RANGKAIAN PENYEARAH ARUS OLEH : DANNY KURNIANTO,ST ST3 TELKOM PURWOKERTO
1. Gelombang Sinus Bentuk gelombang sinus ditunjukkan seperti pada Gambar dibawah ini .
Gelombang sinus tersebut sesuai dengan persamaan v = Vp sin θ dimana : v = tegangan sesaat Vp = tegangan puncak θ = sudut
Pada tabel dibawah ini ditunjukkan nilai-nilai sesaat dari gelombang sinus
Satu gelombang sinus dimulai dari θ = 0 sampai θ = 2π. Atau dari θ = 0 sampai θ = 360. Tabel diatas menunjukkan nilai-nilai tegangan sesaat pada nilai-nilai θ = 0, 30, 45, 60, 90. Untuk nilai nilai-nilai sesaat lainnya, karena bentuk gelombang sinus simetri, maka nilainya dapat diketahui dengan mudah.
Nilai Puncak ke Puncak (Vp-p) Vp-p adalah selisih aljabar antara nilai masimumnya (puncak positif) dan minimumnya (puncak negatif) Vp-p = Vmaks – Vmin Vp-p = 2Vp Dengan kata lain, nilai puncak ke puncak adalah dua kali nilai puncaknya.
Nilai RMS Nilai RMS suatu gelombang sinus disebut juga nilai efektif, ditetapkan sebagai tegangan DC yang menghasilkan sejumlah panas yang sama dengan yang dihasilkan tegangan gelombang sinus. Vrms = 0,707 Vp Pada bagan-bagan skematis, penulisan Vrms biasanya ditulis dengan Vac.
Nilai Rata-Rata Gelombang Sinus Nilai rata-rata gel. Sinus adalah nol, hal ini karena gel. Sinus berbentuk simetris sehingga jika dijumlahkan nilai setengah gelombang positif dengan setengah gelombang negatif hasilnya akan menjadi nol.
2. Penyearah Setengah Gelombang Rangkaian penyearah setengah gelombang adalah salah satu jenis rangkaian penyearah yang hanya memakai satu buah diode untuk menyearahkan arus listrik AC. Rangkaian penyearah setengah gelombang seperti ditunjukkan pada Gambar dibawah ini.
Untuk menyederhanakan pembahasan, kita gunakan pendekatan diode ideal. Pada setengah gelombang positif, diode mengalami pembiasan maju dan hal ini menghasilkan tegangan melintas tahanan beban seperti setengah gelombang sinus dan puncak tegangan yang di searahkan sama dengan puncak tegangan sekunder trafo.
Pada setengah siklus tegangan negatif, diode mengalami pembiasan balik dan arus beban menjadi nol.
Itulah sebabnya, mengapa tegangan beban jatuh menjadi nol pada rentang nilai θ = 180 sampai 360.
Setengah siklus positif
Setengah siklus negatif
Tegangan Rata-Rata atau Vdc
Dengan mengabaikan penurunan tegangan pada diode, maka nilai tegangan dc atau tegangan rata-rata dari sinyal setengah gelombang diatas yaitu : Vdc = 0,318 V2(puncak) Misalkan diketahui tegangan sekunder trafo sebesar 12,6 Vac, carilah tegangan ratarata atau Vdc dari penyearah setengah gelombang. V2 ( puncak )
Vac 12 ,6 17 ,8V 0,707 0,707
Vdc 0,318 (17 ,8) 5,66
Vdc
Batas Kemampuan Arus Dioda Jika sudah diketahui tegangan Vdc, maka arus rata-rata (Idc) pada beban juga dapat diketahui. Karena penyearah setengah gelombang adalah rangkaian satu simpul, maka besarnya arus dc dioda sama dengan arus dc beban. Pada lembaran data dioda, arus dc biasa dinotasikan dengan Io. Misalkan , lembaran data IN4001 memberikan batas kemampuan Io sebesar 1 A, jika tegangan dc-nya 5,66 Vdc dan resistansi beban 10 Ohm, maka arus beban dc = 0,566 A. Dengan demikian, pemakaian IN4001 pada penyearah setengah gelombang memenuhi syarat karena batas kemampuan Io-nya (1A) lebih besar daripada ratarata arus yang disearahkan (0,566A).
Puncak Tegangan Balik Pada penyearah setengah gelombang, karena dioda juga mengalami pembiasan balik maka agar tidak dadal (rusak), puncak tegangan balik harus lebih rendah daripada batas kemampuan PIK (Peak Inverse Voltage).
3. Penyearah Gelombang Penuh Penyearah gelombang penuh adalah rangkaian penyearah dengan menggunakan dua buah dioda untuk menyearahkan setiap siklus gelombang. Rangkaian penyearah gelombang penuh seperti ditunjukkan pada Gambar dibawah ini.
Prinsip kerjanya adalah sebagai berikut, Selama setengah siklus tegangan sekunder positif, dioda D1 mengalami pembiasan maju dan dioda D2 mengalami pembiasan mundur, sehingga arus mengalir melalui dioda D1, tahanan beban, dan CT (Center tap).
Setengah siklus positif
Setengah siklus negatif
Pada setengah siklus negatif, arus mengalir melewati D2, tahanan beban dan ke CT.
Perhatikan pada kedua gambar diatas bahwa, tegangan beban mempunyai mempunyai polaritas yang sama, hal ini karena arus mengalir di tahanan beban dari arah yang sama tanpa memperdulikan dioda mana yang menghantarkan arus. Jadi tegangan beban berbentuk sinyal gelombang penuh yang disearahkan seperti pada gambar diatas
Setengah siklus positif
Setengah siklus negatif
Puncak tegangan keluar yang disearahkan adalah : Vout ( puncak ) 0,5V2 ( puncak )
Tegangan Rata-Rata atau Vdc Vdc 0,636Vout ( puncak )
Sebagai contoh, Jika tegangan sekunder trafo sebesar 12,6 Vac, maka tegangan puncaknya adalah 17,8 V, maka berapa besarnya tegangan ratarata atau Vdc pada beban? Jawab : Vout ( puncak ) 0,5V2 ( puncak ) 0,5.17 ,8 8,9V
Maka , tegangan rata-rata atau Vdc adalah Vdc 0,636Vout ( puncak ) 0,636 .(8,9) 5,66V
Arus DC pada Dioda Besarnya arus DC atau Idc pada dioda adalah setengah dari arus dc yang mengalir pada beban. I dc ( dioda ) 0,5 I dc ( beban )
Puncak Tegangan Balik (PIV) Puncak tegangan balik yang melintas dioda sebesar : PIV V2 ( puncak )
Contoh : 1. Pada Gambar dibawah ini, tegangan sekunder trafo 40 Vac, dengan menganggap bahwa dioda ideal, hitunglah tegangan beban dc?, batas kemampuan I0 dan batas kemampuan PIV masing-masing dioda?
Jawab : tegangan Vac = 40 V, maka tegangan puncaknya trafo sekunder adalah V2 ( puncak )
Vac 40 56 ,6V 0,707 0,707
Puncak tegangan yang disearahkan sebesar : Vout ( puncak ) 0,5V2 ( puncak ) 0,5(56 ,6) 28,3V
Maka besarnya tegangan keluaran dc atau Vdc adalah : Vdc 0,636Vout ( puncak ) 0,636 ( 28,3) 18V
Untuk nilai Puncak tegangan balik masing-maisng dioda adalah sama dengan puncak tegangan trafo sekunder sebesar 56,6 V. Lalu besarnya arus dc (Idc) pada beban adalah : I dc
Vdc 18 265 A R 68
Arus dc pada masing-masing dioda adalah setengahnya: I0
I dc ( beban ) 2
256 mA 132 mA 2
3. Penyearah Jembatan Pada penyearah jembatan, digunakan empat buah dioda seperti ditunjukkan pada Gambar dibawah :
Prinsip kerjanya seperti ditunjukkan pada gambar dibawah
Tegangan Rata-Rata Vout ( puncak ) V2 ( puncak )
Vdc 0,636Vout ( puncak )
Untuk mempermudah perancangan, Perhatikan tabel disamping ini.
Tabel Kesimpulan Penyearah arus
4. PENAPIS / FILTER KAPASITOR Alasan penggunaan filter kapasitor pada penyearah arus adalah karena tegangan keluaran yang dihasilkan oleh penyearah arus, baik itu penyearah setengah gelombang, gelombang penuh atau jembatan masih berupa gelombang berdenyut. Penggunaan gelomban tegangan seperti ini hanya terbatas untuk pengisian baterai, menjalankan motor DC dan sedikit pemakaian lain.
Kebanyakan rangkaian elektronika justru membutuhkan tegangan dengan bentuk gelombang yang sudah stabil dan besarnya tetap seperti tegangan yang berasal dari baterai.
4.1 Penapis / Filter Setengah Gelombang
Hasil gelombang yang telah difilter dengan kapasitor seperti ditunjukkan pada gambar dibawah ini.
Gelombang diatas hamper menyerupai tegangan DC yang sempurna, penyimpangan dari gelombang DC yang murni hanyalah riak (ripple) kecil yang disebabkan oleh pengisian dan pembuangan kapasitor. Sehingga gagasan pokok pada filter kapasitor adalah dengan membuat tetapan waktu pembuangan (perkalian RL dan C) lebih besar dari periode sinyal masukan. Tetapan pembuangan kapasitor : Tp = RL * C
4.2 Penapis / Filter Gelombang Penuh Salah satu cara untuk mengurangi riak adalah dengan mengunakan penyearah gelombang penuh atau penyearah jembatan. Jadi frekuensinya menjadi 2x frekuensi setengah gelombang. kapasitornya diisi dua kali lebih sering dan hanya mempunyai setengah waktu pembuangan. Akibatkannya riak menjadi lebih kecil dan tegangan keluaran DC-nya lebih mendekati tegangan puncak.
Tegangan Riak (Vrip) Tegangan riak pada penapis gelombang penuh atau jembatan besarnya adalah : Vrip
I fC
Dimana : Vrip = tegangan riak ke puncak F = frekuensi riak C = kapasitansi I = Arus beban DC
Contoh : Sebuah penyearah jembatan dengan filter kapasitor sebesar 470 uF dihubungkan dengan jala-jala PLN yang mempunyai frekuensi sebesar 60 Hz dan menghasilkan arus beban DC sebesar 10 mA. Hitung tegangan riak?
Jawab : Vrip
10 mA 0,177V 120 Hz .470 uF
Tuntunan Perancangan Filter Tegangan keluaran yang baik adalah tegangan yang mana tegangan riaknya kecil. Untuk merancang filter pada penyearah arus, digunakan aturan 10 %, artinya kapasitor yang dipilih untuk menjaga agar tegangan riak sekitar 10% dari tegangan puncak. Misalnya, jika tegangan puncak 15 V, maka pilihlah kapasitor yang membuat tegangan riak sekitar 1,5 V. Tegangan DC Idealnya, tegangan beban DC sama dengan tegangan puncak. Karena digunakan aturan 10%, maka digunakan rumus yang lebih tepat sbb: Vdc V2 ( puncak )
Vrip
Contoh: Jika V2(puncak) = 15 V dan Vrip = 1,5 V maka
2 Vdc 15
1,5 14 , 25V 2
