Makalah Rangkaian Penyearah

Makalah Rangkaian Penyearah

1. Pendahuluan

Peralatan   kecil  portabel  kebanyakan  menggunakan   baterai      sebagai   sumber   dayanya, namun  sebagian besar peralatan menggunakan  sember  daya AC 220   volt  –  50Hz. Di dalam  peralatan  tersebut   terdapat  rangkaian  yang  sering   disebut  sebagai  adaptor  atau penyearah  yang  mengubah  sumber  AC  menjadi  DC. Bagian  terpenting  dari  adaptor adalah   berfungsinya  diode  sebagai  penyearah     (rectifier).  Pada  bagian  ini  dipelajari bagaimana rangkaian dasar adaptor tersebut bekerja.

gelombang-penuh-rangkaian-penyearah

2. Penyearah Diode Setengah Gelombang

Rangkaian     pada     sumber    masukan      sinusoida  dihubungkan     dengan    beban  resistor  melalui   sebuah    diode.   Untuk   sementara    kita  menganggap keadaan ideal, dimana hambatan masukan sinusoida sama dengan nol dan diode dalam keadaan hubung singkat saat berpanjar maju dan keadaan hubung terbuka saat berpanjar mundur.  Besarnya keluaran akan mengikuti masukan saat masukan berada di atas “tanah” dan berharga nol saat masukan di bawah “tanah” .Jika  kita  ambil  harga  rata-rata  bentuk    gelombang    keluaran  ini  untuk   beberapa periode,  tentu  saja  hasilnya  akan   positif  atau   dengan  kata  lain   keluaran  mempunyai komponen DC. Kita juga melihat komponen AC pada keluaran.            Kita akan  dapat mengurangai komponen AC pada keluaran jika kita dapat mengusahakan keluaran positif yang lebih besar, tidak hanya 50%.

 3. Penyearah Diode Gelombang Penuh

Terdapat  cara  yang  sangat  sederhana  untuk  meningkatkan   kuantitas  keluaran   positif menjadi  sama  dengan  masukan  (100%).       Ini  dapat  dilakukan   dengan  menambah  satu diode pada  rangkaian  seperti   terlihat  pada  gambar  8.2.  Pada  saat   masukan   berharga  negatif  maka    salah  satu   dari diode    akan dalam    keadaan   panjar  maju    sehingga  memberikan      keluaran  positif. Karena  keluaran     berharga  positif  pada satu   periode penuh, maka rangkaian ini disebut penyearah gelombang penuh. Anode  pada masing-masing diode dihubungkan dengan   ujung-ujung  rangkaian  sekunder  dari   transformer.  Sedangkan   katode  masing- masing    diode  dihubungkan     pada   titik  positif keluaran.    Beban     dari penyearah dihubungkan antara titik katode dan titik center-tap (CT) yang dalam hal ini digunakan sebaga referensi atau “tanah”.

4. Penyearah Gelombang Penuh Model Jembatan

Penyearah   gelombang  penuh  model   jembatan  memerlukan empat  buah   diode.    Dua diode akan berkondusi saat isyarat positif dan dua diode akan berkonduksi saat isyarat negatif.   Untuk  model  penyearah  jembatan  ini  kita  tidak  memerlukan  transformator yang memiliki center-tap.   Seperti  ditunjukkan   pada  gambar  8.4,   bagian  masukan  AC  dihubungkan   pada sambungan  D1-D2  dan  yang  lainnya pada  D3-D4.           Katode  D1   dan  D3   dihubungkan degan   keluaran   positif  dan  anode  D2   dan  D4   dihubungkan   dengan   keluaran   negatif (tanah).  Misalkan  masukan  AC  pada  titik  A  berharga  positif  dan  B  berharga  negatif, maka diode D1 akan berpanjar maju dan D2 akan berpanjar mundur. Pada sambungan bawah D4 berpanjar maju dan D3 berpanjar mundur.              Pada keadaan  ini elektron akan mengalir dari titik B melalui D4 ke beban , melalaui D1 dan kembali ke titik A.  Pada  setengah  periode berikutnya  titik  A  menjadi  negatif  dan  titik  B  menjadi positif.  Pada kondisi ini D2 dan D3 akan berpanjar maju  sedangkan D1 dan D4  akan berpanjar mundur.     Aliran  arus dimulai dari titik A melalui D2, ke beban, melalui D3 dan kembali ke titik B.    Perlu dicatat di sini bahwa apapun polaritas titik A atau B, arus  yang mengalir ke beban tetap pada arah yang sama.

5. Penyearah Keluaran Ganda

Pada   berbagai   sistem   elektronik    diperlukan  sumber    daya   dengan   keluaran   ganda sekaligus, positif dan  negatif terhadap  referensi  (tanah).    Salah  satu   bentuk  rangkaian penyearah gelombang penuh keluaran gand.  Perhatikan bahwa keluaran berharga sama tetapi mempunyai polaritas yang berkebalikan. Diode  D1   dan  D2  adalah  penyearah   untuk   bagian  keluaran   positif. Keduanya dihubungkan dengan ujung transformer.  Diode D3 dan D4 merupakan penyearah untuk keluaran    negatif.     Titik   keluaran     positif dan    negatif   diambil     terhadap   CT    sebagai referensi atau tanah. Misalkan      pada   setengah     periode   titik  atas  transformer     berharga     positif  dan bagian bawah berharga negatif.           Arus mengalir lewat titik B melalui D4,  RL 2 ,  RL 1 , D1 dan    kembali    ke  terminal    A   transformator.       Bagian     atas  dari   RL 1  menjadi     positif sedangkan bagian bawah  R            menjadi negatif.

6. Tapis (Filter)

Pada    prinsipnya     yang     diinginkan      pada   keluaran     penyearah     adalah     hanya komponen       DC,   maka     perlu   adanya    penyaringan       untuk   membuang       komponen       AC. Secara  praktis  kita  dapat   memasang    sebuah    kapasitor besar   pada  kaki-kaki   beban, karana kapasitor  dapat  bersifat  hubung terbuka untuk   komponen  DC  dan  mempunyai impedansi yang rendah untuk komponen AC. Berdasarkan     jenis   komponen      yang    digunakan,    tapis   penyearah      dapat

dikelompokkan      menjadi   dua.     Kelompok      pertama   dilakukan    dengan   memasang kapasitor  atau   disebut  sebagai   tapis  kapasitor  atau  tapis  masukan-C. Kelompok  lain dilakukan dengan memasang induktor atau kumparan disebut sebagai tapis induktif atau tapis  masukan-L.      Keluaran    tapis-C   biasanya   mengalami     penurunan    saat  beban meninggi.    Sedangkan  tapis-L  cenderung mempertahankan   keluaran  pada  harga  yang relatif konstan.    Namun      demikian   tegangan   keluaran   tapis-L  relatif lebih  rendah dibandingkan    tapis-C.

a. Tapis Kapasitor

Tapis   kapasitor  sangat   efektif  digunakan     untuk  mengurangi    komponen     AC    pada keluaran  penyearah.    Pertama   akan   kita  lihat  karakter  kapasitor  sebagai   tapis  dengan memasang langsung pada keluaran penyearah tanpa memasang beban.

   * Penyearah Tanpa Beban

Rangkaian    tanpa   beban    dengan   pemasangan     kapasitor  beserta  bentuk    keluarannya.  Saat  sumber  tegangan     (masukan)   dihidupkan,    satu diode  berkonduksi    dan   keluaran  berusaha  mengikuti     tegangan  transformator.     Pada kondisi ini tiba-tiba tegangan kapasitor menjadi besar dan  arus yang mengalir menjadi besar   (dalam   ini, i = C dv / dt;  dv / dt = ∞ ). Saat   masukan  membesar  keluaran  juga  akan membesar, namun saat masukan menurun tegangan kapaasitor atau keluaran tidak mengalami penurunan  tegangan  karena tidak  ada proses penurunan  tegangan.           Dalam keadaan ideal ini, tegangan keluaran DC akan sama dengan tegangan puncak masukan dan akan ditahan untuk seterusnya.

* Penyearah Setengah Gelombang Dengan Beban Dan Tapis Kapasitor

Kita menambahkan  sebuah   kapasitor  sebagai   tapis pada penyearah setengah gelombang. Pada setengah periode positif (1), diode berpanjar maju dan arus mengalir  dari  B  menuju  A  melewati C,   beban   dan   diode. Kapasitor  C  akan   dengan cepat terisi seharga tegangan puncak masukan, pada saat yang sama arus juga mengalir  lewat  beban.     Arus  awal  yang  mengalir  pada  diode  biasanya  berharga  sangat  besar kemudian berikutnya akan mengalami penurunan.

* Penyearah Gelombang Penuh Dengan Beban Dan Tapis Kapasitor

Seperti halnya pada penyearah setengah gelombang, pada gambar 8.9-a kita tambahkan satu   diode  dan  resistor  RL   sebagai  beban   pada  rangkaian   keluaran.       Keluaran  masih ditarik dari puncak v1 (atau v2) saat v1 (atau v2) mencapai harga tegangan ini.  Namun demikian  saat v1 dan v2 berharga rendah,  C akan berusaha pada kondisi termuati dan kemudian       kedua   diode     akan   hubung     terbuka    seperti   pada   penyearah      setengah gelombang.

* Komponen DC dan Tegangan Riak

Misalkan pada gambar 8.9 kita mempunyai

v1= A  sin ω t ,

v2 = −A  sin ω t ,

dimana            ω = 2π  × 50.

* Penyearah Komponen Non-Ideal

Pada bagian sebelumnya kita telah mempelajari penyearah dengan menganggap  semua komponen dalam keadaan  ideal.       Pada kenyataannya beberapa hal perlu   diperhatikan, misalnya  efek  dari  hambatan   kumparan.     Faktor  ini  berpengaruh  terhadap   besarnya tegangan  DC  maupun  tegangan  riak   keluaran.     Besarnya  arus  konduksi  sesaat  diode adalah

iD = (vt − vD − vo  )/ R

dimana :

vt  =  tegangan sesaat transformator hubung-terbuka

vD  =  tegangan diode (≅ 0,8 volt)

vo  =  tegangan keluaran (pada kapasitor)

R   =  hambatan kumparan     ‰

b. Tapis Induktor

Induktor  adalah   komponen  elektronika  yang memiliki  kemampuan   untuk  menyimpan dan melepaskan  energi. Penyimpanan  energi dilakukan dengan mengalirkan  arus dan mengubahnya  menjadi medan  magnet.

Kenaikan  arus  yang  mengalir  pada  induktor mengakibatkan naiknya medan magnet. Penurunan arus pada induktor mengakibatkan jatuhnya harga medan magnet dan energi akan terlepas.  Kemampuan induktor untuk    menyimpan dan melepaskan energi dapat digunakan untuk proses  penyaringan.

Tegangan induksi karena adanya perubahan medan magnet akan dilawan oleh kenaikan arus yang mengalir melalui induktor. Penurunan arus yang mengalir  akan mendapatkan reaksi yang sama. Pada prinsipnya, induktor akan berusaha melawan terjadinya perubahan arus yang melaluinya.

Tapis-L sangat cocok untuk penyearah dengan arus beban yang besar. Penyearah dengan tapis-L , dimana  induktor  cukup dipasang secara seri dengan diode dan beban. Arus yang masuk pada beban akan selalu melewati induktor.      Tapis-L tidak menghasilkan tegangan keluaran setinggi yang dihasilkan tapis-C.  Induktor cenderung akan menahan arus pada harga rata-ratanya.

C. Tapis-Pi

Penyearah Pi dibuat dengan menambahkan  sebuah kapasitor pada penyearah tapis-LC. Kedua kapasitor terhubung secara paralel dengan beban R dan seri dengan induktor L. Pengoperasian tapis-pi dapat  dipahami dengan melihat L dan  C2  sebagai   tapis  LC. Bagian  rangkaian  ini  berfungsi  sebagai   tegangan   keluaran  dari   input   tapis  C1. Sedangkan  C1 terisi  oleh   puncak  masukan   penyearah.

Tentu saja keluaran ini akan memiliki tegangan riak identik dengan tapis-C. Tegangan ini diumpankan ke C2 melalui induktor  L. C2 kemudian menahan muatannya pada intervaal waktu sesuai konstanta waktu R C2.

Hasil ini  akan mendapatkan proses penyaringan  lebih  lanjut   L oleh  L  dan  C2. Dengan demikian tegangan riak pada tapis ini akan jauh lebih rendah dibandingkan  dengan tapis-C tunggal. Namun demikian terdapat penurunan tegangan keluaran akibat melewati induktor L.

d. Tapis-RC

Jika diinginkan pemasangan tapis yang lebih sederhana makan tapis-pi dapat digantikan dengan  tapis-RC.       Seperti  diperlihatkan  pada  gambar  8.14,   untuk  membuat   tapis-RC  cukup   dengan  mengganti   induktor  pada  tapis-pi  dengan sebuah  resistor. Ini  sangat praktis mengingat induktor mempunyai bentuk  fisik  yang lebih   besar, lebih   berat  dan berharga jauh  lebih mahal.

Namun kualitas tapis-RC tidak  sebagus tapis-pi, biasanya terjadi penurunan keluaran DC dan terjadi kenaikan tegangan riak. Dalam pengoperasiannya, C1 termuati oleh keluaran penyearah jembatan sampai pada harga puncak.

Saat masukan dari penyearah  mengalami  penurunan,  maka akan terjadi proses pengosongan C1`melalui resistor R dan  RL  .   Penurunan tegangan pada R  akan menurunankan tegangan keluaran. Kapasitor C2 akan termuati pada harga puncak tegangan  RL. Besarnya tegangan DC tapis akan tergantung pada besarnya arus beban. Arus beban yang terlalu tinggi akan mengakibatkan tegangan pada R semakin menurun. Pada prakteknya tapis-RC  digunakan   untuk  catu   daya  dengan  arus beban   kurang  dari  100mA.

e.  Regulasi Tegangan

Keluaran tegangan DC dari penyearah tanpa regulasi mempunyai kecenderungan berubah harganya saat dioperasikan. Adanya perubahan pada masukan AC dan variasi beban merupakan penyebab utama terjadinya ketidakstabilan.

Pada sebagian peralatan elektronika, terjadinya  perubahan catu daya akan berakibat cukup serius. Untuk mendapatkan  pencatu  daya  yang  stabil  diperlukan  regulator  tegangan. Blok diagram seperti diperlihatkan  pada  gambar   8.15  memperlihatkan dimana regulasi tegangan dipasang. Penyearah berupa rangkaian diode bentuk jembatan dengan proses penyaringan dengan tapis-RC.

Resistor  seri pada rangkaian ini berfungsi ganda. Pertama, resistor ini menghubungkan C1 dan C2 sebagai rangkaian tapis. Kedua, resistor  ini berfungsi sebagai  resistor  seri  untuk  regulator. Diode  zener  dapat  dipasang  dengan sebarang harga tegangan patah, misalnya sebesar 23 V.

Facebook Comments