Hal yang umum ditemui pada mikrokontroler, dimana tegangan masukan yang telah teregulasi harus dicatu sehigga mikrokontroler juga bisa berfungsi tanpa masalah. Contoh dari komponen regulator yang populer digunakan di pasar adalah IC 7805 yang meregulasi tegangan keluaran pada 5volt.
Sekarang apa itu IC regulator tegangan? IC Regulator tegangan, sebagaimana namanya, adalah rangkaian terintegrasi (Integrated Circuit) yang memiliki fungsi dasar untuk meregulasi tegangan masukan yang tidak teregulasi (tegangan yang naik turun pada rentang tertentu) sehingga menghasilkan keluaran tegangan yang stabil tetap.
Regulator tegangan berbasis IC biasanya diklasifikasikan menjadi dua jenis besar, yaitu regulator tegangan linear dan regulator tegangan switching. Regulator tegangan linier terdiri dari dua jenis yaitu
- Fixed voltage regulator, regulator yang memiliki tegangan keluaran tetap
- Adjustable voltage regulator, regulator yang memiliki tegangan yang bisa divariasikan
Fixed Voltage Regulator
Sebagaimana telah dijelaskan, regulator jenis ini memiliki tegangan keluaran yang tetap. Salah satu yang paling populer adalah IC 7805 yang memberikan tegangan keluaran tetap 5 volt. Regulator jenis ini bisa memiliki tegangan negatif atau positif. Semua IC dengan seri 78XX memiliki tegangan keluaran tetap positif. Dimana XX biasanya menunjuk kepada tegangan keluaran yang disediakan, misalkan 7806 untuk tegangan 6Volt. 7809 untuk tegangan 9 volt. Untuk lebih jelasnya mengenai spesifikasi masing – masing seri, silahkan membaca datasheetnya.
Regulator dengan tegangan yang bernilai negatif, secara rancangan konstruksi dan operasi sama dengan regulator tegangan positif, perbedaanya hanya pada polaritas dari tegangan keluaran. Dimana IC-nya dirancang untuk menyediakan tegangan negatif, misalkan IC jenis 7905, 7906 dan semua IC yang memiliki seri 79XX
Adjustable Voltage Regulator
Adjustable voltage regulator adalah jenis regulator yang meregulasi tegangan keluarannya ke rentang tegangan yang bervariasi. Ada dua macam regulator jenis ini, positive adjustable dan negative adjustable. LM317 adalah contoh klasik dari regulator tegangan jenis positive adjustable yang memiliki tegangan yang bervariasi pada 1.2 volt hingga 57 volt. Sedangkan LM337 adalah contoh dari regulator jenis negative adjustable, yang merupakan kebalikan dari LM317
Regulator Tegangan 7805
Sumber tegangan di dalam sebuah rangkaian elektronika seringkali mengalami fluktuasi, sehingga menyebabkan tegangan keluaran bernilai tidak tetap pula. Sebuah IC regulator tegangan membantu menjaga agar tegangan keluaran selalu pada nilai konstan. Salah satu IC regulator yang umum digunakan untuk standar tegangan TTL adalah 7805, yang merupakan anggota dari seri regulator tegangan tetap 78xx. Tanda xx mengindikasikan tegangan keluaran yang disediakan. IC7805 menyediakan catu daya teregulasi dengan beda potensial 5 volt
Berikut layout diagram pemasangan kaki – kaki dari pin LM7805
Dalam banyak nasehat ketika merancang sebuah rangkaian elektronika atau menemui sebuah komponen , selalu sering – sering disampaikan untuk membaca datasheet. Hal ini diperlukan untuk memahami karakteristik lebih rinci mengenai komponen yang sedang dihadapi, bahkan jika itu “hanya” sebuah IC regulator tegangan.
Berdasarkan datasheet, IC LM 7805 memiliki spesifikasi sebagai berikut
- Rentang tegangan masukan 7V- 35V
- Arus maksimal Ic = 1A
- Rentang tegangan keluaran VMax=5.2V ,VMin=4.8V
Sebagaimana yang tercantum dalam datasheet, terdapat perbedaan signifikan diantara tegangan masukan dengan tegangan keluaran dari regulator. Perbedaan antara masukan dan keluaran ini akan dilepaskan sebagai panas. Selisih yang lebih besar antara masukan dan keluaran akan menyebabkan panas yang didisipasi akan semakin besar pula. Itulah mengapa tak jarang, IC7805 akan terpasang bersama heatsink, guna menjaga panas yang dihasilkan cepat dilepaskan ke lingkungan dan tidak sampai merusak komponen.
Karena alasan itu, biasanya para perancang hanya membatasi tegangan input pada selisih 2-3 volt dari tegangan keluaran. IC Regulator tegangan 5 volt 7805 biasanya digunakan untuk meregulasi tegangan masukan 7-8 volt. Jika tegangan masukan lebih dari 9 volt, diperlukan heatsink, untuk membantu komponen membuang panas.
IC 7805 sangat tidak efisien guna menurunkan tegangan dengan selisih yang terlalu besar, dikarenakan energi yang terbuang juga akan semakin besar. Jika pembaca sedang berencana menggunakan heatsink untuk IC regulator, hitung terlebih dahulu ukuran heatsink yang akan digunakan. Berikut rumus yang biasa digunakan untuk mengukur berapa heatsink yang sebaiknya digunakan untuk regulator tegangan
Panas yang dihasilkan = (Tegangan masukan – 5) x arus masukan
misalkan, dirancang sebuah sistem dengan masukan 15 volt dan arus keluaran adalah 0.5 ampere. Masukkan nilai tersebut kedalam rumus, sehingga menjadi
(15 – 5) x 0.5 = 10 x 0.5 = 5 W
5 W adalah energi yang dibuat sebagai panas, sehingga diperlukan heatsink yang sesuai untuk melepaskan panas tersebut.
Di sisi lain, energi yang sebenarnya digunakan adalah
(5 x 0.5Amp) = 2.5W.
Perhatikan, energi yang terbuang bernilai dua kali lipat jika dibandingkan dengan energi yang digunakan. Lalu bagaimana jika tegangan masukan diubah pada nilai 9 volt dengan beban yang sama.
(9-5) x 0.5 = 2W
2 watt energi yang dibuang.
Jadi kesimpulannya adalah semakin tinggi tegangan masukan, akan semakin tidak efisien IC 7805. Tegangan masukan yang paling efisen untuk IC 7805 berada pada kisaran 7.5 V
Menurunkan Tegangan 5 Volt Menjadi 3.3 Volt
Namun akhir – akhir ini seiring berkembangnya dunia elektronika dan semakin kecilnya ukuran transistor-transistor yang menyebabkan kebutuhan terhadap tegangan yang semakin rendah, maka terdapat standar baru dalam dunia elektronika yaitu 3.3 volt yang merupakan standar JEDEC (Joint Electron Device Engineering Council). Salah satunya digunakan sebagai logika tegangan standar pada komputer mini raspberry pi, dan juga beberapa mikrokontroler yang ditenagai oleh prosesor ARM.
Hadirnya standar baru tersebut membawa beberapa keuntungan. Beberapa diantaranya adalah, semakin rendahnya tegangan maka semakin sedikit daya yang diperlukan (ingat persamaan Daya = Tegangan x Arus). Keuntungan berikutnya kita hanya cukup memerlukan 1 sel batere Lipo (3.8 volt tiap sel). Bandingkan dengan standar TTL yang setidaknya memerlukan 2 sel batere Lipo.
Yang menjadi masalah adalah, jika dalam satu rangkaian elektronika ada beberapa perangkat yang masih menggunakan standar TTL, dan perangkat lain menggunakan standar JEDEC, lalu kita ingin berduanya saling terhubung, entah itu hanya secara elektronik atau juga secara antarmuka (misalkan komunikasi I2c antara Arduino Uno yang berstandar TTL, dengan Raspberry Pi yang berstandar JEDEC)
Secara elektronik, mencatu 5 volt ke perangkat dengan standar JEDEC akan membuat perangkat elektronika tersebut rusak. (Jadi jangan coba – coba memberikan masukan standar TTL 5 volt pada port GPIO Raspberry Pi misalnya, atau mencatu beberapa sensor 3.3 volt dengan tegangan 5 volt.
Sebagaimana halnya ic regulator seri LM, IC regulator ini memiliki 3 kaki, namun jangan terjebak. konfigurasi kaki – kakinya berbeda. Karena itu jangan lupa untuk membaca datasheetnya. Berikut konfigurasi kaki – kakinya
Biasanya pada IC regulator seri LM, kaki nomer 1 adalah Vin, kaki nomer 2 GND dan kaki nomer 3 Vout. Di awal – awal penulis bereksperimen dengan IC ini juga sempat terkecoh sampai kemudian tersadar bahwa pin – pin tersebut terbalik. Ternyata konfigurasi posisi kaki yang benar adalah kaki 1 sebagai GND, kaki 2 adalah Vout (keluaran 3.3 volt) dan masukan 5 volt di kaki nomer 3.
Untuk menurunkan tegangan dari 5 volt menjadi 3 volt bisa digunakan metode voltage divider atau pembagi tegangan sebagai berikut
Asumsikan saja VS merupakan tegangan 5 Volt dari USB –misalnya. R1 dan R2 merupakan resistor yang kita gunakan untuk membagi tegangan. Nah, tegangan di R2 mengikuti persamaan sebagai berikut
Dengan VL adalah tegangan beban yang merupakan tegangan di R2. Dari mana asal rumus tersebut. Terlalu panjang untuk dijelaskan, silahkan anda cari dari mana – yang jelas persamaan tersebut didapatkan dari hukum kirchoff.
Baiklah, masukan parameter VL=3 volt dan Vs=5 volt maka melalui manipulasi aljabar sederhana didapatkan peerbandingan R1:R2 adalah 2:3 . Sebagai contoh, gunakan R1=2 kilo ohm dan R2=3 kilo ohm. Simulasikan dalam Proteus ISIS
Anda akan mendapatkan tegangan VL secara teori adalah 3volt. Pada kenyataannya setelah anda mencobanya pada project board atau PCB, mungkin akan terjadi selisih (galat) karena toleransi pada resistor. Saran saya silahkan gunakan potensiometer (variable resistor) untuk menggantikan R1 atau R2, atur R1 atau R2 sehingga anda mendapatkan tegangan seperti yang anda inginkan.
Masalahnya adalah jika tegangan masukan berubah (tidak stabil pada 5 volt) maka otomatis tegangan keluaran juga akan berubah tidak stabil pada tegangan 3 volt, jadi anda harus yakin dengan kestabilan dari tegangan masukan.
Cara lain, adalah anda dapat menggunakan dioda zener 3 volt BZX284C3V0 menggantikan R2, keuntungannya tegangan hasil konversi lebih stabil meskipun tegangan masukan berubah – ubah. Jangan lupa untuk membaca datasheet dari dioda zener tersebut untuk spesifikasi tegangan kerjanya, karena salah – salah dioda zener bisa terbakar :
