Modul 03: Catu Daya Dioda, Penyearah Gelombang, dan Pembebanan Reza Rendian Septiawan February 11, 2015 Dalam dunia elektronika, salah satu komponen yang paling penting adalah catu daya. Sebagian besar komponen dan peralatan elektronik membutuhkan catu daya dari sumber arus searah. Sedangkan sumber arus yang diberikan oleh perusahaan listrik merupakan sumber arus bolak-balik. Oleh karena itu dibutuhkan suatu rangkaian penyerah tegangan yang dapat mengubah dari sumber tegangan bolak-balik (alternating current, AC) menjadi sumber arus searah (direct current, DC). Dalam praktikum kali ini kita akan belajar tentang cara mendesain catu daya yang dapat mengubah dari arus AC menjadi arus DC.
1
arus pada satu arah saja [1]. Terdapat banyak jenis dioda, namun kali ini kita akan membahas tentang dioda sambungan p-n. Seperti namanya, dioda ini merupakan sambungan dari semikonduktor tipe p dan semikonduktor tipe n. Kedua tipe semikonduktor tersebut berbeda akibat pengaruh tipe pengotor (doping) yang berbeda. Pada semikonduktor tipe p, doping membuat material semikonduktor membuat kekosongan elektron, memberikan pembawa muatan positif tambahan (hole). Pada semikonduktor tipe n, material semikonduktor memiliki pembawa muatan positif tambahan (elektron) akibat dari penambahan doping. Ilustrasi dari dioda dapat dilihat pada Gambar 1.
Alat dan Komponen
1. Osiloskop 2. Multimeter 3. Signal generator 4. Catu daya AC 5. Catu daya DC 6. Kabel jumper 7. Rangkaian penyearah gelombang
Gambar 1: (a) Dioda yang merupakan sambungan material semikonduktor tipe p dan n memiliki depletion region, (b) lambang dari dioda dengan tanda panah menunjukkan arah aliran arus (bukan aliran elektron), dan (c) ilustrasi dioda di dunia nyata (diambil dari http://www.allaboutcircuits.com/vol 3/chpt 3/1.html).
8. Dioda 9. Dioda zener
2 2.1
Teori Singkat Dioda
Di daerah sambungan antara kedua material, Dioda merupakan komponen elektronik yang ter- akan terdapat daerah kekosongan pembawa mubuat dari semikonduktor yang dapat melewatkan atan yang bernama depletion region. Akibat dari 1
Modul 03: Catu Daya
halaman 2
seimbangnya jumlah antara pembawa muatan positif dengan pembawa muatan negatif. Pada kondisi tanpa diberikan beda tegangan, daerah deplesi tersebut cukup tebal sehingga bersifat insulator. Saat diberikan tegangan panjar maju (forwardbias), medan listrik yang timbul dari tegangan eksternal tersebut akan mendorong elektron untuk mengalir menuju hole dan membuat daerah deplesi menipis. Semakin tinggi beda tegangan eksternal akan membuat daerah deplesi semakin tipis. Saat daerah deplesi tersebut sudah tidak ada, maka arus akan dapat mengalir dengan bebas.
Gambar 3: Ilustrasi kondisi reverse-bias (diambil dari http://electronics.howstuffworks.com/led1.htm).
Gambar 2: Ilustrasi kondisi forward-bias (diambil dari http://electronics.howstuffworks.com/led1.htm). Namun saat diberikan tegangan panjar mundur (reverse-bias), masing-masing pembawa muatan akan tertarik menjauhi daerah deplesi, membuat daerah deplesi menjadi semakin besar dan menghalangi elektron dari sumber eksternal untuk dapat mengalir melewati dioda. Saat tegangan panjar mundur tersebut sudah sangat besar, akan membuat dioda tersebut mengalami breakdown. Karakterisasi dari dioda dapat dilakukan dengan membuat kurva I-V dari dioda tersebut. Contoh kurva karakterisasi I-V dari dioda dapat dilihat pada Gambar 4. Dari kurva karakterisasi dioda dapat dilihat bahwa mula-mula besarnya arus yang mengalir adalah nol saat beda tegangannya nol. Saat beda Gambar 4: Contoh kurva karakteristegangan pada kondisi panjar-maju bertambah, tik dari I-V dioda silikon. (diambil dari pada awalnya arus yang dapat mengalir melewati http://www.allaboutcircuits.com/vol 3/chpt 3/1.html). dioda sangat kecil. Namun ada satu kondisi saat beda tegangan sudah melampaui suatu batas membuat arus yang mengalir tiba-tiba dapat melonjak dengan sangat cepat. Beda tegangan saat arus dapat meningkat dengan sangat cepat dinamakan FI-5283: Rangkaian Analog dan Digital
Modul 03: Catu Daya
halaman 3
tegangan potong. Setiap tipe dioda memiliki nilai tegangan potong yang berbeda-beda. Sebagai contohnya, dioda yang terbuat dari silikon memiliki nilai tegangan potong di sekitar 0.7 V , sedangkan dioda yang terbuat dari germanium memiliki nilai tegangan potong berkisar di 0.3 V . Saat kita memberikan tegangan panjar-mundur, arus yang diteruskan oleh dioda sangatlah kecil sampai pada titik jenuh dari dioda dan dioda akan mengalami kondisi breakdown. Saat telah mengalami kondisi tersebut maka dioda akan rusak. Namun ada jenis dioda yang memang didesain untuk bekerja di area breakdown tersebut, yaitu dioda zener. Untuk mengetahui karakteristik dari dioda bisa dilakukan dengan menggunakan rangkaian uji dioda seperti tampak pada Gambar 5.
2.2 2.2.1
Rangkaian bang
Penyearah
Gelom-
Penyearah setengah gelombang
Rangkaian penyearah setengah gelombang seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6 hanya akan meneruskan bagian gelombang yang positif, sedangkan bagian gelombang yang negatif akan tertahan.
Gambar 6: Rangkaian penyearah setengah gelombang.
2.2.2
Penyearah gelombang penuh
Pada rangkaian penyearah gelombang penuh, untuk trafo CT, dibutuhkan dua buah dioda yang akan menyearahkan bagian gelombang positif dan Gambar 5: Rangkaian untuk menguji karakter I-V negatif secara bergantian. Rangkaian penyearah gelombang penuh dapat dilihat pada Gambar 7. dari dioda. Berdasarkan Gambar 5, untuk membuat kurva karakterisasi dari dioda kita harus mengukur beda tegangan antara ujung-ujung dioda (VD = Vab ) dengan arus yang mengalir melalui dioda (ID ). Besarnya arus yang mengalir pada rangkaian dapat dihitung dengan mengukur besarnya tegangan antara kedua kaki hambatan RL (Vbc ). Dengan mengetahui hubungan tersebut, maka kita dapat menge- Gambar 7: penuh. tahui besarnya arus Id dari persamaan berikut: Vcc
Rangkaian penyearah gelombang
= Vab + Vbc = V D + ID RL VD Vcc = − + RL RL
2.2.3
Penyearah gelombang dengan tapis
Walaupun dengan menggunakan penyearah gelombang penuh, bentuk gelombang keluaran dari rangkaian penyearah masih belum baik karena Persamaan (1) merupakan persamaan garis dengan masih belum stabil (masih terdapat osilasi). Unkemiringan − R1L . Garis ini dinamakan garis beban tuk membuat hasil keluarannya menjadi lebih stadioda. Perpotongan garis tersebut dengan kurva bil maka digunakanlah kapasitor untuk membantu karakteristik dioda menyatakan arus dan tegangan menyimpan energi listrik saat keluarannya berada dioda. pada area gelombang turun. Rangkaian seperti ID
FI-5283: Rangkaian Analog dan Digital
(1)
Modul 03: Catu Daya
halaman 4
ini dinamakan rangkaian penyerah gelombang dengan tapis. Rangkaian penyearah gelombang dengan tapis dapat dilihat pada Gambar 8.
Gambar 9: Rangkaian penyearah gelombang dengan tapis dan regulator zener.
3 Gambar 8: Rangkaian penyearah gelombang dengan tapis. Kualitas dari rangkaian penyearah dapat dinyatakan dengan peak-to-peak ripple ratio (pprr) yang secara matematis dapat dituliskan sebagai berikut: Vrpp pprr = ¯ VDC
(2)
dengan Vp V¯DC = π dimana Vp adalah tegangan puncak dan Vrpp adalah tegangan riak. Untuk rangkaian setengah gelombang, tegangan riak memiliki hubungan sebagai berikut: Vrpp
1 = Vp f RL C
(3)
Sedangkan untuk rangkaian penyearah gelombang penuh, tegangan riak dapat dihitung dengan menggunakan persamaan berikut: Vrpp = 2.2.4
1 Vp 2f RL C
(4)
Penyearah gelombang dengan tapis dan regulator zener
Biasanya tegangan keluaran dari rangkaian tapis akan mengalami jatuh tegangan bila mendapatkan pembebanan yang tinggi. Untuk mencegah terjadinya jatuh tegangan tersebut biasanya rangkaian perlu ditambahkan oleh diode zener untuk meregulasikan tegangan keluaran dari rangkaian. Rangkaian untuk penyearah gelombang dengan tapis dan regulator zener dapat dilihat pada Gambar 9. FI-5283: Rangkaian Analog dan Digital
3.1
Percobaan Karakteristik Dioda (Opsional)
1. Susun rangkaian seperti pada Gambar 5. 2. Atur nilai Vcc mulai dari 0 − 5 V dengan kelipatan kenaikan nilai voltase sebesar 0.2 V . 3. Ukur dan catat nilai Vab dan Vbc untuk setiap nilai Vcc . 4. Lakukan langkah yang sama untuk polaritas dioda yang dibalik.
3.2
Penyearah Setengah Gelombang
1. Susun rangkaian seperti pada Gambar 6. 2. Amati dan catat keluaran dengan osiloskop dan multimeter. 3. Gambarkan juga bentuk sinyal keluaran yang tampak pada osiloskop. 4. Ulangi langkah percobaan untuk polaritas dioda yang dibalik.
3.3
Penyearah Gelombang Penuh
1. Susun rangkaian seperti pada Gambar 7. 2. Berikan pembebanan dengan menggunakan resistor. 3. Ukurlah besarnya resistansi dari resistor yang digunakan. 4. Amati bentuk sinyal tegangan pada titik-titik a, b, dan c terhadap titik ground.
Modul 03: Catu Daya
5. Lakukan pengukuran tegangan dan arus untuk nilai beban yang berbeda-beda. Buatlah kurva pembebanannya.
3.4
Penyearah Gelombang dengan Tapis
1. Tambahkan kapasitor pada rangkaian sebelumnya sehingga rangkaian menjadi tampak seperti pada Gambar 8. 2. Catat besarnya tegangan riak pada setiap pengukuran. 3. Ulangi percobaan untuk beberapa nilai pembebanan yang berbeda dan buat kurva pembebanannya.
Referensi [1] Sutrisno, Elektronika Teori dan Penerapannya Jilid 1, 1986, Penerbit ITB.
FI-5283: Rangkaian Analog dan Digital
halaman 5
