Cara Kerja Power Supply / Adaptor Bekerja

Catudaya atau power supply merupakan suatu rangkaian elektronik yang mengubah arus listrik bolak-balik (alternating current / AC) menjadi arus listrik searah (direct current / DC).   

Dalam kehidupan sehari-hari. sumber tegangan dari PLN adalah tegangan AC, dimana tegangan ini akan bergerak naik-turun dari 220 volt AC menjadi -220 volt AC selama 50 kali dalam 1 detik secara sinusoidal. Itulah makanya sering kita lihat pada stiker spesifikasi alat elektronik adalah 220 VAC / 50 Hz. Saking cepatnya tegangan AC ini bergerak, kita sampai tidak melihat pergerakannya, itu dibuktikan dengan lampu dirumah kita yang selalu menyala bila lampu tersebut dinyalakan, padahal lampu tersebut sebenarnya nyala-mati-nyala-mati selama 50 kali / detik.

Banyak peralatan listrik yang dapat beroperasi bila langsung terhubung dengan stop kontak rumah kita seperti : Oven, setrika, lampu, dll. Berarti peralatan listrik tersebut memang membutuhkan tegangan 220 VAC. 

Namun ada juga peralatan listrik yang membutuhkan tegangan DC dimana tegangan yang dibutuhkan harus stabil atau tidak naik-turun seperti AC. Peralatan listrik ini diantaranya TV, DVD player, Tape, Radio, dll. Untuk mendapatkan tegangan DC, kita dapat menggunakan adaptor / power supply , batu baterai, aki, dll.  

Mungkin Anda bertanya, "TV dirumah saya langsung terhubung ke stop kontak (PLN) kok, berarti kan tegangan yang masuk adalah 220 VAC ?".

Anda benar sekali, elektronik seperti TV, DVD player, dll memang langsung terhubung dengan stop kontak PLN yang berarti mendapatkan tegangan 220 VAC. Tapi bila Anda melihat isi didalam TV, DVD player, dll.maka akan Anda temui sebuah modul power supply / adaptor, dimana fungsi modul ini adalah mengubah tegangan AC menjadi tegangan DC.

Namun tidak semua peralatan elektronik yang membutuhkan tegangan DC memiliki modul power supply didalamnya. Misalnya saja, mungkin Anda memiliki / setidaknya pernah melihat sebuah laptop, dimana laptop ini untuk bekerja tanpa baterai harus terhubung ke suatu kotak hitam, baru kemudian kotak hitam tersebut terhubung ke stop kontak PLN. Nah, Kotak hitam itulah sebenarnya power supply / adaptor.

Sekarang coba Anda perhatikan panel belakang dari komputer desktop di depan Anda saat ini, apakah di bagian atas terdapat kipas exhaust ? Nah, itulah power supply dari komputer Anda. Komputer biasanya membutuhkan tegangan 5 VDC dan 12 VDC, sedangkan tegangan dari PLN adalah 220 VAC, nah inilah tugas dari power supply / adaptor untuk mengubahnya.

Mari kita pelajari sebuah modul power supply / adaptor !!!
Secara prinsip rangkaian power supply adalah menurunkan tegangan AC -> menyearahkan tegangan AC sehingga menjadi DC -> Menstabilkan tegangan DC, yang terdiri atas transformator, dioda dan kapasitor/condensator.

Menurunkan Tegangan - dengan komponen Transformator
Tranformator biasanya berbentuk kotak dan terdapat lilitan-lilitan kawat email didalamnya. Tugas dari komponen ini adalah untuk menaikkan atau menurunkan tegangan AC sesuai kebutuhan. Kita lihat lagi komputer di depan Anda, komputer di depan Anda membutuhkan tegangan sekitar 5 VDC dan 12 VDC. Nah, transformator merupakan komponen terbaik untuk menurunkan tegangan PLN dari 220 VAC menjadi 15 VAC. Mengapa 15 VAC ?! karena kebutuhan komputer ada yang 12 VDC, jadi kita harus menyiapkan tegangan lebih tinggi dari 12 VDC. Ingat bahwa komponen ini hanya menurunkan tegangan AC, jadi setelah tegangan PLN 220 VAC diturunkan menjadi 12 V, maka sifat dari 12 V ini masih AC dan belum DC.

Penyearah (Rectifier)- dengan komponen Dioda
Setelah tegangan PLN diturunkan menjadi 15 VAC, maka saatnya untuk mengubah sifat AC menjadi DC. Tugas ini dilakukan oleh rangkaian penyearah dengan komponen dioda. Perhatikan kedua gambar berikut, dimana Gambar 1 adalah gambar gelombang AC yang masih bolak-balik, sedangkan Gambar 2 adalah gambar dimana gelombang negatif akan dibuang / tidak dilewatkan.

Gambar 1

 Gambar 2

Ada 2 jenis rangkaian penyearah, yaitu setengah gelombang (half wave) dan gelombang penuh (full wave).

Penyearah setengah gelombang (halfwave rectifier)
Seperti namanya, rangkaian ini hanya memotong setengah periode saja. Jadi perhatikan Gambar 1 dan 2 lagi. pada Gambar 2 terlihat bahwa fase negatif akan dihilangkan atau tidak dilewatkan, sehingga nantinya hanya fase positif saja yang akan dilewatkan. Ingat bahwa maksud dari kata "searah" disini adalah sama fasenya, jika hanya fase positif saja yang dilewatkan maka gelombang tersebut dinamakan searah, dan jika hanya fase negetif saja yang dilewatkan, gelombang tersebut dinamakan searah juga. Jadi, persepsi kata "searah" berarti hanya fase positif atau fase negatif saja yang dilewatkan.

Jika sebelum disearahkan, gelombang bergerak dari puncak positif ke puncak negatif, maka sekarang gelombang bergerak dari puncak positif ke nol.
Bentuk dasar rangkaian penyearah setengah gelombang seperti terlihat pada gambar 3. Beban yang membutuhkan sumber tenaga listrik searah diwakili oleh resistor. Sebuah dioda diletakkan seri atau berderet dengan beban sehingga arus listrik hanya mengalir ke satu arah saja.

Gambar 3

Gambar 4 menunjukkan apa yang terjadi dalam circuit selama periode setengah gelombang positip dari arus listrik bolak-balik. Anoda dari Katoda memperoleh gelombang positip, akibatnya dioda konduksi, arus listrik mengalir melalui beban. Pada beban timbul tegangan positip setengah gelombang. Jalannya arus listrik dari negatip AC menuju beban, dari beban menuju ke katoda dioda dan kembali ke terminal positip AC.

Gambar 4

Gambar 5

Gambar 5 menunjukkan setengah gelombang sinus berikutnya dari AC. Di sini anoda D1 menerima tegangan negatip akibatnya dioda menyumbat sehingga arus listrik tidak dapat mengalir dan pada beban tidak timbul tegangan.

Ingat bahwa ada dua lubang pada stop kontak rumah Anda, salah satu lubang disebut "live" dimana lubang inilah yang mengalirkan listrik, sedangkan lubang satunya adalah "ground" atau netral. Saat fase positif, yaitu dimana "live" mengalirkan tegangan +220 VAC maka "ground" akan menjadi negatifnya, sedangkan saat "live" mengalirkan tegangan -220VAC, maka "ground" akan menjadi positifnya. Ingat bahwa arus listrik mengalir bila terdapat perbedaan potensial, dan selalu mengalir dari potensial tinggi ke potensial rendah (hukum conventional current - adalah hukum yang menyatakan bahwa arus mengalir dari kutub positif ke kutub negatif, padahal yang terjadi adalah sebaliknya, yaitu hukum electron current)

Dari gambar 1,2, dan 3 jelas bahwa pada rangkaian penyearah setengah gelombang arus listrik AC diubah menjadi arus pulsa DC. Sudah barang tentu arus listrik pulsa DC tidak sesuai sebagai sumber energi bagi kebanyakan alat elektronik dikarenakan tidak stabil yaitu bergerak naik kemudian turun menjadi nol, dst (masih bergelombang sinus yang tidak sempurna). Yang dibutuhkan alat elektronik adalah arus listrik DC yang rata dan stabil. Rangkaian penyearah setengah gelombang hanyalah merupakan prinsip dasar catudaya. Pada paragraf berikutnya akan diketahui pengembangan dari halfwave ini yaitu penyearah gelombang penuh (fullwave) dan penyearah jembatan (bridge).

Penyearah gelombang penuh (fullwave rectifier).
Kelemahan dari halfwave rectifier adalah arus listrik yang mengalir ke beban hanya separuh dari setiap satu cycle. Hal ini akan menyulitkan dalam proses filtering (penghalusan). Untuk mengatasi kelemahan ini adalah penyearah gelombang penuh.

Rangkaian dasar penyearah gelombang penuh seperti terlihat pada gambar. Menggunakan dua dioda dan satu center tape transformer. Jika titik tengah transformer ditemukan maka tegangan di kedua ujung lilitan sekunder berlawanan fasa 180 derajat. Jadi ketika misalnya tegangan dititik A mengayun kearah positip diukur dari titik tengah lilitan sekunder maka tegangan dititik B mengayun ke arah negatif diukur dari titik yang sama. Mari kita lihat prinsip kerja penyearah gelombang penuh ini.Gambar A menunjukkan ketika anoda D1 mendapat tegangan positip, Anoda D2 mendapat tegangan negatip.

Pada kedudukan ini hanya D1 saja yang konduksi atau terhubung singkat. Arus listrik mengalir dari titik tengah sekunder melalui beban, kemudian melalui D1 dan kembali ketitik tengah melalui lilitan atas sekunder.
Da hal ini D1 berfungsi seperti saklar atau switch yang menutup sehingga arus listrik mengalir melalui beban disaat perioda positip dari gelombang sinus AC. Gambar B menunjukkan apa yang terjadi selama setengah periode berikutnya ketika polaritas berganti.

Anoda D1 mengayun kearah negatip sementara anoda D2 mengayun kearah positip. Akibatnya D1 menyumbat, sebaliknya D2 konduksi atau terhubung singkat. Pada keadaan ini arus listrik mengalir dari titik setengah sekunder melalui beban dan D2 kembali ketitik tengah setelah melalui lilitan bawah sekunder. Perhatikan bahwa dalam rangkaian penyearah gelomang arus listrik mengalir sepanjang satu perioda. Sedangkan dalam rangkaian penyearah setengah gelombang arus listrik hanya mengalir selama setengah perioda saja. Jadi penyearah gelombang penuh (fullwave rectifier) lebih baik dari penyearah setengah gelombang (halfwave rectifier).

Penyearah type jembatan (bridge rectifier)
Rangkaian dasar penyearah type jembatan seperti terlihat pada gambar. Terdiri atas satu transformer dan 4(empat) dioda yang disusun sedemikian rupa sehingga arus listrik hanya mengalir kesatu arah saja melalui beban. Circuit ini tidak memerlukan sekunder bersenter tapi sebagaimana pada rangkaian penyearah gelombang penuh. Bahkan transformator tidak diperlukan jika tegangan DC yang dibutuhkan relatif sama dengan tegangan jaringan PLN, misalnya. Artinya titik A dan B dapat dihubungkan langsung dengan jaringan yang tersedia di rumah.

Transformator digunakan bila tegangan DC yang dibutuhkan lebih kecil atau lebih besar dari tegangan jaringan. Selain itu adakalanya transformator digunakan sebagai isolator antara tegangan jaringan dengan tegangan rangkaian.
Gambar A menunjukkan jalannya aliran arus listrik selama periode positip AC (sine wave). D1 an D2 konduksi. Arus listrik mengalir dari ujung lilitan bawah sekunder melalui beban, D1, D2, dan kembali ke lilitan bawah sekunder.

Setengah perioda berikut polaritas sinewave berganti seperti terlihat pada gambar B. Ujung lilitan atas sekunder sekarang menjadi negatip, ujung lilitan bawah menjadi positif.D3 dan D4 konduksi. Pada kedudukan ini arus listrik mengalir dari ujung lilitan atas sekunder melalui beban, D3, D4 dan kembali lilitan bawah sekunder. Dari gambar A dan B nampak jelas arus listrik yang mengalir melalui beban selalu dalam arah yang sama.


Filtering (penghalusan).
Sebagaimana telah kita lihat pada bab sebelumnya bahwa arus listrik DC yang keluar dari dioda masih berupa deretan pulsa-pulsa. Tentu saja arus listrik DC semacam ini tidak cocok atau tidak dapat digunakan oleh perangkat elektronik apapun.

Untuk itu perlu dilakukan suatu cara filtering agar arus listrik Dc yang masih berupa deretan pulsa itu menjadi arus listrik DC yang halus/ rata. Ada beberapa cara yang dapat dilakukan diantaranya dengan C filter, RC filter dan LC filter.
Pada bab berikut hanya akan dibahas C filter (basic). Sedangkan RC maupun LC filter merupakan pengembangan C filter yang fungsinya lebih menghaluskan tegangan output dioda. Capacitor sebagai filter.

Filtering atau penghalusan yang paling sederhana ialah dengan menggunakan capacitor yang dihubungkan seperti terlihat pada gambar. Tegangan input rata-rata (average) 115 volt. Tegangan puncak 162 volt. mari kita lihat apa yang terjadi ketika suatu capasitor ditambahkan pada output dioda.  Pada saat anoda D1 mendapat pulsa positip, D1 langsung konduksi dan capacitor mulai mengisi. Ketika capacitor telah mencapai tegangan puncak D1 menyumbat karena katodanya lebih positip daripada anodanya. Capacitor harus membuang (discharge) muatannya melalui beban yang mempunyai resistan tertentu. Oleh karenanya waktu discharge capacitor lebih lama dibanding waktu yang dibutuhkan AC untuk melakukan satu periode (cycle). Akibatnya sebelum capacitor mencapai nol volt diisi kembali oleh pulsa berikutnya.




Bagaimana bentuk tegangan DC setelah difilter dengan capacitor dapat dilihat pada gambar.
Gambar A menunjukkan output penyearah setengah gelombang tanpa capacitor. Tampak jelas tegangan rata-ratanya (E ave) hanya sitar 31% dari tegangan puncak. Ketika suatu capacitor ditambahkan maka bentuk tegangan outputnya seperti terlihat pada gambar B. Di sini capacitor mencegah tegangan output mencapai nol volt. Sehingga tegangan output rata-ratanya naik dibanding sebelumnya (no capacitor). Jika nilai capacitornya dibesarkan atau ditambah maka bentuk tegangan outputnya seperti terlihat pada gambar C. Tampak jelas tegangan rata-ratanya (E ave) meningkat dibandingkan sebelumnya (nilai capacitor yang lebih besar diperlukan bila arus listrik yang dinutuhkan beban relativ besar.

Tegangan rata-rata (E ave). Jika kita mengatakan tegangan AC ini 115 V, sesungguhnya yang kita sebutkan adalah tegangan efektif (E rms). Sedangkan tegangan puncaknya (Epeak0 adalah :E peak = E rms x 1,414 E peak = 115 V x 1,414 = 162,6 v.




Sedangkan tegangan rata-ratanya adalah 0 v karena positip dan negatip bergantian (alternate). Yang dibutuhkan rangkaian elektronika adalah tegangan rata-rata atau E ave. Untuk mendapatkan E ave maka salah satu gelombang AC (positip / negatip) harus di clip / dipotong (lihat gambar).

E ave = E peak x 0,0318 E ave = 162,6 v x 0,318 = 51,7 v.
Output E ave pencatudaya setengah gelombang sukar difilter karena mengandung ripple 50Hz
Pada catudaya type jembatan (bridge rectifier) hubungan antara tegangan puncak E peak dengan tegangan rata-rata E ave sebagai berikut:
 
E peak = E rms x 1,414
E peak = 115v x 1,414 = 162,6v.
E ave = E peak x 0,636
E ave = 1,62,6v x 0,636 = 103,4v.
Dari perbandingan di atas tampak jelas bahwa output tegangan DC catudaya type jembatan lebih besar dari type setengah gelombang. Walaupun ripple frequency catudaya jembatan 120Hz, secara teknis mudah difilter atau disaring dibanding ripple frequency 60Hz dari pencatudaya type setengah gelombang.