Zener Voltage Shunt Regulator

1. REGULATOR TEGANGAN DENGAN ZENER

Gambar 1.1. Regulator tegangan menggunakan zener simpel

Ini adalah regulator tegangan menggunakan zener (Shunt Voltage Regulator) yang sangat simpel. Dapat digunakan untuk mensupply preamp, kit mixer, equalizer maupun rangkaian crossover yang tidak membutuhkan terlalu banyak arus, misal ingin mensupply preamp dengan mengambil tegangan dari supply power amplifier. Regulasi tegangannya masih cukup bagus untuk mensupply OpAmp karena OpAmp umumnya sudah mempunyai Power Supply Rejection Ratio (PSRR) yang cukup tinggi.

Cara kerja :

R1 dan R2 digunakan untuk membatasi arus ke dioda zener dan output.

D1 dan D2 berfungsi untuk membatasi tegangan sebesar 15V.

C1 dan C2 berfungsi untuk menurunkan impedance dioda zener dan membantu meredam osilasi serta menurunkan noise dari dioda zener.

Menentukan nilai :

Resistor

Nilai resistor diambil dari besarnya arus (arus ke beban dan arus ke dioda zener) dan beda potensial (tegangan) antara dioda zener dan tegangan masukan.

Contoh :

sebuah preamp dengan IC TL072 membutuhkan arus 5mA, digunakan zener 15V/500mW. Dikehendaki dioda zener mengeluarkan disipasi (panas) sekitar 100mW (20% daya max), maka arus ke zener adalah 100mW/15V=6,7mA. Sehingga total arus ke preamp dan dioda zener adalah 5mA+6,7mA=11,7mA.

Jika tegangan masukan adalah 35V, dan tegangan dioda zener adalah 15V, maka nilai R1 atau R2 adalah :

(V_in-V_Z)/I

(35V-15V)/11,7mA=1k71 >> gunakan saja 1k8 atau 1k5.

Dan disipasi (panas) pada resistor adalah :

(V_in-V_Z)²/R

(35V-15V)²/1k8=222mW, maka gunakan resistor yang 0,5W atau 1W.

Jika kita menggunakan nilai resistor yang lebih kecil (sehingga arusnya makin besar) sedangkan nilai arus keluarannya tetap, maka sisa arusnya akan menuju ke dioda zener, dan disipasi (panas) dioda zener akan meningkat. Saya sarankan tidak membuat disipasi resistor maupun dioda zener melebihi sekitar 50% daya maksimumnya, karena jika disipasi terlalu tinggi komponen akan terlalu panas dan umurnya akan sedikit lebih pendek yang nantinya dapat mempengaruhi kualitas/keakuratan nilai komponen tersebut.

Dioda Zener

Untuk menentukan tegangan dioda zener yang akan digunakan ditentukan berdasarkan kebutuhan tegangan perangkat yang akan disupply, misalnya untuk mensupply sebuah preamp yang menggunakan IC TL072 yang memerlukan supply ±15V, maka gunakan dioda zener 15V.

Sebuah dioda zener mampu bekerja dengan baik jika bekerja antara 5%−80% dari rating dayanya. Jika kita akan menggunakan dioda zener 500mW maka kita dapat mengoperasikannya dari 25mW−400mW. Daya yang terjadi di zener adalah :

V_Z*I_R-I_O

dimana : V_Z = Tegangan shunt dioda zener

I_R = Arus keluaran dari resistor

I_O = Arus output (arus ke beban)

Jika dioda zener tidak dibebani maka arus output (I_O) = 0, sehingga arus dari resistor semua menuju dioda zener sehingga disipasi dioda zener akan meningkat. Jika terjadi disipasi berlebihan akan dapat menyebabkan dioda zener rusak.

Kapasitor

Nilai kapasitor dapat digunakan dari 0,1µF−1µF. Gunakan kapasitor tipe polyester, bukan elco. Kapasitor ini juga dapat diparalel dengan elco dari 100µF-1000µF untuk membantu meningkatkan regulasi tegangan dioda zener.

Gambar 1.2. Output impedance tanpa C1

Pada grafik di atas dapat dilihat output impedance dari regulator sederhana pada 20Hz adalah 1,125kΩ.

Gambar 1.3. Output impedance dengan C1

Kini pada 20kHz output impedance turun menjadi 79Ω.

Dengan hanya menggunakan sebuah resistor, Supply Voltage Ripple Rejection (SV_RR) sekitar 44dB. Jadi jika tegangan riak pada input sebesar 2V_peak maka tegangan riak pada output sekitar 12,3mV_peak (dengan beban arus 5mA).

2. REGULATOR TEGANGAN ZENER MENGGUNAKAN BOOTSTRAP

Gambar 2.1. Regulator tegangan zener dengan bootstrap

Kali ini pada bagian resistor dibagi dua dan di tengah-tengah diberi sebuah elco. Konfigurasi semacam ini (bootstrap) akan meningkatkan linieritas tegangan yang menuju dioda zener, sehingga dioda zener akan menghasilkan regulasi tegangan yang lebih baik.

Nilai kedua resistor secara seri kurang lebih adalah nilai R1(pada gambar pertama) dibagi dua. Dan tegangan pada titik tengah nilainya adalah

(V_in-V_Z)*(R1/(R1+R3))+V_Z

contoh di atas:

(35V-15V)*(1k/(1k+0,82))+15V

20V*(1k/1k82)+15V

20V*0,549+15V

10,99V+15V

26V (terhadap Ground)

Jadi kita perlu menggunakan elco 470µF/35V untuk C3 dan C4.

Dan disipasi pada R1 adalah (26V-15V)²/1k = 121mW, gunakan saja resistor 1kΩ ¼W.

Disipasi pada R2 adalah (35V-26V)²/0,82k = 99mW, gunakan saja resistor 820Ω ¼W.

Gambar 2.2. Output impedance regulator tegangan zener + bootstrap

Dari grafik di atas dapat dilihat bahwa output impedance kini turun sekitar dua kali lipat lebih rendah dari sebelumnya. Output impedance pada 20kHz masih sekitar 79Ω.

Dengan menggunakan konfigurasi bootstrap kini SV_RR meningkat dua kali lipat menjadi 88dB atau sekitar 76,4µV_peak (dengan beban arus 5mA) jika tegangan riak pada input masih 2V_peak.

3. REGULATOR TEGANGAN ZENER DENGAN PENGUAT TRANSISTOR

Gambar 3.1. Regulator tegangan Zener dengan penguatan Transistor

Untuk rangkaian yang satu ini, arus keluaran ditangani oleh sebuah transistor, sedangkan dioda zener berfungsi untuk meregulasi tegangan. Dengan konfigurasi seperti ini maka arus keluaran bisa menjadi lebih besar.

Dengan tegangan riak pada input sebesar 2V_peak, tegangan riak pada output menjadi 8,99mV_peak (dengan beban arus 5mA) atau sekitar 47dB (naik 3dB dari sebelumnya), ini lebih rendah dari konfigurasi pertama dikarenakan impedance zener dikuatkan oleh transistor.

Menentukan nilai komponen

Pertama kita perlu mengetahui berapa besar arus output dan beta (ß) atau penguatan arus (h_FE) transistor yang digunakan.

Misal, sebuah mixer untuk beroperasi membutuhkan tegangan ±15V dan arus 100mA.

Jika h_FE transistor pada 100mA adalah 50, maka arus pada kaki base transistor adalah 100mA/50 = 2mA. Kemudian kita hitung keperluan arus untuk dioda zener (sudah diterangkan sebelumnya) kemudian ditambahkan dengan arus base transistor.

Misal disipasi pada dioda zener 15V diinginkan 100mW, maka arus ke dioda zener adalah 6,7mA. Maka total arus yang diperlukan sekitar 8,7mA. Jika tegangan masukan adalah 35V, maka nilai resistor R1 adalah (35V-15V)/8,7mA = 2k3, gunakan saja 2k2 dan disipasi resistornya adalah 182mW, gunakan saja resistor ½W.

Tegangan output pada kaki emitor transistor tidak 15V tapi minus 0,6V. Ini dikarenakan pada kaki base dan emitor terdapat V_drop sekitar 0,55V-0,65V supaya transistor bekerja, sehingga tegangan output menjadi 14,4V. Umumnya kekurangan ini masih dapat kita gunakan saja, namun jika ingin menambahkan lagi 0,6V maka dioda zener perlu di seri dengan sebuah dioda biasa supaya tegangan regulasinya naik menjadi sekitar 15,6V pada kaki base dan Outputnya (emitor) menjadi 15V.

Contohnya pada rangkaian yang berikutnya.

Gambar 3.2. Regulator tegangan zener dengan penguatan transistor

Kini pada bagian resistor juga digunakan model bootstrap untuk meningkatkan kualitas regulasi tegangan dioda zener.

Masih pada kondisi test yang sama, tegangan riak pada output kini menjadi 431µV_peak atau sekitar 73dB, turun sekitar -15dB dari sebelumnya 88dB, hal ini kemungkinan besar dikarenakan tegangan riak pada input ikut masuk melalui kaki kolektor Q1 atau Q2, sebab tegangan riak pada zener (kaki base Q1 atau Q2) tegangan riaknya masih sekitar 80µV_peak.

Disipasi pada Transistor yaitu sekitar

(V_in-V_out)*I_out

(35V-15V)*100mA = 2W, pada disipasi 2W dapat dipastikan kita harus memasang pendingin (heatsink) agar transistor tidak kelebihan panas dan rusak.

Jika disipasi dayanya terlalu besar untuk suatu transistor (misalnya BD139) maka kita harus menggunakan transistor yang mempunyai power dissipation yang lebih tinggi, seperti misalnya TIP42.

Selanjutnya terserah Anda akan menggunakan konfigurasi yang mana, sesuaikan saja dengan kebutuhan; besarnya arus, kualitas yang diinginkan, tingkat kompleksitas, biaya perakitan dsb.

© sue 2012