BAB II TEORI DASAR II.1 Arus AC dan DC
Sebelum masuk ke materi utama yaitu rangkaian penyearah, baikya kita membahas dulu tentang perbedaan antara arus AC dan arus DC lalu kemudian masuk ke materi utama. Karena pada pembahasan rangkaian penyearah tidak lepas dari arus AC dan DC, dan juga karena fungsi utama rangkaian penyearah adalah menyearahkan arus, yang tadinya arus AC kemudian disearahkan ke arus DC
Banyak orang awam yang masih beranggapan bahwa arus listrik AC maupun DC itu sama-sama memiliki kutub negatif (-) dan Positif (+). Suatu contoh misalnya ketika hendak memperbaiki instalasi listrik rumah 1 fasa jalur kabel yang dites dengan tespen bisa menyala itu adalah kutub positif sedangkan lainnya adalah negatif atau ground. Padahal arus listrik rumahan yang biasa kita gunakan adalah jenis arus bolak balik (AC). Jadi yang ada adalah jalur fasa (Phase), netral dan arde (ground). Kemudian ada juga yang pernah mengatakan kalau arus DC itu yang tidak bisa menyetrum sedangkan arus AC yang bisa menyetrum. Padahal yang namanya arus listrik kalau dipegang sudah pasti nyetrum meskipun tidak sampai berbahaya.
II.1.1 Sejarah Arus Listrik AC dan Arus Listrik DC
Pada jaman sekarang penggunaan listrik sangat melekat pada masyarakat, bahkan listrik seolah menjadi bagian yang penting untuk kehidupan, rasanya sangat terganggu bila arus listrik sedang terjadi gangguan, bahkan bila ditiadakannya listrik akan terjadi protes keras.
adalah energi yang sangat penting bagi manusia rasanya sangatlah benar, karena memang terbukti dengan kebutuhan listrik pada masyarakat
Sejarah awal ditemukannya listrik adalah oleh seorang cendikiawan Yunani yang bernama Thales, yang mengemungkakan fenomena batu ambar yang bila digosok-gosokkan akan dapat menarik bulu sebagai fenomena listrik. Kemudian setelah bertahun-tahun semenjak ide Thales dikemukakan, baru kemudian muncul lagi penapat-pendapat serta teori-teori baru mengenai listrik seperti yang diteliti dan dikemukakan oleh William Gilbert, Joseph priestley, Charles De Coulomb, Andre Ampere, Michael Farraday, Oersted, dll.
Dari nama-nama ilmuan terbaik dibidang kelistrikan diatas, terdapat nama yang paling diingat, paling berpengaruh yang memiliki jasa dan merupakan perintis dalam hal penelitian mengenai magnet dan listrik, Ialah Michael Faraday yang kemudian dijuluki sebagai “Bapak listrik”.
Belajar bagaimana memproduksi dan menggunakan listrik tidak mudah. Pada tahun 1800, Alessandro Volta, seorang ilmuwan Italia, membuat penemuan besar, yang dinamakan “tumpukan volta”, metode praktis pertama untuk memproduksi listrik. Tumpukan volta dibuat dengan menumpuk piringan tembaga dan cakram seng secara berselingan dengan potongan kertas karton yang dicelupkan kedalam air garam dan ditempatkan diantara kedua piringan tersebut. Tumpukan tersebut mampu menghasilkan arus listrik. Penemuan ini diakui sebagai baterai pertama yang menghasilkan arus listrik secara konsisten dan dapat diandalkan. Hal ini untuk menghormati Volta bahwa kita mengukur tegangan baterai dalam volt. Akhirnya, sumber yang aman dan dapat diandalkan listrik tersedia, sehingga mudah bagi para ilmuwan untuk mempelajari listrik.
lembar seng serta 6 lembar kertas yang dibasahi air garam. Dari eksperimen ini Faraday kemudian mengemukakan magnesium sulfat.
Selanjutnya Michael Faraday membuat sebuah alat yang dapat menghasilkan rotasi elektromagnetik setelah mengkaji lebih lanjut punlikasi dari Oersted tentang elektromagnetik yang merupakan cikal bakal ditemukannya listrik oleh faraday. Alat yang diciptakan Michael Faraday ini bernama Homopolar Motor. Dalam alat ini terjadi sebuah gerakan berputar terus menerus, gerakan ini ditimbulkan dari gaya lingkaran magnet yang mengelilingi kawat yang panjang hingga kedalam larutan merkuri dan didalam larutan tersebut sudah terdapat magnet, sehingga kawat akan terus berputar jika dialiri listrik yang berasal dari sebuah baterai. Dari percobaan itu Faraday menemukan sebuah motor listrik pertama di dunia yang menggunakan listik sebagai tenaga penggeraknya. Tentu saja menurut standar sekarang motor listrik milik faraday belum ada apa-apanya karena menghasilkan listrik dengan jumlah yang kecil, tetapi Faraday menemukan metode pertama menghasilkan listrik melalui gerakan dalam medan magnet.
Hampir 40 tahun berlalu sebelum generator DC dibangun oleh Thomas Alva Edison di Amerika. Pada tahun 1878 Joseph Swan, seorang ilmuan inggris, menemukan filamen lampu pijar dan setahun kemudian Edison membuat penemuan yang sama di Amerika. Swan dan Edison kemudian mendirikan perusahaan bersama untuk memproduksi lampu pijar praktis yang pertama.
menghasilkan listrik, ilmuan lain di Amerika dan Eropa membuktikan DC memiliki banyak kekurangan.
Setelah keberhasilan Edison, hadir Nicola Tesla yang merupakan pekerja di perusahaan Edison. Nicola Tesla seorang jenius, penemu berbagai aplikasi yang berkaitan dengan listrik. Sebut saja lampu neon, remote control, dan masih banyak lainnya. Banyak penemuannya yang baru terasa kegunaannya puluhan tahun kemudian. Saking jeniusnya, banyak yang memitoskan sebagian rancangan temuan Nikola Tesla disembunyikan oleh pemerintah AS karena takut ditemukan pihak musuh (Jerman saat itu). Bahkan Hollywood pernah memakai namanya untuk suatu penemuan mesin listrik pengcopy mahkluk hidup dalam film “The Prestige (2006)”.
Temuannya yang masih banyak membuat orang kagum karena ditemukan puluhan tahun yang lalu adalah gelombang mikro dan lampu neon. Pada Expo Fair 1893 di Chicago, Tesla mendemonstrasikan lampunya yang dapat dipegang dan bersinar lebih terang dari lampu Edison. Itulah dasar dari lampu neon. Apa yang ditemukan Tesla merupakan dasar untuk lampu hemat energi yang dikembangkan seratus tahun kemudian.
Nikola Tesla dilahirkan di kota Smiljan pada 10 Juli 1856 sebagai keturunan Serbia, Smiljan sekarang, berada di wilayah Kroasia. Kepandaiannya mengantarkan Tesla bekerja pada perusahaan Thomas Alva Edison di Perancis, dan kemudian ditarik ke Amerika Serikat.
partner yang sempurna, dan kerjasama Tesla dengan Westinghouse menghasilkan banyak temuan menakjubkan.
Di awal penggunaan listrik, arus searah (Direct Current atau DC) mendominasi distribusi listrik di Amerika Serikat. Arus listrik DC merupakan pilihan Edison dimana perusahaannya, General Electric, mendominasi penjualan peralatan listrik. Arus listrik DC merupakan arus listrik yang fleksibel karena dapat menyalakan alat listrik dengan voltase rendah ataupun tinggi. Di samping itu, arus listrik DC dapat disimpan dalam sebuah baterei.
Namun demikian arus listrik DC memiliki kelemahan. Generator listrik harus berada paling jauh 1,61 km dari pengguna listrik. Jika tidak, ada kecenderungan voltase akan drop karena besarnya gesekan antara listrik dengan konduktornya. Oleh sebab itu, di setiap area dibutuhkan generator listrik tersendiri. Di samping itu, arus listrik DC tidak mudah diubah voltasenya sehingga setiap voltase harus dihasilkan oleh satu generator listrik tersendiri. Misalnya diperlukan listrik dengan tiga voltase berbeda maka harus disediakan tiga generator listrik yang menghasilkan voltase berbeda. Oleh sebab itu, kabel yang membawa listrik tersebut memiliki diameter lebih dari 10 cm karena membawa listrik berbagai voltase. Dan biaya untuk hal ini tentu sangat mahal.
Setelah keluar dari perusahaan Edison, Tesla membawa idenya ke Westinghouse. Oleh Westinghouse, ide Tesla diterima dan dipraktikkan pada Expo Fair 1893 di Chicago. Hasilnya sukses besar. Arus Listrik AC ternyata dapat diwujudkan dengan ongkos yang murah meriah. Arus listrik AC memang diciptakan untuk mengatasi kelemahan arus listrik DC. Lokasi generator listrik penghasil arus listrik AC dapat disimpan lebih jauh dari dari pengguna. Di samping itu, arus listrik AC hanya memerlukan satu generator saja. Ketika sampai ke pengguna, penurunan voltase diserahkan pada transformator yang kecil dan murah. Jadi tidak memerlukan banyak generator untuk menghasilkan berbagai voltase. Oleh sebab itu, transmisi listrik AC hanya membutuhkan kabel yang jauh lebih kecil dan biaya yang juga jauh lebih kecil.
Saat itu, diyakini air terjun Niagara dapat menghasilkan listrik dalam jumlah besar. Perusahaan Niagara Falls Power Company (NFPC) mengadakan tender untuk memproduksi listrik dari jeram Niagara untuk kota Buffalo, kota terdekat dengan jeram Niagara. NFPC tentu tidak gegabah memilih 19 proposal yang dikirim perusahaan listrik termasuk milik Edison dan Westinghouse (rekan bisnis Tesla). Jelas, Edison menggunakan metode DC dan Westinghouse menggunakan metode AC dengan mesin yang patennya dimiliki Tesla.
Dan akhirnya diputuskan metode arus listrik AC yang menang. Pertimbangannya adalah biaya yang lebih murah, suksesnya Westinghouse menyediakan listrik untuk Expo Fair 1893 di Chicago, juga banyaknya peralatan listrik yang dibuat untuk arus listrik AC oleh Westinghouse.
kondisi sekarang dimana wilayah timur AS Konsumsi listriknya luar biasa besarnya.
Kemenangan Westinghouse dan Tesla membuat berang Edison. Edison tahu, dengan kemenangan ini Westinghouse akan ditunggu oleh berbagai proyek distribusi listrik. Berarti uang jutaan dollar melayang dari tangannya. Akhirnya Edison melakukan kampanye hitam, menuduh arus listrik AC tidak aman bagi manusia. Edison mengumumkan bahwa hewan peliharaan seperti kucing dan anjing, ataupun hewan ternak seperti sapi maupun kuda dapat mati kalau kena aliran listrik AC. Selanjutnya, ia juga membuat film dokumenter bagaimana seekor gajah sirkus yang sebelumnya telah membunuh 3 orang dieksekusi mati dengan menggunakan listrik AC. Alih-alih ingin kampanye hitam, justru film Edison ini memicu ide pembuatan kursi listrik untuk mengeksekusi terpidana mati.
Perang arus listrik baru berhenti setelah Edison mengaku menyesal tidak mendengarkan ide Tesla sebelumnya. Akhirnya perusahaan Edison, General Electric, mau memproduksi alat listrik yang menggunakan arus listrik AC. Dapat dimaklumi mengapa Edison tidak faham dengan ide Tesla. Edison adalah penemu ulung, namun pendidikannya kurang karena tidak menyelesaikan sekolah dasar resminya, dan pengetahuannya berkembang karena otodidak. Hal itu menyebabkan Edison tidak mampu membaca rumusan matematika yang kompleks. Padahal ide Tesla dapat difahami jika memiliki ketrampilan menggunakan matematika.
converter atau umum disebut adaptor. Sampai saat ini arus listrik DC tetap dipakai untuk alat listrik bervoltase rendah seperti radio dan mainan.
Tapi cerita belum selesai. Perkembangan teknologi selanjutnya memungkinkan munculnya High Voltage Direct Current (HVDC) untuk mengatasi kelemahan AC. HVDC memungkinkan listrik disalurkan dengan lebih efisien dibanding metode AC karena dapat mengalirkan listrik lebih jauh. Aplikasinya digunakan untuk menyalurkan listrik melalui kabel bawah laut. Bayangkan jika panjangnya 80,46 km, maka dengan memakai AC setiap 16,1 km harus dibangun penguat listrik di bawah air.
Penemuan hebat Tesla yang lain adalah mobil listrik. Mobil listrik temuan Tesla tidak menggunakan baterai, tetapi menggunakan ether yang terdapat di udara. Proyek mobil listrik ini dilaksanakan pada tahun 1931, dibiayai oleh Pierce Arrow dan Westinghouse. Namun ciptaan Tesla ini disabotase oleh J.P. Morgan, J.D. Rocefeller dan Henry Ford. Rockefeller memberangus mobil listrik Tesla, karena jika mobil tak lagi memerlukan gasoline, maka perusahaan minyaknya, Standard Oil Company akan bangkrut. Adapun Henry Ford membekap mobil listrik Tesla, karena perusahaannya memproduksi mesin-mesin mobil yang menggunakan gasoline.
Pada masa tuanya, Tesla ditinggalkan oleh sahabat-sahabat dekatnya yang sudah lebih dulu meninggal. Tesla hampir terlupakan oleh dunia. Menjelang akhir hidupnya, ia banyak menghabiskan waktu dengan memberi makan burung merak di Bryant Park, Fifth Avenue. Tesla meninggal pada 7 Januari 1943.
dikemudian hari menjadi dasar pembuatan senjata massal yang dikembangkan oleh Pentagon.
II.1.2 Pengertian Arus Searah atau DC (Direct Current)
Arus DC (Direct Current) adalah arus listrik yang mengalir secara konstan atau tetap, yang setiap terminal memiliki polaritas sama. Arus DC mengalir dari suatu titik yang energi potensialnya tinggi menuju ke titik lain yang energi potensialnya lebih rendah.
Arus Searah biasanya banyak digunakan pada rangkaian elektronika dengan tegangan rendah. Contoh sumber arus DC adalah Solar Cell (pembangkit listrik tenaga surya), Baterai, aki dan sebagainya. Listrik DC adalah listrik yang “original”, artinya listrik dasar yang dapat dihasilkan dari sumber-sumber susunan material alam.
Muatan-muatan listrik yang terjadi akibat adanya gesekan pada dua jenis material adalah muatan listrik yang berbentuk arus listrik DC. Berkumpulnya muatan listrik yang terjadi di awan hingga mencapai jutaan volt dan kemudian menjadi sambaran petir adalah muatan listrik yang berbentuk arus listrik DC juga, dan setiap baterai yang disusun dari beberapa bahan kimiawi tertentu selalu menghasilkan listrik dalam bentuk arus listrik DC, tidak ada baterai yang menghasilkan tegangan listrik AC secara langsung, begitu pun beberapa jenis hewan yang mampu mengeluarkan tegangan listrik dari tubuhnya, adalah tegangan listrik DC.
Gambar II.1 kurva frekuensi pada arus DC
Pada gambar (1) tampak bahwa tegangan terus menerus sebesar +3V selama waktu t.
Pada gambar (2) tampak bahwa tegangan terus menerus sebesar -3V selama waktu t.
Pada gambar (3) terlihat bahwa antara titik +3V dan titik nol Volt terdapat tegangan DC sebesar 3V, dan antara titik nol Volt dan titik -3V terdapat tegangan DC sebesar 3V juga, maka antara titik +3V dan titik -3V terdapat tegangan DC sebesar 6V.
Arus DC dikenal polaritas positif (+) atau negatif (-) yang dalam penerapannya tidak boleh terbalik-balik. DC banyak digunakan untuk sumber tenaga (power supply) berdaya kecil, seperti perangkat-perangkat elektronik portabel, Handphone, starter motor DC pada kendaraan, dan lain-lain. Sangat jarang penggunaan DC untuk kelistrikan rumah tangga karena faktor kesulitan transfer daya yang lebih sulit dibanding sistem AC.
Kalaupun arus DC digunakan untuk kelistrikan rumah tangga, maka arus DC itu merupakan sistem kelistrikan dengan penghasil energi listrik sendiri (dari solar-cell atau generator listrik tenaga angin) dan merupakan sistem kelistrikan energi terbatas.
II.1.3 Pengertian Arus Bolak balik AC (Alternating Current)
Arus bolak-balik (Alternating Current) adalah arus listrik di mana besarnya dan arahnya arus berubah-ubah secara bolak-balik. Berbeda dengan arus searah di mana arah arus yang mengalir tidak berubah-ubah dengan waktu. Bentuk gelombang dari listrik arus bolak-balik biasanya berbentuk gelombang sinusoida, karena ini yang memungkinkan pengaliran energi yang paling efisien. Namun dalam aplikasi-aplikasi spesifik yang lain, bentuk gelombang lain pun dapat digunakan, misalnya bentuk gelombang segitiga (triangular wave) atau bentuk gelombang segi empat (square wave).
Secara umum, listrik bolak-balik berarti penyaluran listrik dari sumbernya (misalnya PLN) ke kantor-kantor atau rumah-rumah penduduk. Namun ada pula contoh lain seperti sinyal-sinyal radio atau audio yang disalurkan melalui kabel, yang juga merupakan listrik arus bolak-balik. Di dalam aplikasi-aplikasi ini, tujuan utama yang paling penting adalah pengambilan informasi yang termodulasi atau terkode di dalam sinyal arus bolak-balik tersebut.
Gambar II.2 arus AC
Pada gambar (II.2) tampak bahwa tegangan AC tidak terus menerus selalu positif atau terus menerus negatif, melainkan beubah yaitu pada puncak gelombang betegangan positif (+) kemudian pada dasar gelombang bertegangan negative (+)
II.1.4 Penggunaan dan Perbandingan arus AC dan DC
Arus DC biasanya banyak dipakai pada rangkaian elektronika seperti mencatu daya jam dinding, speaker aktif, Handphone, Komputer dan sebagainya, sedangkan arus AC banyak digunakan untuk mensupplay semua kebutuhan listrik dirumah, namun yang murni menggunakan arus AC seperti kipas angin, blender, pompa air, setrika, solder dan sebagainya yang jelas menggunakan motor listrik maupun elemen pemanas dan lainnya.
12Volt DC atau yang lainnya. Untuk lebih jelas tentang pengubahan arus, akan dibahan di materi selanjutnya. Untuk lebih jelas, berikut tabel pembeda antara arus AC dan arus DC
Tabel II.1 perbandingan arus AC dan arus DC
Arus bolak balik (AC) Arus searah(DC)
Frekuensi Frekuensi arus bolak-balikadalah 50Hz atau 60Hz tergantung pada negara.
Frekuensi arus searah adalah nol
Arah mengalir dalam rangkaianBerbalik arah ketika Mengalir dalam satuarah rangkaian
Arus besarnya arus bervariasiterhadap waktu Besarnya arus tetapterhadap waktu
Aliran elektron bergantian – maju danArah Elektron terus mundur.
Elektron bergerak terus dalam satu arah atau
‘maju’.
Diperoleh dari Generator arus bolak balik Sel atau batere
Parameter passive Impedansi Hambatan
Faktor daya Antara 0 dan 1 Selalu 1
Jenis Sinusoidal, trapesium,segitiga, Segiempat. Murni atau pulse
II.2 Rangkaian Penyearah
penyearah (rectifier). Pada bagian ini dipelajari bagaimana rangkaia dasar adaptor tersebut bekerja.
Penyearah gelombang (rectifier) adalah bagian dari power supply / catu daya yang berfungsi untuk mengubah sinyal tegangan AC (Alternating Current) menjadi tegangan DC (Direct Current). Komponen utama dalam penyearah gelombang adalah dioda yang dikonfiguarsikan secara forward bias. Dalam sebuah power supply tegangan rendah, sebelum tegangan AC tersebut di ubah menjadi tegangan DC maka tegangan AC tersebut perlu di turunkan menggunakan transformator stepdown. Ada 3 bagian utama dalam penyearah gelombang pada suatu power supply yaitu, penyearah gelombang / rectifier (dioda), penurun tegangan (transformer), dan filter (kapasitor). II.3 Jenis – Jenis Rangkaian Penyearah
Pada dasarnya konsep penyearah gelombang dibagi dalam 2 jenis yaitu, Penyearah setengah gelombang dan penyearah gelombang penuh. Namun selain dua konsep penyearah tersebut, terdapat pula rangkaian penyearah dengan filter untuk menyaring arus yang masuk pada rangkaian.
II.3.1 Penyearah setengah gelombang
Penyearah setengah gelombang (half wave rectifier) adalah sistem penyearah yang menggunakan satu blok dioda tunggal (bisa satu dioda atau banyak dioda yang diparalel) untuk mengubah tegangan dengan arus bolak-balik (AC) menjadi tegangan dengan arus searah (DC). sinyal. Prinsip kerja penyearah setengah gelombang memanfaatkan karakteristik dioda yang hanya bisa dilalui arus satu arah saja. Disebut penyearah setengah gelombang karena penyearah ini hanya melewatkan siklus positif dari sinyal AC.
gelombang kurang baik diaplikasikan pada frekuensi rendah seperti jala-jala listrik rumah tangga dengan frekuensi 50Hz karena membuang satu siklus sinyal AC dan mempunyai riak (rippe) yang besar pada keluaran tegangan DC-nya sehingga membutuhkan kapasitor yang besar. Berikut gambar rangkaian penyearah setengah gelombang:
Gambar II.3 rangkaian penyearah setengah gelombang
Gambar II.4 output penyearah setengah gelombang
Formulasi yang digunakan pada penyearah setengah gelombang sebagai berikut.
Vavg=Vm
πR ………..………...
(1)
Dimana :
Vavg = Tegangan rata-rata Vm = tegangan puncak R = hambatan
Gambar II.5 output penyearah setengah gelombang
Berdasarkan kondisi diatas maka dapat dirumuskan bahwa besarnya tegangan output dari penyearah setengah gelombang adalah Vmax dibagi dengan π (pi). Dimana besarnya Vmax adalah tegangan puncak (V-peak) dari salah satu siklus sinyal AC. Atau sebesar 0.318Vmax. Dan jika dihitung dengan nilai RMS menjadi 0.318 kali √2 sama dengan 0.45Vrms.
Vdc=Vmax
π =0,318Vmax=0,45Vms ……..………….(2) Dimana:
Vdc = Tegangan DC
Vmax = tegangan maksimum
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 persaman matematika adalah sebagai berikut;
IAV = 0,318.IMAX………(3)
Ket:
Iav = Arus Rata-Rata Imax = Arus maksimum
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.
Kelemahan dari penyearah setengah gelombang adalah keluarannya memiliki riak (rippe) yang sangat besar sehingga tidak halus dan membutuhkan kapasitor besar pada aplikasi frekuensi rendah seperti listrik PLN 50Hz. Kelemahan ini tidak berlaku pada aplikasi power supply frekuensi tinggi seperti pada rangkaian SMPS yang mempunyai duty cycle diatas 90%.
Kelemahan penyearah setengah gelombang lainnnya adalah kurang efisien karena hanya mengambil satu siklus sinyal saja. Artinya siklus yang lain tidak diambil alias dibuang. Ini mengakibatkan keluaran dari penyearah setengah gelombang memiliki daya yang lebih kecil.
II.3.2 Penyearah Gelombang Penuh 4 dioda
Penyearah Gelombang Penuh (Full wave Rectifier) Penyearah gelombang penuh dapat dibuat dengan 2 macam yaitu, menggunakan 4 dioda dan 2 dioda. Untuk membuat penyearah gelombang penuh dengan 4 dioda menggunakan transformator non-CT seperti terlihat pada gambar berikut:
Gambar II.6 rangkaian pemyearah gelombang penuh 4 dioda
forward bias dan D1, D2 pada posisi reverse bias sehingan level tegangan sisi negatif tersebut dialirkan melalui D2, D4. Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada grafik output berikut.
Gambar II.7 output penyearah gelombang penuh
II.3.3 Penyearah Gelombang Penuh dengan transformator CT
Penyearah gelombang dengan 2 dioda menggunakan tranformator dengan CT (Center Tap). Rangkaian penyearah gelombang penuh dengan 2 dioda dapat dilihat pada gambar berikut :
Gambar II.8 rangkaian penyearah gelombang penuh 2 dioda
output tegangan AC pada kedua terminal output sekunder terhadap terminal CT dengan level tegangan yang berbeda fasa 180°. Pada saat terminal output transformator pada D1 memberikan sinyal puncak positif maka terminal output pada D2 memberikan sinyal puncak negatif, pada kondisi ini D1 pada posisi forward dan D2 pada posisi reverse. Sehingga sisi puncak positif dilewatkan melalui D1. Kemnudian pada saat terminal output transformator pada D1 memberikan sinyal puncak negatif maka terminal output pada D2 memberikan sinyal puncak positif, pada kondisi ini D1 posisi reverse dan D2 pada posisi forward. Sehingga sinyal puncak positif dilewatkan melalui D2. Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada gambar output penyearah gelombang penuh berikut.
Gambar II.9 output penyearah gelombang penuh
Formulasi pada penyearah gelombang penuh sebagai berikut.
Vavg=2Vn
π ……..………..…….
(4)
Dimana:
Vavg = Tegangan rata-rata Vn = jumlah tegangan
Setelah mengetahui jenis-jenis dari rangkaian penyearah, baiknya kita mengetahui komponen-komponen yang berperan penting dalam rangkaian penyearah itu sendiri, mulai dari dioda, kapasitor, maupun transformator.
II.4.1 Dioda
Dioda berasal dari kata Di = dua dan Oda = elektroda atau dua elektroda, dimana elektroda-elektrodanya tersebut adalah “anoda” yang berpolaritas positif dan “katoda” yang berpolaritas negatif. Dioda adalah perangkat elektronik semikonduktor yang pertama. Penemuan kristal meluruskan kemampuan dibuat oleh fisikawan Jerman Ferdinand Braun pada tahun 1874. Dioda semikonduktor pertama, yang disebut dioda kumis kucing , dikembangkan sekitar 1906, terbuat dari kristal mineral seperti galena. Hari ini kebanyakan dioda terbuat dari silikon, tetapi lain semikonduktor seperti germanium kadang-kadang digunakan.
Dioda adalah Komponen Elektronika Aktif yang terbuat dari bahan semikonduktor dan mempunyai fungsi untuk menghantarkan arus listrik ke satu arah tetapi menghambat arus listrik dari arah sebaliknya. Oleh karena itu, Dioda sering dipergunakan sebagai penyearah dalam Rangkaian Elektronika. Dioda pada umumnya mempunyai 2 Elektroda (terminal) yaitu Anoda (+) dan Katoda (-) dan memiliki prinsip kerja yang berdasarkan teknologi pertemuan p-n semikonduktor yaitu dapat mengalirkan arus dari sisi tipe-p (Anoda) menuju ke sisi tipe-n (Katoda) tetapi tidak dapat mengalirkan arus ke arah sebaliknya.
Gambar II.10 Kaki-kaki dioda yaitu kaki katoda ditandai dengan garis pada ujungnya
II.4.2 Transformator
Transformator atau sering disingkat dengan istilah Trafo adalah alat yang memindahkan tenaga listrik antar dua rangkaian listrik atau lebih melalui induksi elektromagnetik. Transformator adalah suatu alat listrik yang dapat mengubah taraf suatu tegangan AC ketaraf yang lain. Maksud dari pengubahan taraf tersebut diantaranya seperti menurunkan Tegangan AC dari 220VAC ke 12 VAC ataupun menaikkan Tegangan dari 110VAC ke 220 VAC. Transformator atau Trafo ini bekerja berdasarkan prinsip Induksi Elektromagnet dan hanya dapat bekerja pada tegangan yang berarus bolak balik (AC). Transformator memegang peranan yang sangat penting dalam pendistribusian tenaga listrik. Transformator menaikan listrik yang berasal dari pembangkit listrik PLN hingga ratusan kilo Volt untuk di distribusikan, dan kemudian Transformator lainnya menurunkan tegangan listrik tersebut ke tegangan yang diperlukan oleh setiap rumah tangga maupun perkantoran yang pada umumnya menggunakan Tegangan AC 220V.
Berikut ini adalah gambar bentuk dan simbol Transformator :
Gambar II.11 Transformator
Sebuah transformator yang sederhana pada dasarnya terdiri dari 2 lilitan atau kumparan kawat yang terisolasi yaitu kumparan primer dan kumparan sekunder. Pada kebanyakan transformator, kumparan kawat terisolasi ini dililitkan pada sebuah besi yang dinamakan dengan Inti Besi (Core). Ketika kumparan primer dialiri arus listrik AC maka akan menimbulkan medan magnet atau fluks magnetik disekitarnya. Kekuatan Medan magnet tersebut dipengaruhi oleh besarnya arus listrik yang dialirinya. Semakin besar arus listriknya semakin besar pula medan magnetnya. Fluktuasi medan magnet yang terjadi di sekitar kumparan pertama (primer) akan menginduksi GGL (Gaya Gerak Listrik) dalam kumparan kedua (sekunder) dan akan terjadi pelimpahan daya dari kumparan primer ke kumparan sekunder. Dengan demikian, terjadilah pengubahan taraf tegangan listrik baik dari tegangan rendah menjadi tegangan yang lebih tinggi maupun dari tegangan tinggi menjadi tegangan yang rendah.
Beberapa bentuk lempengan besi yang membentuk Inti Transformator tersebut diantaranya seperti :
E – I Lamination E – E Lamination L – L Lamination U – I Lamination
Dibawah ini adalah Fluks pada Transformator :
Gambar II.12 fluks transformator
Ada banyak jenis transformator lainnya, tetapi pada percobaan rangkaian penyearah yang dilakukan, transformator step down dan transformator jenis CT-lah yang menjadi alat yang digunakan dan juga yang menjadi fokus pada pembahasan pada materi laporan ini. Berikut adalah pembahasan tentang transformator step down dan transformator CT:
II.2.2.a Tansformator step down
Seperti yang sudah dijelaskan diatas, transformator step down berfungsi untuk menurunkan tegangan, misalnya dari tegangan 220VAC diturunkan ke tegangan 110VAC.
Dan juga sudah diterangkan bahwa pada transformator step down terdapat 10 lilitan pada kumparan primer dan 1 lilitan pada kumparan sekunder, maka tegangan yang dihasilkan oleh Kumparan Sekunder adalah 1/10 dari tegangan input pada Kumparan Primer. Berikut adalah lambing transformator step down.
Gambar II.13 trafo step down
lah gaya gerak lisrik pada kumparan sekunder Transformator. Jumlah gaya gerak listrik yang akan timbul pada kumparan sekunder tergantung jumlah lilitan dan diameternya.
Pada perancangan rangkaian elektronika, sebuah tranformator step down harus didesain sesuai dengan kebutuhan beban, ketika arus yang dibutuhkan oleh beban lebih besar dari arus output yang dikeluarkan oleh transformator step down, maka hal ini akan berbahaya untuk komponen transformator step down itu sendiri. Selain dapat menimbulkan panas yang berlebihan pada kumparan inti besinya, hal tersebut juga dapat menyebabkan kerusakan pada transformator.
Oleh karena itulah, kebanyakan sebuah adaptor AC ke DC yang memiliki kualitas baik biasanya dilengkapi dengan rangkaian regulator tegangan dan proteksi arus terhadap beban lebih, selain outputnya bebas dari tegangan rippe, juga terlindungi dari arus beban yang lebih, karena ketika hal itu terjadi, secara otomatis rangkaian proteksi akan bekerja dan sumber catu terhadap beban akan terputus.
Meskipun fungsi dasar transformator step down hanya satu yaitu menurunkan tegangan, namun kegunaannya sangat banyak. Misalnya saja power supply yang menggunakan trafo step down, kegunaannya bisa dipakai untuk hampir semua perangkat elektronika seperti amplifier, radio, charger gadged, booster antena Televisi, dan lain-lain. II.2.2.b Transformator Center tab (CT)
Gambar II.14 Trafo CT
Pada gambar diperlihatkan sebuah transformator dengan gulungan sekunder sebanyak (misalnya) 50 gulungan untuk menghasilkan tegangan 50V, maka tap tengahnya (CT) dibuat tepat pada gulungan ke-25. Dengan demikian dari A ke CT akan terdapat tegangan AC sebesar 25V (sesuai jumlah gulungannya) dan dari CT ke B juga terdapat tegangan AC 25V. Secara keseluruhan, dari A ke B tegangannya adalah sebesar 50V. Jadi, apabila A dianggap titik nol Volt, maka CT akan menjadi titik 25V, dan B menjadi titik 50V. Karena itu transformator nol Volt yang mempunyai titik-titik tegangan 25V dan 50V bisa difungsikan sebagai transformator CT 2x25V. Begitu pun sebaliknya, jika yang diinginkan adalah justeru transformator nol-Volt biasa dengan tegangan 50V maka bisa didapatkan dari transformator CT dengan mengambil dari dua titik yaitu A dan B (25V + 25V).
Transformator CT diperlukan ketika hendak membuat power-supply untuk rangkaian-rangkaian penguat OCL atau rangkaian lain yang memerlukan suplai tegangan simetrik. Transformator CT juga diperlukan untuk penyearahan gelombang penuh dengan arus yang maksimal.
Untuk lebih jelas perhatikan gambar transformator berikut ini.
Gambar II.15 frekuensi dan lilitan pada trafo CT
Titik center tap adalah titik tengah lilitan sekunder pada trafo CT yang dihubungkan keluar lilitan dan bersifat sebagai sebagai ground. Jadi, semisal terdapat 10 lilitan kawat pada bagian sekundernya maka diantara lilitan ke-5 dan ke-6 dihubungkan pada sebuah kawat yang terhubung keluar lilitan.
Gambar II.16 lilitan
Tegangan sekunder yang dihasilkan oleh trafo CT ini ada 2 macam, mempunyai amplitudo yang sama namun saling berlawanan fasa, masing2 sebesar 11VAC atau setengah dari tegangan sekunder pada trafo biasa seperti contoh diatas. Tegangan sekunder trafo CT ini diukur dari salah satu ujung lilitan terhadap titik center tap-nya.
penyearah yang akan digunakan. Untuk jenis trafo biasa dibutuhkan penyearah jembatan dioda (dioda bridge) yang dapat dibuat dari 4 dioda. Sedangkan untuk jenis trafo CT hanya dibutuhkan penyearah dengan menggunakan 2 dioda saja.
Gambar II.17 rangkaian CT
Bentuk Gelombang Input, Arus Input dan Arus Pada Beban Penyearah Gelombang Penuh Center Tap (CT)
Gambar II.18 gelombang CT
arus maupun tegangan rata-ratanya adalah dua kali dari penyearah sebesar 2Vm. Pada saat siklus positip, dimana D1 sedang hidup (ON) dan D2 sedang mati (OFF), maka jumlah tegangan yang berada pada dioda D2 yang sedang OFF tersebut adalah dua kali dari tegangan
Michael Faraday. Kondensator juga dikenal sebagai "kapasitor", namun kata "kondensator" masih dipakai hingga saat ini. Pertama disebut oleh Alessandro Volta seorang ilmuwan Italia pada tahun 1782 (dari bahasa Itali condensatore), berkenaan dengan kemampuan alat untuk menyimpan suatu muatan listrik yang tinggi dibanding komponen lainnya. Kebanyakan bahasa dan negara yang tidak menggunakan bahasa Inggris masih mengacu pada perkataan bahasa Italia "condensatore", bahasa Perancis condensateur, Indonesia dan Jerman Kondensator atau Spanyol Condensador.
Dalam rangkaian penyearah kondensator atau kapasitor berfungsi sebagai filter. Filter (Tapis) Dalam Penyearah Gelombang (Rectifier) berfungsi untuk mendapatkan tegangan output searah yang rata dari rangkaian rectifier. Tujuan dari penyearahan adalah memperoleh arus searah. Dalam penyearah, kita tidak memperoleh arus searah murni melainkan arus searah yang berubah secara periodik, jadi arus searah ini mengandung komponen arus bolak-balik. Variasi tegangan ini disebut riak tegangan. Riak tegangan pada penyearah gelombang penuh lebih kecil dari riak tegangan pada penyearah setengah gelombang. Untuk lebih memperkecil riak tegangan ini digunakan filter yang bertugas untuk meloloskan komponen searah dan mencegah komponen bolak-balik.
seterusnya. Filter semacam ini tentu saja dapat pula digunakan pada penyearah gelombang penuh.
Seperti yang telah kita ketahui bentuk Tegangan DC murni adalah rata tanpa rippe, tetapi untuk power supply dengan input transformator (trafo), sinyal DC yang dihasilkan oleh rangkaian dioda penyearah masih berbentuk rippe yang sangat besar. Untuk mendapatkan sinyal tegangan DC yang rata (low rippe), maka perlu dipasang kapasitor sebagai filter (smoothing) sehingga rippe tegangan yang dihasilkan akan sangat kecil sekali mendekati sinyal DC murni. Kapasitor yang umum digunakan sebagai filter rippe adalah jenis Elektrolit Kondensator (ELKO), yang juga menjadi focus pembahasan pada materi laporan ini.
Kondensator elektrolit atau Electrolytic Condenser (sering disingkat Elco) adalah kondensator yang biasanya berbentuk tabung, mempunyai dua kutub kaki berpolaritas positif dan negatif, ditandai oleh kaki yang panjang positif sedangkan yang pendek negatif atau yang dekat tanda minus (-) adalah kaki negatif. Nilai kapasitasnya dari 0,47 µF (mikroFarad) sampai ribuan mikroFarad dengan voltase kerja dari beberapa volt hingga ribuan volt.
Gambar II.19 kapasitor dan lambangnya
II.4.3.a Kapasitor sebagai fiter dalam rangkaian penyearah
Penyearah gelombang dengan filter adalah rangkaian penyearah yang disertai dengan kapasitor, karena kapasitor dengan sifatya yang hanya bisa dilewati oleh arus searah dan sebaliknya, menghalangi arus bolak-balik.
Tegangan yang dihasilkan oleh Rectifier belum benar-benar Rata seperti tegangan DC pada umumnya, oleh karena itu diperlukan Kapasitor yang berfungsi sebagai Filter (Penyaring) untuk menekan riple yang terjadi pada proses penyearahan Gelombang AC. Kapasitor yang umum dipakai adalah Kapasitor jenis ELCO (Electrolyte Capacitor) seperti yang sudah dijelaskan pada materi kapasitor diatas.
Gambar II.20 rangkaian dan output penyearah
Besarnya rippe tegangan DC yang dihasilkan dari sebuah rangkaian power supply trafo ditentukan oleh besarnya nilai filter kapasitor, arus beban dan frekuensi, sehingga untuk menghitung nilai kapasitor dapat digunakan persamaan seperti dibawah ini:
Vrippe = Iload/(FxC) ……….………..(9)
Filter (Tapis) Dalam Penyearah Gelombang (Rectifier) berfungsi untuk mendapatkan tegangan output searah yang rata dari rangkaian rectifier. Tujuan dari penyearahan adalah memperoleh arus searah. Dalam penyearah, kita tidak memperoleh arus searah murni melainkan arus searah yang berubah secara periodik, jadi arus searah ini mengandung komponen arus bolak-balik. Variasi tegangan ini disebut riak tegangan. Riak tegangan pada penyearah gelombang penuh lebih kecil dari riak tegangan pada penyearah setengah gelombang. Untuk lebih memperkecil riak tegangan ini digunakan filter yang bertugas untuk meloloskan komponen searah dan mencegah komponen bolak-balik.
yang tersimpan ini akan dilepaskan lagi pada waktu dioda tidak konduksi; dan demikian seterusnya. Filter semacam ini tentu saja dapat pula digunakan pada penyearah gelombang penuh.
Gambar II.21 rangkaian penyearah dengan filter
Gambar diatas memperlihatkan rangkaian penyearah setengah gelombang dengan filter kapasitor. Jika v = Vmsinωt, Pada waktu dioda konduksi, kapasitor terisi sampai tegangan maksimum. Pada waktu v menurun tegangan sumber menjadi lebih kecil dari tegangan kapasitor dan dioda tidak konduksi, vC = vR. Kapasitor melepaskan muatannya melalui R dan selama pelepasan muatan ini, kita mempunyai loop tertutup RC seri. Untuk loop ini berlaku :
VR=VC RiR=r=R
(
−iC)
=−RCdvc dt → RCdvc
dt +vc = 0……(10)
persamaan diferensial ini memberikan :
dcc vc=
−1
RCdt → Invc= −1
RCt+K=¿vc K1e
−(1/RC)t ...….(11)
Dimana:
Nilai K1 ditentukan oleh nilai awal tegangan kapasitor yaitu pada saat ia mulai melepaskan energinya yang hampir sama besar dengan tegangan maksimum yang dicapai sesaat sebelum dioda berhenti
konduksi, yaitu Vm . Jadi vc = Vme−(
1
RC)t Dioda akan kembali konduksi
manakala v > vC . Maka tegangan pada R adalah :
pada waktu dioda konduksi :
F = frekuensi I = arus
∆ T = perubahan waktu T = periode
V = tegangan
Besarnya nilai frekuensi untuk rangkaian penyearah gelembong penuh adalah sama dengan frekeunsi input dari trafo 50Hz atau 60Hz, dan untuk penyearah dioda bridge adalah dua kali lipat frekuensi input 100Hz (untuk frekuensi input 50Hz) atau 120Hz (untuk frekuensi input 60Hz).
Untuk mendapatkan rippe tegangan DC yang sangat halus dan sangat mendekati murni, dapat dipakai rangkaian filter π (filter pi) atau low-pass filter yang terdiri dari 2 buah kapasitor nilai yang sama dan sebuah induktor (lilitan) yang dipasang diantara kapasitor.
Gambar II.22 Filter π II.5 Osiloskop
dipelajari. Dengan menggunakan Osiloskop, kita dapat mengamati dan menganalisa bentuk gelombang dari sinyal listrik atau frekuensi dalam suatu rangkaian Elektronika. Pada umumnya osiloskop dapat menampilkan grafik Dua Dimensi (2D) dengan waktu pada sumbu X dan tegangan pada sumbu Y.
Osiloskop dilengkapi dengan tabung sinar katode. Peranti pemancar elektron memproyeksikan sorotan elektron ke layar tabung sinar katode.Sorotan elektron membekas pada layar. Suatu rangkaian khusus dalam osiloskop menyebabkan sorotan bergerak berulang-ulang dari kiri ke kanan. Pengulangan ini menyebabkan bentuk sinyal kontinyu sehingga dapat dipelajari.
Osiloskop banyak digunakan pada industri-industri seperti penelitian, sains, engineering, medikal dan telekomunikasi. Saat ini, terdapat 2 jenis Osiloskop yaitu Osiloskop Analog yang menggunakan Teknologi CRT (Cathode Ray Tube) untuk menampilkan sinyal listriknya dan Osiloskop Digital yang menggunakan LCD untuk menampilkan sinyal listrik atau gelombong.
Gambar II.23 Osiloskop
Selain fitur-fitur dasarnya, kebanyakan Osiloskop juga dilengkapi dengan alat pengukuran yang dapat mengukur Frekuensi, Amplitudo dan karakteristik gelombang sinyal listrik. Secara umum, Osiloskop dapat mengukur karakteristik yang berbasis Waktu (Time) dan juga karakteristik yang berbasis tegangan (Voltage).
