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 rata-

rata atau Vdc dari penyearah setengah gelombang.

V

VV ac

puncak8,17

707,0

6,12

707,0)(2

dcdc VV 66,5)8,17(318,0

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 rata-rata 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).

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

Setengah siklus positif

Setengah siklus negatif

Puncak tegangan keluar yang disearahkan adalah :

Tegangan Rata-Rata atau Vdc

)(2)( 5,0 puncakpuncakout VV

)(636,0 puncakoutdc VV

Sebagai contoh, Jika tegangan sekunder trafo sebesar 12,6 Vac, maka tegangan puncaknya adalah 17,8 V, maka berapa besarnya tegangan rata-rata atau Vdc pada beban?

Jawab :

Maka , tegangan rata-rata atau Vdc adalah

Arus DC pada Dioda

Besarnya arus DC atau Idc pada dioda adalah setengah dari arus dc yang mengalir pada beban.

VVV puncakpuncakout 9,88,17.5,05,0 )(2)(

VVV puncakoutdc 66,5)9,8.(636,0636,0 )(

)()( 5,0 bebandcdiodadc II

Puncak Tegangan Balik (PIV)

Puncak tegangan balik yang melintas dioda sebesar :

)(2 puncakVPIV

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

V

VacV puncak 6,56

707,0

40

707,0)(2

Puncak tegangan yang disearahkan sebesar :

Maka besarnya tegangan keluaran dc atau Vdc adalah :

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 :

Arus dc pada masing-masing dioda adalah setengahnya:

VVV puncakpuncakout 3,28)6,56(5,05,0 )(2)(

VVV puncakoutdc 18)3,28(636,0636,0 )(

AR

VI dc

dc 26568

18

mAmAI

Ibebandc

1322

256

2

)(

0

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

Untuk mempermudah perancangan,

Perhatikan tabel disamping ini.

)(2)( puncakpuncakout VV

)(636,0 puncakoutdc VV

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 :

Dimana :

Vrip = tegangan riak ke puncak

F = frekuensi riak

C = kapasitansi

I = Arus beban DC

fC

IVrip

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 :

VuFHz

mAVrip 177,0

470.120

10

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:

2)(2

rip

puncakdc

VVV Contoh: Jika V2(puncak) = 15 V dan Vrip = 1,5 V maka

VVdc 25,142

5,115