁ = 0.7 V, maka:

V_out      = V_B – V_BE

= 10 V − 0.7 V

= 9.3 V​ 

3. Tegangan keluaran teregulasi berapa yang disediakan oleh rangkaian pada Fig. 15.15 untuk nilai elemen rangkaian R₁ = 20 kΩ, R₂ = 30 kΩ, dan V_Z = 8.3 V?

Jawab:

Vo       = (R₁ + R₂) x (V_Z + V_BE2) / R₂

Vo       = (20 kΩ + 30 kΩ) x (8.3 V + 0.7 V)  / 30 kΩ

= 15 V

7. Pilihan Ganda[Kembali]

1. Apa fungsi utama transistor dalam rangkaian series regulator?

    A. Menyediakan tegangan referensi

    B. Mengalirkan arus lebih langsung ke ground

    C. Mengatur arus beban dengan mengendalikan tegangan keluaran

    D. Memperkuat sinyal AC dari sumber daya

    Jawaban: C

    Transistor dalam series regulator berfungsi sebagai elemen pengatur utama yang ditempatkan secara seri dengan beban. Ia mengendalikan arus dan tegangan output dengan cara menyesuaikan hambatannya berdasarkan tegangan referensi dari zener diode, sehingga tegangan keluaran tetap stabil meskipun terjadi perubahan pada tegangan input atau beban.

 2. Apa keuntungan utama dari improved series regulator dibandingkan dengan series regulator dasar?

    A. Memiliki lebih sedikit komponen

    B. Lebih efisien karena menggunakan transformator

    C. Memberikan regulasi tegangan yang lebih stabil dan presisi

    D. Menghilangkan kebutuhan akan dioda zener

    Jawaban: C

    Keunggulan improved series regulator dibandingkan yang dasar adalah kemampuannya memberikan regulasi tegangan yang lebih presisi. Hal ini karena adanya penguat error (biasanya transistor kedua) yang secara aktif membandingkan tegangan output dengan tegangan referensi, lalu mengatur transistor utama agar output tetap konstan.

3. Dalam rangkaian improved series regulator, transistor Q2 berfungsi sebagai:

    A. Transistor daya utama

    B. Saklar untuk beban

    C. Penguat kesalahan (error amplifier)

    D. Regulator arus

    Jawaban: C

    Dalam improved series regulator, transistor Q2 berfungsi sebagai penguat error. Ia mendeteksi selisih antara tegangan referensi dan tegangan output, lalu mengontrol transistor utama (Q1) agar tegangan keluaran tetap stabil sesuai nilai yang diinginkan.

8. Percobaan[Kembali]

A. Prosedur

1. Rangkaian 15.14

        a. Buka aplikasi proteus.

        b. Pilih komponen yang diperlukan dalam rangkaian, seperti kapasitor, resistor, transistor, dioda dan lain-lain.

        c. Susunlah komponen seperti pada gambar rangkaian 15.14 lalu hubungkan tiap komponen menggunakan wire.

        d. Jalankan simulasi dan amati nilai tegangan output dan arus pada dioda yang terukur.

2. Rangkaian 15.15

        a. Buka aplikasi proteus.

        b. Pilih komponen yang diperlukan dalam rangkaian, seperti kapasitor, resistor, transistor, dioda dan lain-lain.

        c. Susunlah komponen seperti pada gambar rangkaian 15.15 lalu hubungkan tiap komponen menggunakan wire.

        d. Jalankan simulasi dan amati nilai tegangan output dan dan tegangan V_BE pada dioda yang terukur.

B. Simulasi Rangkaian dan Prinsip Kerja

1. Rangkaian 15.14

Prinsip Kerja:

Rangkaian pada gambar adalah regulator tegangan seri menggunakan transistor NPN dan dioda zener. Tegangan input 20V distabilkan menjadi output sekitar 11,3V. Dioda zener memberikan tegangan referensi 12V ke basis transistor, sehingga tegangan output di emitor menjadi Vo = Vz - VBE = 12 - 0,7 = 11,3 V. Transistor berfungsi sebagai penguat arus, sehingga dioda zener tidak terbebani langsung oleh arus beban. Arus beban dihitung dengan IL = Vo / RL, dan arus basis transistor IB = Ic / 𝛽. Arus resistor

IR = (Vin - Vz) / R, yang terbagi menjadi arus basis dan arus zener  IR = IB + Iz. dari rumus didapat nilai arus pada dioda zener = IR - IB = 36mA - 221uA = 35,7mA dan Vo tetap stabil pada 11,3V meskipun Vin 20V, menunjukkan bahwa regulator ini efektif menjaga kestabilan tegangan output.

 

Video Simulasi :

2. Rangkaian 15.15

Prinsip Kerja :

Rangkaian improved series regulator yang menggunakan dua transistor (Q1 dan Q2) untuk meningkatkan kestabilan tegangan output. Transistor Q1 berfungsi sebagai pengatur arus utama ke beban, sedangkan Q2 berperan sebagai penguat kesalahan yang membandingkan tegangan output dengan tegangan referensi dari dioda zener. Jika tegangan output berubah, Q2 akan merespons dengan mengatur arus basis Q1, sehingga tegangan output dikoreksi kembali. Tegangan output dalam rangkaian ini secara teoritis mendekati Vo ≈ VZ - VBE(Q1) - VBE(Q2). Dengan konfigurasi ini, regulator menjadi lebih stabil terhadap perubahan beban maupun tegangan input, serta membebaskan dioda zener dari arus besar.

 

Video Simulasi :

9. Download File[Kembali]

Download File Rangkaian 15.14 [klik disini]

Download File Rangkaian 15.15 [klik disini]

Download Datasheet Transistor [klik disini]

Download Datasheet Resistor [klik disini]

Download Datasheet 1N5237B [klik disini]

Download Datasheet Op Amp LM741 [klik disini]

Download Datasheet Power Supply [klik disini]