CATU DAYA DENGAN TABUNG HAMPA DIODA 5AR4 DAN 6CA4
Disusun Oleh Gading Cassandra NIM : 612008062
Skripsi Untuk melengkapi salah satu syarat memperoleh Gelar Sarjana Teknik Program Studi Teknik Elektro Fakultas Teknik Elektronika dan Komputer Universitas Kristen Satya Wacana Salatiga
September 2014
CATU DAYA DENGAN TABUNG HAMPA DIODA 5AR4 DAN 6CA4
Gading Cassandra Nim : 612008062 Fakultas Teknik Program Studi Teknik Elektro Universitas Kristen Satya Wacana Salatiga 2014 Pembimbing : DR. Matias H.W.Budhiantho Ir. F. Dalu Setiaji, MT
INTISARI Catu daya untuk penguat tabung hampa terdiri atas dua bagian yaitu catu daya aras tinggi dan catu daya aras rendah. Tabung hampa dioda jenis 6CA4 dan 5AR4 digunakan sebagai penyearah catu daya aras tinggi. Catu daya yang dirancang mampu menghasilkan 280V/41mA, 443V/194mA, tegangan negatif
-15V, 2
keluaran 6,3V/3A dan satu keluaran 6,3V/0,9A. Catu daya yang dirancang memiliki sistem soft-start dengan waktu bangkit 5 detik untuk catu daya aras tinggi dan 3 detik untuk catu daya aras rendah. Efisiensi dari catu daya aras tinggi 54,2%. Catu daya aras tinggi tegangan 280V memiliki regulasi beban 28,8% dengan riak keluaran 0,052% dan catu daya 430V memiliki regulasi beban 19,2% dengan riak keluaran 0,002%. Pengujian dengan penguat audio tabung 12AU7 dan EL34 dengan menggunakan catu daya yang dirancang menghasilkan tanggapan frekuensi rata 100 Hz – 4 kHzdan THD penguat 4,8-5,1% yang cukup mantap dalam pengujian selama 2 jam.
i
ABSTRACT
Vacuum tube audio amplifier’s power supply consist of two main parts which are hight term power supply and low term power supply. 6CA4 and 5AR4 vacuum tube diode are used as rectifier for high term power supply. Power supply is able to produce 280V/50mA, 430V/200mA, negative voltage -15V, two outputs 6,3V.3A and one output 6,3V/3A. Power supply has soft-start system with output voltage’s rise time is 5 second for high term power supply and 3 second for low term power supply. The efficiency of power supply is 54,2%. Load regulation of 280V power supply is 28,8% with output ripply is 0,052%. Load regulation of 430V power supply is 19,2% with output ripply 0,002%. As the main target of power supply designing, audio amplifier with 12AU7 and EL34 vacuum tube testing result flat frequency respond between 100Hz to 4kHz and THD 4,8-5,1% which is stable for 2 hour testing.
ii
KATA PENGANTAR
Segala puji dan syukur penulis panjatkan kepada Allah SWT yang selalu memberikan jalan, kemudahan dan kelancaran sehingga penulis dapat menyelesaikan tugas akhir ini. Tiada yang bisa terjadi selain karena kehendak-Nya. Semua yang telah penulis capai sejauh ini tentunya tidak lepas dari bantuan, dorongan dan bimbingan dari berbagai pihak. Pada kesempatan ini penulis ingin mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada : 1. Ibuk Sinta Wibawati dan Mbah Putri Siti Mulyati yang telah mendidik dan membesarkan penulis dengan penuh kasih sayang serta Cik Anna Lidia. Beliau semua yang tak henti-hentinya mendukung penulis melalui doa, moril serta materiil. Mbah uti, putune mbah sampun sarjana... 2. Bapak DR. Mathias H.W. Budhianto dan Bapak Ir. F. Dalu Setiaji, MT selaku pembimbing yang dengan sabar membimbing, memberi saran serta koreksi pada pengerjaan tugas akhir ini. 3. Semua dosen FTEK UKSW. 4. Nurul, yang sudah menjadi motivasi terbesar bagi penulis untuk segera menyelesaikan tugas akhir ini. 5. Teman – teman 2008, Caesar, Dung, Bgenk, Pantek, Jembling, Christo, Bagong, Yahya, Riyo, Endro, Catur, Bagas, Bambut, Rosa, Bella, Filly dll yang tidak dapat penulis sebutkan. Terima kasih sudah menjadi keluarga kedua selama penulis kuliah di FTEK UKSW. 6. Ex-kakak angkatan dan teman-teman rindang, Mbahe, Penda, Mas Yona, Mas Aldo, Mas Kumis, Danus, Aryo, Suryo, Rere, Dilla, Astu, Kimpan, Gondrong, Tolgung yang sudah memberikan kesempatan kepada penulis untuk menggelar wawasan baru selama kuliah di UKSW 7. Teman-teman seperjuangan dan tim dotA lab XT, Dhika, Demas, Sembir, Tepe, Mas Ari, Mas DK, Mas Trisno, Andika, Marino, Rendi, Robot, Galang yang sudah menemani penulis mengerjakan tugas akhir.
iii
8. Teman – teman AME, Bobby, Teguh, Richard yang selalu hadir dan membatu penulis melakukan presentasi perkembangan alat dari tugas akhir ini. 9. The legend Rantonov Pengen Numpak Pesawat juragan koran, suwun yo om... 10. Staff TU FTEK Vera, Dita, Mbak Rista dan seluruh laboran FTEK. 11. Dan semua pihak-pihak lain yang tidak dapat penulis sebutkan satu persatu.
Akhir kata, tugas akhir ini tentunya tidak luput dari berbagai kekurangan. Semoga tugas akhir ini bermanfaat bagi siapa pun khususnya bagi teman - teman yang tertarik di bidang catu daya untuk penguat tabung hampa.
Salatiga, September 2014
Penulis
iv
DAFTAR ISI
INTISARI .................................................................................................................... i ABSTRACT ............................................................................................................... ii KATA PENGANTAR................................................................................................. iii DAFTAR ISI .............................................................................................................. v DAFTAR GAMBAR ................................................................................................ vii DAFTAR TABEL ....................................................................................................... x DAFTAR SIMBOL .................................................................................................... xi BAB I. PENDAHULUAN ......................................................................................... 1 1.1. Gambaran Sistem yang Dirancang dan Spesifikasi........................................... 3 1.2. Garis Besar Penulisan Tugas Akhir .................................................................. 5 BAB II. LANDASAN TEORI ................................................................................... 7 2.1 Perbedaan Penguat Audio Tabung Hampa dengan Semi-Penghantar................ 7 2.1.1 Topologi Penguat .................................................................................. 8 2.1.2 Umpan Balik Negatif........................................................................... 14 2.1.3 Isyarat Terpenggal............................................................................... 17 2.2 Perbedaan Catu Daya Penguat Audio Tabung Hampa dengan SemiPenghantar..................................................................................................... 19 2.2.1 Topologi.............................................................................................. 20 2.2.2 Topologi Penyearah............................................................................. 23 2.2.3 Regulasi Tegangan Catu Daya ............................................................. 24 2.2.4 Topologi Tapis Perata ......................................................................... 28 2.3 Penguat Auido Tabung 12AU7 dan EL34 ...................................................... 29 2.3.1 Penguat Awal ...................................................................................... 30 2.3.2 Pembelah Fasa .................................................................................... 31 2.3.3 Penguat Akhir ..................................................................................... 32 2.3.4 Catu Daya Pemanas ............................................................................. 33 2.3.5 Kebutuhan Catu Daya Penguat Audio Tabung 12AU7 dan EL34 ................................................................................................... 34
v
BAB III. PERANCANGAN CATU DAYA DENGAN TABUNG HAMPA ................................................................................................................... 36 3.1 Prosedur Perancangan.................................................................................... 36 3.1.1 Perancangan Trafo Penaik ................................................................... 38 3.1.2 Pemilihan Jenis Tabung Hampa Dioda ............................................... 39 3.1.2.1 Arus DC Tabung Hampa Dioda ...................................................... 39 3.1.2.2 Tegangan Jatuh Piringan ................................................................. 39 3.1.2.3 Tegangan Balik Puncak .................................................................. 41 3.1.3 Perhitungan Arus Piringan dan Hambatan Piringan ............................. 41 3.1.4 Penentuan Efisiensi Penyearah ............................................................ 45 3.1.5 Perancangan Tapis Perata dan Regulator Tegangan Tinggi .................. 46 3.1.6 Perancangan Catu Daya Pemanas ........................................................ 49 3.2 Realisasi Perancangan Catu Daya .................................................................. 50 3.2.1. Catu Daya 280V .................................................................................. 51 3.2.2. Catu Daya 430V .................................................................................. 58 3.2.3. Catu Daya Pemanas ............................................................................. 64 3.2.4. Catu Daya Negatif ............................................................................... 67 BAB IV. PENGUJIAN KINERJA CATU DAYA.................................................. 69 4.1 Pengujian dan Spesifikasi Catu Daya Keseluruhan ................................................... 69
4.2 Peralatan dan Susunan Pengujian ................................................................... 70 4.2.1. Pengujian Catu Daya Aras Tinggi ........................................................ 70 4.2.2. Pengujian Tegangan Jatuh.................................................................... 74 4.2.3. Pengujian Catu Daya Aras Rendah....................................................... 81 4.2.4. Pengujian Efisiensi Catu Daya ............................................................. 83 4.2.5. Pengujian Regulasi Beban Catu Daya .................................................. 86 4.2.6. Pengujian Tegangan Riak Catu Daya Tinggi ........................................ 89 BAB V. PENUTUP.................................................................................................. 93 5.1. Kesimpulan ................................................................................................... 93 5.2. Saran Pengembangan .................................................................................... 94
vi
DAFTAR GAMBAR Halaman Gambar 1.1. Diagram penguat daya audio tabung ......................................................... 2 Gambar 1.2. Diagram kotak catu daya dengan tabung hampa dioda .............................. 4 Gambar 2.1.1. Penguat tabung hampa single-ended ....................................................... 9 Gambar 2.1.2. Penguat tabung hampa push-pull kelas A ............................................... 9 Gambar 2.1.3. Penguat tabung hampa push-pull kelas AB ............................................. 10 Gambar 2.1.4. Untai penguat kelas A dengan transistor semi-penghantar ...................... 11 Gambar 2.1.5. Penguat push-pull kelas B dengan transistor semi-penghantar ................ 12 Gambar 2.1.6. Isyarat akibat cacat peralihan pada penguat transistor semipenghantar kelas B ................................................................................. 12 Gambar 2.1.7. Penguat push-pull kelas AB dengan prategangan resistor ....................... 13 Gambar 2.1.8. Penguat push-pull kelas AB dengan prategangan diode .......................... 13 Gambar 2.1.9. Diagram dasar umpan balik negative ...................................................... 14 Gambar 2.1.10. Cacat isyarat akibat cacat antar modulasi ............................................. 15 Gambar 2.1.11. Diagram tingkat cacat penguat terhadap besarnya umpan balik negatif.................................................................................................. 16 Gambar 2.1.12. (a) Isyarat terpenggal soft-clipping ....................................................... 18 (b) harmonisa yang timbul pada tabung hampa ..................................... 18 Gambar 2.1.13. (a) Isyarat terpenggal hard-clipping ..................................................... 19 (b) harmonisa yang timbul pada semi-penghantar ................................. 19 Gambar 2.2.1. Diagram kotak catu daya linear .............................................................. 20 Gambar 2.2.2. Diagram kotak catu daya mode saklar .................................................... 20 Gambar 2.2.3. Grafik tegangan naik lambat pada keluaran catu daya dengan tabung hampa diode ............................................................................... 21 Gambar 2.2.4. Catu daya aras tinggi dengan penyearah diode semi-penghantar ............. 22 Gambar 2.2.5. Catu daya dengan penyearah tabung hampa diode .................................. 23 Gambar 2.2.6. Grafik simulasi tegangan balik yang diterima dioda penyearah .............. 24 Gambar 2.2.7. Untai regulator dengan tabung hampa dan tabung regulator ................... 25
vii
Gambar 2.2.8. Untai regulator dengan transistor semi-penghantar dan penguat operasional........................................................................................... 26 Gambar 2.2.9. Untai dasar IC regulator LM317............................................................. 27 Gambar 2.2.10. Tapis lolos bawah RC .......................................................................... 28 Gambar 2.2.11. Tapis lolos bawah LC .......................................................................... 28 Gambar 2.2.12. Untai tapis π (a) dengan induktor, (b) dengan resistor........................... 28 Gambar 2.3.1 Penguat awal dengan tabung 12AU7 ....................................................... 30 Gambar 2.3.2. Pembelah fasa LTP dengan sumber arus konstan.................................... 31 Gambar 2.3.3. Untai penguat akhir ................................................................................ 32 Gambar 2.3.4. Kapasistansi pemanas (heater) dan katoda ............................................. 33 Gambar 3.1.1. Grafik tegangan jatuh piringan terhadap arus puncak piringan pada beberapa jenis tabung hampa dioda ................................................ 40 Gambar 3.1.2. Untai setara catu daya dengan tabung hampa dioda ................................ 42 Gambar 3.1.3. Hambatan seri pada catu daya tabung hampa dioda ................................ 43 Gambar 3.1.4. Grafik arus piringan tabung hampa dioda ............................................... 44 Gambar 3.1.5 Grafik efisiensi tabung hampa diode penyearah gelombang penuh .................................................................................................. 46 Gambar 3.1.6. Untai regulator tegangan tinggi dengan IC LM317 ................................. 47 Gambar 3.1.7. Grafik faktor riak penyearah tabung hampa diode .................................. 48 Gambar 3.1.8. Untai LM317 dengan sistem soft-start.................................................... 49 Gambar 3.2.1. Grafik tegangan jatuh tabung hampa dioda 6CA4 .................................. 53 Gambar 3.2.2. Grafik arus rata-rata per piringan terhadap efisiensi penyearah dengan tabung 6CA4 .............................................................................. 56 Gambar 3.2.3. Untai catu daya 280V ............................................................................. 57 Gambar 3.2.4. Grafik tegangan jatuh tabung hampa dioda 5AR4 .................................. 60 Gambar 3.2.5. Grafik arus rata-rata per piringan terhadap efisiensi penyearah pada tabung 5AR4 .................................................................................. 62 Gambar 3.2.6. Untai catu daya 430V ............................................................................. 64 Gambar 3.2.7. Waktu naik catu daya pemanas dengan sistem soft-start ......................... 66 Gambar 3.2.8. Untai catu daya pemanas ........................................................................ 66 Gambar 3.2.9. Untai catu daya negatif........................................................................... 67
viii
Gambar 4.1. Susunan peralatan pengujian catu daya aras tinggi .................................... 71 Gambar 4.2. Tegangan dan arus keluaran (a) catu daya 280V (b) catu daya 430V ........................................................................................................ 71 Gambar 4.3. Grafik waktu naik tegangan dan arus (a) catu daya 280V dan (b) catu daya 430 ........................................................................................... 73 Gambar 4.4. Susunan peralatan pengujian tegangan jatuh catu daya aras tinggi ............. 75 Gambar 4.5. Tegangan keluaran catu daya aras tinggi tanpa beban (a) catu daya 280V (b) catu daya 430V ................................................................. 76 Gambar 4.6. Tegangan dan arus keluaran catu daya aras tinggi pada keadaan penguat volume maksimal, (a) catu daya 280V (b) 430V .......................... 77 Gambar 4.7. Isyarat masukan dan keluaran penguat tabung hampa 12AU7 dan EL34 ........................................................................................................ 78 Gambar 4.8. Grafik regulasi beban (a) catu daya 280V (b) catu daya 430V ................... 79 Gambar 4.9. Susunan peralatan pengujian catu daya aras rendah ................................... 81 Gambar 4.10. Grafik tegangan dan arus catu daya pemanas (a) tabung 12AU7 (b) tabung EL34 ..................................................................................... 82 Gambar 4.11. Susunan alat pengukuran daya masukan catu daya aras tinggi ................. 84 Gambar 4.12. (a) Tegangan dan (b) arus masukan catu daya aras tinggi ........................ 84 Gambar 4.13. Susunan peralatan pengujian tegangan riak keluaran catu daya aras tinggi ............................................................................................ 86 Gambar 4.14. Tegangan riak keluaran catu daya 280 (a) tanpa beban dan (b) terbeban maksimal ............................................................................... 87 Gambar 4.15. Tegangan riak catu daya 430V (a) tanpa beban (b) terbeban maksimal ............................................................................................. 88 Gambar 4.16. Prosedur pengukuran tanggapan frekuensi dan THD penguat audio ...................................................................................................... 90 Gambar 4.17. Tanggapan frekuensi penguat audio tabung 12AU7 dan EL34................. 90
ix
DAFTAR TABEL Halaman Tabel 2.1. Kebutuhan daya penguat audio tabung hampa 12AU7 dan EL34
x
35
DAFTAR SIMBOL A
Bati penguat dengan umpan balik negatif
AOL
Bati simpal terbuka
β
Umpan balik negatif
Ci
Kapasitor sambatan (coupling)
Chk
Kapasitansi dalam antara pemanas (heater) dan katoda
Ck
Kapasitor pelewat (bypass) pada kaki katoda
CSS
Kapasitor untai slow-start
D
Derau penguat dengan umpan balik negatif
DOL
Derau penguat simpal terbuka
Edc
Tegangan DC
Em
Tegangan puncak trafo penaik
fr
Frekuensi riak
Fr
Faktor riak
Fro
Faktor redaman keluaran catu daya
FS
Faktor redaman
IL
Arus beban catu daya tabung hampa Arus puncak piringan tabung hampa dioda
̅
Arus rata-rata piringan tabung hampa dioda
n
Jumlah fasa pulsa tegangan DC
N
Nisbah tegangan primer dan tegangan sekunder trafo
Pout
Daya keluaran
RA
Hambatan anoda tabung hampa dioda Hambatan piringan tabung hampa diode pada arus puncak Hambatan piringan tabung hampa diode pada arus rata-rata
RES
Hambatan efektif lilitan sekunder trafo
Rg
Hambatan kisi (grid) tabung hampa
Rh
Hambatan pembatan frekuensi tinggi
Rk
Hambatan katoda tabung hampa
RL
Beban catu daya tabung hampa
xi
Rp
Hambatan anoda (plate) tabung hampa
Rprimer
Hambatan lilitan primer trafo
Rsekunder
Hambatan lilitan sekunder trafo Hambatan seri catu daya tabung pada arus puncak Hambatan seri catu daya tabung pada arus rata-rata
RSS
Resistor untai soft-start
τ
Konstanta waktu
VBE
Tegangan basis emiter
VC
Tegangan kapasitor
VL
Tegangan beban catu daya
VO
Tegangan keluaran
VP
Tegangan puncak
vrr
Tegangan riak penyearah
vro
Tegangan riak keluaran
ω
Frekuensi jala-jala (radian)
xii
