Catu Daya 5 volt 5 A - dengan pass transistor

Pada satu tulisan di website ini, ada artikel yang membahas tentang desain catu daya teregulasi (regulated power supply) dengan menggunakan komponen regulator tegangan positif seri 78XX. Misalnya adalah regulator tengangan positif 5 volt dengan komponen 7805. Dengan menggunakan komponen seperti ini, dengan mudah dapat dibuat rangkaian catu daya yang sangat baik regulasi tegangan keluarannya. Namun, komponen 7805 hanya bisa efektif mencatu arus sampai 1 A saja. Catu daya 5 volt umumnya banyak sekali digunakan untuk mencatu berbagai aplikasi, sehingga kadang kala catu arus 1A tidak cukup.

Pada tulisan kali ini electroniclab menyajikan desain catu daya teregulasi 5 volt yang dapat mensuplai arus sampai 5 A, setidaknya ini yang pernah diuji coba di workshop electroniclab. Sebenarnya rangkaian ini bisa mencatu sampai 10 A atau bahkan lebih jika pembaca tahu kiat-kiat untuk memodifikasinya.

Inti dari rangkaian ini tentu saja adalah rangkaian dasar regulator 5 volt dengan 7805. Perbedaannya adalah, pada rangkaian ini ditambahkan rangkaian pass transistor yang terdiri dari transistor Q1 serta 2 buah resistor R1 dan R2. Komponen 7805 memegang kendali meregulasi tegangan output, dan rangkaian pass transistor berperan penting untuk mengalirkan arus selebihnya ke beban RL.

Transistor yang digunakan adalah transistor PNP yaitu MJ2955. Transistor ini dikenal dengan sebutan bipolar silicon power transistor yang banyak dijumpai di pasar. Pembaca pada prinsipnya bisa mengantikannya dengan power transistor bipolar lain, asal saja dengan karakteristik yang hampir sama. Dari datasheet, dapat diketahui bahwa transistor ini termasuk kategori transistor power karena arus kolektor Ic dapat mencapai 15A dengan disipasi daya yang bisa mencapai 115 watts. Tentu dalam mendesain suatu rangkaian semestinya batas-batas maksimum ini perlu diketahui, sehingga tidak melampaui batas optimum yang dapat dicapai.

Catu daya 5V 5A dengan pass transistor

Perhatikan gambar rangkaian diatas. Pada arus loop tertutup yang melewati resistor R1, R2 dan emiter-base transistor Q1, dapat dirumuskan secara matematis :

I₁R₁ = I_eR₂ + V_be(on) ……… (1)

Untuk transistor silicon biasanya Vbe(on) = 0.7 volt, yaitu tegangan base-emitor yang menyebabkan transistor mulai bekerja (ON). Dari datasheet diketahui tegangan ini Vbe(on) ini dapat bervariasi antara 0.6 ~ 1.4 volt tergantung dari besar arus Ic yang melewati transistor tersebut. Namun untuk penyederhanaan perhitungan, kita tetapkan saja Vbe(on) = 0.7 volt.

I1 adalah arus yang melewati 7805 yang seterusnya akan mensuplai beban RL. Dengan rangkaian ini kita akan menetapkan besar arus yang boleh melewati 7805, misalkan anda menetapkan arus I1 = 500 mA. Lalu bagaimana caranya mensuplai arus ke beban RL sampai 5A ? Tentu saja arus selebihnya akan dilewatkan melalui transistor MJ2955. Dari rumus (1) dapat dimengerti bahwa arus Ie yang melewati R2 akan mulai mengalir hanya jika tegangan jepit pada resistor R1 lebih besar dari Vbe(on) atau secara matematis :

I₁R₁ >= V_be(on) …. (2)

Jika besaran di atas disubsitusikan ke rumus (2) maka dapat dihitung besar R1 yang dibutuhkan adalah :

R1 = Vbe(0n)/I1 = 0.7/0.5 = 1.4 Ohm

Bagaimana menetapkan besar arus I1 = 500 mA, boleh kah lebih atau kurang. Jika kita runut sedikit ke belakang, pertama kita ingin membuat catu daya dengan Io = 5 A. Pada rangkaian di atas, Io = Ic + Io’. Kalau kita anggap Io’ cukup kecil dibanding Ic, maka dapat ditulis Ic = Io. Dari teori transistor diketahui bahwa I_c = H_fe I_b. Dari datasheet MJ2955 diketahui besar Hfe ini 20 ~ 70. Anda bisa mencari transistor dengan Hfe = 50. Jika ini yang dipakai, maka arus base yang mesti disuplai adalah Ib = Ic/Hfe = 5/50 = 100 mA. Dengan perhitungan ini tidak salah kalau diasumsikan arus masksimum yang boleh melewati R1 sebesar 500 mA. Karena akan cukup mensuplai arus base Ib (sebesar 100 mA) yang diperlukan transistor Q1 mensuplai arus Ic mencapai 5 A.

Besar resistansi R2 dapat dihitung dengan loop dari Vin ke Vout melalui transistor Q1 yang dirumuskan dengan :

V_in = I_eR₂ + V_ce(on) + V_out …. (3)

Vin adalah tegangan keluaran dari rangkaian penyearah yang dibuat dari rangkaian trafo, dioda bridge dan kapasitor elco. Jika misalnya Vin = 7 volt dan tegangan keluaran Vout = 5 volt, maka rumus (3) dapat ditullis menjadi :

7 = I_eR₂ + V_ce(on) + 5

atau

I_eR₂ + V_ce(on) = 2 volt ….. (4)

Inilah garis beban atau garis kerja transistor Q1. Dengan anggapan bahwa Ie = Ic = 5 A dan Vce(on) = 0 volt (ideal) ketika transistor Q1 bekerja (ON), maka dapat dihitung besar R2 = 2/5 = 0.4 Ohm. Selesai … ? tentu saja belum, karena harus ditentukan besar watt dari resistor ini. Dari rumus umum P = I²R dapat dihitung disipasi daya pada resistor R2 adalah P = 5²(0.4) = 10 watt (minimun), maka yang digunakan adalah resistor 0.4 Ohm 20 watt supaya aman.

Demikian urutan dari perancangan catu daya ini. Tentu rancangan ini dapat dimodifikasi sesuai dengan kebutuhan. Sebagai tips terakhir, Dengan arus yang demikian besar, temperatur resistor dan transistor akan sedemikian panas. Sangat dianjurkan menggunakan heatsink untuk transistor Q1 dan juga resitor R2. Komponen 7805 mestinya tidak memerlukan heatsink, karena arus yang melewati komponen ini relatif kecil sekali. Kapasitor elco C1 adalah anjuran dari datasheet 7805 agar tegangan output lebih stabil.

Untuk kebutuhan arus yang lebih besar lagi, transistor Q1 bisa diganti dengan transistor Darlington atau dengan cara meng-cascade rangkaian pass transistor menjadi 2 atau 3 tingkat. Pada prinsipnya, perhitungan di atas dapat juga diterapkan untuk mendesain rangkaian catu daya lain misalnya 12 volt ataupun 24 volt.