Pengertian Rangkaian Penyearah Gelombang dan Rangkaian Penyearah Gelombang Penu

 

Rangkaian penyearah gelombang merupakan rangkaian yang berfungsi untuk merubah arus bolak-balik (Alternating Current / AC) menjadi arus searah (Direct Current / DC). Komponen elektronika yang berfungsi sebagai penyearah adalah dioda, karena dioda memiliki sifat hanya memperbolehkan arus listrik melewati-nya dalam satu arah saja.

Rangkaian Penyearah Setengah Gelombang Rangkaian penyearah setengah gelombang merupakan rangkaian penyearah sederhana yang hanya dibangun menggunakan satu dioda saja, seperti diilustrasikan pada gambar berikut ini.

Prinsip kerja dari rangkaian penyearah setengah gelombang ini adalah pada saat setengah gelombang pertama (puncak) melewati dioda yang bernilai positif menyebabkan dioda dalam keadaan ‘forward bias’ sehingga arus dari setengah gelombang pertama ini bisa melewati dioda.

Pada setengah gelombang kedua (lembah) yang bernilai negatif menyebabkan dioda dalam keadaan ‘reverse bias’ sehingga arus dan setengah gelombang kedua yang bernilai negatif ini tidak bisa melewati dioda. Keadaan ini terus berlanjut dan berulang sehingga menghasilkan bentuk keluaran gelombang seperti diperlihatkan pada gambar berikut ini.

Dari gambar di atas, gambar kurva ‘D1-anoda’ (biru) merupakan bentuk arus AC sebelum melewati dioda dan kurva ‘D1-katoda’ (merah) merupakan bentuk arus AC yang telah dirubah menjadi arus searah ketika melewati sebuah dioda.

Pada gambar tersebut terlihat bahwa ketika gelombang masukan bernilai positif, arus dapat melewati dioda tetapi ketika gelombang masukan bernilai negatif, arus tidak dapat melewati dioda. Karena hanya setengah gelombang saja yang bisa di searah-kan, itu sebabnya mengapa disebut sebagai Penyearah Setengah Gelombang.

Rangkaian penyearah setengah gelombang ini memiliki kelemahan pada kualitas arus DC yang dihasilkan. Arus DC rata-rata yang dihasilkan dari rangkaian ini hanya 0,318 dari arus maksimum-nya, jika dituliskan dalam persamaan matematika adalah sebagai berikut;

I_AV = 0,318 ∙ I_MAX

Oleh sebab itu rangkaian penyearah setengah gelombang lebih sering digunakan sebagai rangkaian yang berfungsi untuk menurunkan daya pada suatu rangkaian elektronika sederhana dan digunakan juga sebagai demodulator pada radio penerima AM.

Rangkaian Penyearah Gelombang Penuh

Ada beberapa jenis rangkaian penyearah gelombang penuh dimana rangkaian penyearah ini dapat menyearahkan satu gelombang penuh (puncak dan lembah). Dua rangkaian penyearah gelombang penuh yang sering digunakan dalam dunia elektronika adalah penyearah gelombang penuh menggunakan rangkaian dioda jembatan dan yang kedua adalah penyearah gelombang penuh menggunakan ‘center tap design’.

Rangkaian dioda jembatan adalah rangkaian penyearah gelombang penuh yang paling populer dan paling banyak digunakan dalam rangkaian elektronika. Rangkaian dioda jembatan menggunakan empat dioda sebagai penyearah-nya seperti diperlihatkan pada gambar berikut.

Prinsip kerja dari rangkaian dioda jembatan ini adalah ketika arus setengah gelombang pertama terminal AC-Source bagian atas bernilai positif, sehingga arus akan mengalir ke beban (R-Load) akan melalui D2 (forward bias) dan dari R-Load akan dikembalikan ke AC-Source melalui D3. Hal ini diperlihatkan pada ilustrasi gambar di bawah ini, dimana jalur arus yang di searah-kan diberi warna merah.

Sedangkan pada setengah gelombang kedua, terminal AC-Source bagian bawah yang kini bernilai positif sehingga arus yang mengalir ke beban (R-Load) akan melalui D4 (forward bias) dan dari R-Load akan dikembalikan ke AC-Source melalui D1. Hal ini diperlihatkan pada ilustrasi gambar di bawah ini, dimana jalur arus yang di searah-kan diberi warna merah.

Sehingga setengah gelombang pertama dan kedua dapat di searah-kan dan inilah mengapa rangkaian dioda jembatan ini disebut sebagai rangkaian Penyearah Gelombang Penuh.

Sedangkan rangkaian penyearah gelombang penuh yang menggunakan ‘center tap design’ digunakan pada sumber arus bolak-balik (AC) yang memiliki ‘Center Tap (CT)’ contohnya pada transformator CT.

Pada rangkaian penyearah gelombang penuh ‘center tap design’ hanya menggunakan dua dioda sebagai penyearah-nya. Contoh penyearah ‘center tap design’ diperlihatkan pada gambar berikut ini.

Prinsip kerja dari rangkaian penyearah “center tap design’ ini adalah pada saat arus setengah gelombang pertama pada AC-Source1 bernilai positif, maka arus akan mengalir ke beban (R-Load) melalui D1 (forward bias). Sedangkan pada arus setengah gelombang pertama pada AC-Source2 bernilai negatif akan ditahan (blocking) oleh D2 (reverse bias) sehingga tidak dapat mengalir ke beban, hal ini diilustrasikan pada gambar berikut.

Pada arus setengah gelombang kedua pada AC-Source1 bernilai negatif sehingga arus ditahan (blocking) oleh D1 (reverse bias) dan tidak dapat mengalir ke beban, tetapi sebaliknya pada saat arus setengah gelombang kedua pada AC-Source2 bernilai positif, maka arus akan mengalir ke beban (R-Load) melalui D2 (forward bias). Sehingga menghasilkan penyearah gelombang penuh dari AC ke DC, seperti diilustrasikan pada gambar berikut.

Arus DC rata-rata yang dihasilkan dari rangkaian penyearah gelombang penuh ini adalah dua kali dari arus rata-rata yang dihasilkan oleh penyearah setengah gelombang yakni;

I_AV = 0,637 ∙ I_MAX

Lalu bagaimana jika sumber arus bolak-balik (AC) dengan CT di searah-kan oleh rangkaian penyearah dioda jembatan? Hasilnya akan diperoleh dua arus searah (DC) dengan dua polaritas yang berbeda atau biasa disebut sebagai Penyearah Gelombang Penuh Polaritas Ganda.

Dari rangkaian di atas dapat dihasilkan arus searah (DC) dengan dua polaritas yang berbeda yakni (+)VDC dan (-)VDC. Biasanya penyearah jenis ini banyak digunakan pada rangkaian catu daya penguat suara (audio amplifier).

 

Memperhalus Keluaran Penyearah Gelombang Penuh

Kurva keluaran arus dan tegangan dari penyearah gelombang penuh terlihat tidak linear dan ini mengakibatkan timbul-nya noise. Noise yang dihasilkan pada penyearah gelombang penuh ini masih tinggi dan tidak layak untuk digunakan sebagai catu daya perangkat elektronika yang membutuhkan noise rendah. Oleh sebab itu untuk memperhalus keluaran dari penyearah gelombang agar menghasilkan keluaran yang linear dan noise yang rendah maka keluaran harus disaring (filtering) menggunakan kapasitor.

Kapasitor yang digunakan untuk memperhalus keluaran penyearah gelombang penuh adalah kapasitor dengan kapasitas yang besar (Electrolytic Capacitor / Elco), antara beberapa ratus mikro farad sampai dengan beberapa farad.

Berikut ini merupakan bentuk keluaran dari rangkaian penyearah gelombang penuh yang di plot berdasarkan nilai C-Filter yang digunakan.

 Keterangan:
AC-Source = 12VAC-50Hz

D1 – D4 = 1N4007

R-Load = 1kΩ

Dari perbandingan kurva di atas terlihat bahwa semakin besar nilai C-Filter yang gunakan maka keluaran tegangan DC dari penyearah gelombang penuh semakin halus dan linear.

 

Sumber Referensi

• Electrical and Electronic Principles and Technology, Third Edition, John Bird, Elsevier Ltd, 2007
• Lesson In Electric Circuits, Volume III – Semiconductors, By Tony R. Kuphaldt.
• The ARRL Handbook For Radio Communications 2009.
• Rectifier, Wikipedia.

 

......File Lama Zaman Kuliah......

Clipper Pada Sistem Elektronik

Clipper

     Pada peralatan computer, digital dan sistim elektronik lainnya, kadang kita ingin membuang tegangan sinyal diatas atau dibawah level tegangan tertentu. Salah satu caranya adalah dengan menggunakan rangkaian clipper dioda  (clipper = pemotong).

 

 

1.      Clipper Positif

          Seperti yang ditunjukkan pada gambar 2.4 tegangan output bagian positipnya semua dipotong. Cara kerja rangkaian adalah sebagai berikut: selama setengah siklus positip tegangan input dioda konduksi, dengan demikian kita dapat membayangkan dalam kondisi ini dioda seperti saklar tertutup.Tegangan pada hubungan singkat harus sama dengan nol, oleh sebab itu tegangan output sama dengan nol selama tiap-tiap setengah siklus positip  sehingga semua tegangan jatuh pada resistor ( R)

          Selama setengah siklus negatip, dioda terbias reverse dan kelihatan terbuka dan sebagai akibatnya rangkaian membentuk pembagi tegangan dengan output:

 

          Selama setengah siklus negatip, dioda terbias reverse dak kelihatan seperti terbuka, dan sebagai akibatnya rangkaian membentuk pembagi tegangan dengan output:

 

          Dan biasanya R_L jauh lebih besar dari pada R sehingga V_out @ -V_P. Selama setengah siklus positip dioda konduksi dan seluruh tegangan jatuh pada R dan sebaliknya pada setengah siklus negatip dioda off, dan karena R_L jauh lebih besar dari R sehingga hampir seluruh tegangan setengah siklus negatip muncul  pada R_L. Seperti yang diperlihatkan pada  gambar 2.4 semua sinyal diatas level o V telah dipotong. Clipper positip disebut juga pembatas positip (positive limiter), karena tegangan output dibatasi maksimum 0 Volt.

 

2.      Clipper di Bias

Dalam beberapa aplikasi anda mungkin level pemotongan tidak 0 V, maka dengan bantuan clipper di bias anda dapat menggeser level pemotongan positip atau level negatip yang diinginkan. Pada gambar 2.5 menunjukkan clipper dias, agar dioda dapat konduksi tegangan input harus lebih besar dari pada +V. Ketika V_in  lebih besar daripada +V  dioda berlaku seperti saklar tertutup dan tegangan output sama dengan +V  dan tegangan output tetap pada +V selama tegangan input melebihi  +V.

Ketika tegangan input kurang dari +V dioda terbuka dan rangkaian kembali pada pembagi tegangan. Clipper dibias berarti membuang semua sinyal diatas mevel +V

...File Lama Zaman Kuliah...

Modul ELKA-MR.UM.002.A

                  

Cara Kerja Semikonduktor

Pada dasarnya, transistor dan tabung vakum memiliki fungsi yang serupa; keduanya mengatur jumlah aliran arus listrik.

Untuk mengerti cara kerja semikonduktor, misalkan sebuah gelas berisi air murni. Jika sepasang konduktor dimasukan kedalamnya, dan diberikan tegangan DC tepat dibawah tegangan elektrolisis (sebelum air berubah menjadi Hidrogen dan Oksigen), tidak akan ada arus mengalir karena air tidak memiliki pembawa muatan (charge carriers). Sehingga, air murni dianggap sebagai isolator. Jika sedikit garam dapur dimasukan ke dalamnya, konduksi arus akan mulai mengalir, karena sejumlah pembawa muatan bebas (mobile carriers, ion) terbentuk. Menaikan konsentrasi garam akan meningkatkan konduksi, namun tidak banyak. Garam dapur sendiri adalah non-konduktor (isolator), karena pembawa muatanya tidak bebas.

Silikon murni sendiri adalah sebuah isolator, namun jika sedikit pencemar ditambahkan, seperti Arsenik, dengan sebuah proses yang dinamakan doping, dalam jumlah yang cukup kecil sehingga tidak mengacaukan tata letak kristal silikon, Arsenik akan memberikan elektron bebas dan hasilnya memungkinkan terjadinya konduksi arus listrik. Ini karena Arsenik memiliki 5 atom di orbit terluarnya, sedangkan Silikon hanya 4. Konduksi terjadi karena pembawa muatan bebas telah ditambahkan (oleh kelebihan elektron dari Arsenik). Dalam kasus ini, sebuah Silikon tipe-n (n untuk negatif, karena pembawa muatannya adalah elektron yang bermuatan negatif) telah terbentuk.

Selain dari itu, silikon dapat dicampur dengan Boron untuk membuat semikonduktor tipe-p. Karena Boron hanya memiliki 3 elektron di orbit paling luarnya, pembawa muatan yang baru, dinamakan “lubang” (hole, pembawa muatan positif), akan terbentuk di dalam tata letak kristal silikon.

Dalam tabung hampa, pembawa muatan (elektron) akan dipancarkan oleh emisi thermionic dari sebuah katode yang dipanaskan oleh kawat filamen. Karena itu, tabung hampa tidak bisa membuat pembawa muatan positif (hole).

Dapat disimak bahwa pembawa muatan yang bermuatan sama akan saling tolak menolak, sehingga tanpa adanya gaya yang lain, pembawa-pembawa muatan ini akan terdistribusi secara merata di dalam materi semikonduktor. Namun di dalam sebuah transistor bipolar (atau diode junction) dimana sebuah semikonduktor tipe-p dan sebuah semikonduktor tipe-n dibuat dalam satu keping silikon, pembawa-pembawa muatan ini cenderung berpindah ke arah sambungan P-N tersebut (perbatasan antara semikonduktor tipe-p dan tipe-n), karena tertarik oleh muatan yang berlawanan dari seberangnya.

Kenaikan dari jumlah pencemar (doping level) akan meningkatkan konduktivitas dari materi semikonduktor, asalkan tata-letak kristal silikon tetap dipertahankan. Dalam sebuah transistor bipolar, daerah terminal emiter memiliki jumlah doping yang lebih besar dibandingkan dengan terminal basis. Rasio perbandingan antara doping emiter dan basis adalah satu dari banyak faktor yang menentukan sifat penguatan arus (current gain) dari transistor tersebut.

Jumlah doping yang diperlukan sebuah semikonduktor adalah sangat kecil, dalam ukuran satu berbanding seratus juta, dan ini menjadi kunci dalam keberhasilan semikonduktor. Dalam sebuah metal, populasi pembawa muatan adalah sangat tinggi; satu pembawa muatan untuk setiap atom. Dalam metal, untuk mengubah metal menjadi isolator, pembawa muatan harus disapu dengan memasang suatu beda tegangan. Dalam metal, tegangan ini sangat tinggi, jauh lebih tinggi dari yang mampu menghancurkannya. Namun, dalam sebuah semikonduktor hanya ada satu pembawa muatan dalam beberapa juta atom. Jumlah tegangan yang diperlukan untuk menyapu pembawa muatan dalam sejumlah besar semikonduktor dapat dicapai dengan mudah. Dengan kata lain, listrik di dalam metal adalah inkompresible (tidak bisa dimampatkan), seperti fluida. Sedangkan dalam semikonduktor, listrik bersifat seperti gas yang bisa dimampatkan. Semikonduktor dengan doping dapat dirubah menjadi isolator, sedangkan metal tidak.

Gambaran di atas menjelaskan konduksi disebabkan oleh pembawa muatan, yaitu elektron atau lubang, namun dasarnya transistor bipolar adalah aksi kegiatan dari pembawa muatan tersebut untuk menyebrangi daerah depletion zone. Depletion zone ini terbentuk karena transistor tersebut diberikan tegangan bias terbalik, oleh tegangan yang diberikan di antara basis dan emiter. Walau transistor terlihat seperti dibentuk oleh dua diode yang disambungkan, sebuah transistor sendiri tidak bisa dibuat dengan menyambungkan dua diode. Untuk membuat transistor, bagian-bagiannya harus dibuat dari sepotong kristal silikon, dengan sebuah daerah basis yang sangat tipis.

 

....file lama zaman kuliah....

Jenis-jenis Dioda

a.   Dioda Pemancar Cahaya (LED)  

Bila dioda dibias forward, electron pita konduksi melewati junction dan jatuh ke dalam hole. Pada saat elektron-elektron jatuh dari pita konduksi ke pita valensi, mereka memancarkan energi. Pada dioda  Led energi dipancarkan sebagai cahaya, sedangkan pada dioda penyearah energi ini keluar sebagai panas. Dengan menggunakan bahan dasar pembuatan Led seperti gallium, arsen dan phosfor parik dapat membuat Led dengan memancarkan cahaya warna merah, kuning, dan infra merah (tak kelihatan).

Led  yang menghasilkan pancaran yang kelihatan dapat berguna pada display peralatan, mesin hitung, jam digital dan lain-lain. Sedangkan Led infra merah dapat digunakan dalam sistim tanda bahaya pencuri dan lingkup lainnya yang membutuhkan cahaya tak kelihatan. Keuntungan lampu Led dibandingkan lampu pijar adalah umurnya panjang, teganagnnya rendah dan saklar nyala matinya cepat. Gambar 2.1 dibawah ini menjukkan lambang atau simbol dari macam dioda.

 

 

                    Gambar2.1. (a). LED, (b). Dioda photo, (c). Dioda Varactor

                                          (d). Dioda Schottky, (e). Dioda Step-recovery, (f). Dioda Zener

 

 

 

b.   Dioda Photo

Energi thermal menghasilkan pembawa minoritas dalam dioda, makin tinggi suhu makin besar arus dioda yang terbias reverse. Energi cahaya juga menghasilkan pembawa minoritas. Dengan menggunakan jendela kecil untuk membuka junction agar terkena sinar, pabrik dapat membuat dioda photo. Jika cahaya luar mengenai junction dioda photo yang dibias reverse akan dihasilkan pasangan electron-hole dalam lapisan pengosongan. Makin kuat cahaya makin banyak jumlah pembawa yang dihasilkan cahaya makin besar arus reverse. Oleh sebab itu dioda photo merupakan detektor cahaya yang baik sekali. Gambar 1b menunjukkan lambang atau symbol dari dioda photo

 

c.    Dioda Varactor

Seperti kebanyakan komponen dengan kawat penghubung, dioda mempunyai kapasitansi bocor yang mempengaruhi kerja pada frekuensi tinggi, kapasitansi luar ini biasanya lebih kecil dari 1 pF. Yang lebih penting  dari kapasitansi luar ini adalah kapasitansi dalam junction dioda. Kapasitansi dalam ini kita sebut juga kapasitansi peralihan C_T. Kata peralihan disini menyatakan peralihan dari bahan type-p ke typr-n. Kapasitansi peralihan dikenal juga sebagai kapasitansi lapisan pengosongan , kapasitansi barier dan kapasitansi junction. Apakah kapasitansi peralihan itu?. Perhatikan gambar 2.2 dibawah ini.

 

 

Lapisan pengosongan melebar hingga perbedaan potensial sama dengan tegangan riverse yang diberikan.Makin besar tegangan riverse makin lebar lapisan pengosongan. Karena lapisan pengosongan hamper tak ada pembawa muatan ia berlaku seperti isolator atau dielektrik. Dengan demikian kita dapat membayangkan daerah p dan n dipisahkan oleh lapisan pengosongan seperti kapasitor keeping sejajar dan kapasitor sejajar ini sama dengan kapasitansi peralihan. Jika dinaikkan teganag riverse membuat lapisan pengosongan menjadi lebar, sehingga  seperti memisahkan keeping sejajar terpisah lebih jauh. Dan sebagai akibatnya kapasitansi peralihan dari dioda berkurang bila tegangan riverse bertambah. Dioda silicon yang memanfaatkan efek kapasitansi yang berubah-ubah ini disebut varactor.

Dalam banyak aplikasi menggantikan kapasitor yang ditala secara mekanik, dengan perkataan lain varaktor yang dipasang parallel dengan inductor merupakan rangkaian tangki resonansi. Dengan mengubah-ubah tegangan riverse pada varactor kita dapat mengubah frekuensi resonansi. Pengontrolan secara elektronik pada frekuensi resonansi sangat bermanfaat dalam penalaan dari jauh.

 

d.   Dioda Schottky

Dioda schottky menggunakan logam emas, perak atau platina pada salah satu sisi junction dan silicon yang di dop (biasanya type-n) pada sisi yang alain. Dioda semacam ini adalah piranti unipolar karena electron bebas merupakan pembawa mayoritas pada kedua sisi junction.  Dan dioda Schottky ini tidak mempunyai lapisan pengosongan atau penyimpanan muatan, sehingga mengakibatkan ia dapat di switch nyala dan mati lebih cepat dari pada dioda bipolar. Sebagai hasilnya piranti ini dapat menyearahkan frekuensi diatas 300 Mhz dan jauh diatas kemampuan dioda bipolar.

 

e.   Dioda Step-Recovery

Dengan mengurangi tingkat doping dekat junction pabrik dapat membuat dioda step-recovery piranti yang memanfaatkan penyimpanan muatan. Selama konduksi forward dioda berlaku seperti dioda biasa dan bila dibias riverse dioda ini konduksi sementara lapisan pengosongan sedang diatur dan kemudian tiba-tiba saja arus riverse menjadi nol. Dalam keadaan ini seolah-olah dioda tiba-tiba terbuka menjepret (snaps open) seperti saklar, dan inilah sebabnya kenapa dioda step-recovery sering kali disebut dioda snap.

Dioda step-recovery digunakan dalam rangkaian pulsa dan digital untuk menghasilkan pulsa yang sangat cepat.Snap-off yang tiba-tiba dapat  menghasilkan pensaklaran on-off kurang dari 1 ns. Dioda khusus ini juga digunakan dalam pengali frekuensi.

 

f.     Dioda Zener

Dioda zener dibuat untuk bekerja pada daerah breakdown dan menghasilkan tegangan breakdown kira-kira dari 2 samapai 200 Volt. Dengan memberikan tegangan riverse melampaui tegangan breakdown zener, piranti berlaku seperti sumber tegangan konstan. Jika tegangan yang diberikan mencapai nilai breakdown, pembawa minoritas lapisan pengosongan dipercepat hingga mencapai kecepatan yang cukup tinggi untuk mengeluarkan electron  dari orbit luar. Efek zener berbeda-beda, bila dioda di-dop banyak maka lapisan pengosongan amat sempit. sehingga medan listrik pada lapisan pengosongan sangat kuat.

Pada gambar 3 menunjukkan kurva tegangan arus dioda zener. Pada dioda zener breakdown mempunyai knee yang sangat tajam, diikuti dengan kenaikan arus yang hampir vertikal. Perhatikan bahwa tegangan kira-kira konstan sama dengan  Vz pada sebagian besar daerah breakdown. Lembar data biasanya menentukan nilai V_Z pada arus test I_ZT tertentu diatas knee ( perhatikan gambar2.3 )

 

                              Gambar 2.3. Kurva Dioda Zener

 

Dissipasi daya dioda zener sama dengan  perkalian tegangan dengan  arusnya, yaitu:

 

                                         

 

Misalkan jika Vz=13.6 V dan Iz= 15mA, Hitunglah daya dissipanya.

 

                    Jawab:   Pz = 13,6 x 0,015 = 0,204 W

Selama P_Z kurang dari rating daya Pz _maks dioda zener tidak akan rusak. Dioda zener yang ada dipasaran mempunyai rating daya dari ¼ W sampai lebih dari 50 W. Lembar data kerap kali menspesifikasikan arus maksimum dioda zener yang dapat ditangani tanpa melampaui rating dayanya. Arus maksimum diberi tanda I_Zm. Hubungan antara I_zm  dan rating daya adalah:

 

Penggunaan dioda Zener sangat luas, kedua setelah dioda penyearah. Dioda silikon ini dioptimumkan bekerja pada daerah breakdown dan dioda zener adalah tulang punggung regulator tegangan. Jika dioda zener bekerja dalam daerah breakdown, bertambahnya tegangan sedikit akan menghasilkan pertambahan arus yang besar. Ini menandakan bahwa dioda zener pempunyai inpedansi yang kecil. Inpedansi dapat dihitung dengan bantuan rumus:

 

source: Modul ELKA-MR.UM.002.A