Pertemuan Ke-2 - Rangkaian Diode Dan Penyearah

(1)

1

(2)

2

Motto



 Diluar batas kemampuan kita, pasti adanyaDiluar batas kemampuan kita, pasti adanya

kuasa dariNya.

(3)

2

kuasa dariNya.

(4)

3 3

1. Pendahuluan



Diode semikonduktor banyak ditemukan

dalam berbagai aplikasi bidang rekayasa

elektronika dan listrik



Diode

seara

luas

dipakai

dalam

rangkaian

elektronika

daya

untuk

rangkaian

elektronika

daya

untuk

mengkon!ersi daya listrik



Beberapa

rangkaian

diode

untuk

pemrosesan daya dibahas

(5)

MBY : Pertemuan ke-2 "

•

_{&ambar 1 menun'ukkan rangkaian}

(6)

MBY : Pertemuan ke-2 5

Prinsip kerja

•

Ketika saklar S1 di tutup pada saat t = 0,

muatan arus I yan menalir melalui

kapasit!r ditentukan :

"

_s

= "

_#

$ "

_%

&1'

"# = # i&t'

&2'

"

_s

= "

_#

$ &1(% )I dt' $ *

_%

&t=0'

•

+enan k!ndisi aal *

_%

&t=0' = 0, maka

penyelesaian persamaan diasilkan

i&t' = &"

_s

(#' e

-t(#.

&/'

(7)

here τ = ! is the time constant o" an ! loa#$

e rate o" change o" the capacitor voltage is

an# the initial rate o" change o" the capacitor voltage %at t - &' is o(taine# "rom e)$ %*'

%+'

(8)

MBY : Pertemuan ke-2

,

%6'  #io#e circuit with . loa# is show$ /hen switch 01 is close# at t = & the current i through the in#uctor increase an# e3presse# as

%,'

gan kon#isi awal 5 %t=&' solusi persamaan , #i#apatkan

(9)

L L iR iR ee L L Vs Vs dt dt di di −− _// = =

7

•

• #an kecepatan awal #ari kenaikan arus #an kecepatan awal #ari kenaikan arus %pa#a%pa#a t = &' #iperoleh #ari %8'

t = &' #iperoleh #ari %8'

%1&' %1&'

(10)

Tegangan V

_L_L

yang melalui induktor adalah

L L tR tR s s L L V V ee dt dt di di L L V V −− // = = = =

MBY : Pertemuan

ke-2 2 8 8 %11' %11'

ngan .= τ a#alah konstanta waktu #ari (e(an ngan .= τ a#alah konstanta waktu #ari (e(an

Bentuk gelom(ang #ari tegangan . #an Bentuk gelom(ang #ari tegangan . #an arus

(11)

•

• _{Jika t>>L/R, tegangan yang melalui induktor}_{Jika t>>L/R, tegangan yang melalui induktor}

menuju nol dan arus mencapai nilai keadaan menuju nol dan arus mencapai nilai keadaan tunak (steady state) s ! "s /

tunak (steady state) s ! "s / R#R# •

• Jika saklar $% dibuka, energi yang tersimpan Jika saklar $% dibuka, energi yang tersimpan dalam induktor (& ! ' L i

dalam induktor (& ! ' L i) akan) akan

ditransormasikan menjadi sebuah tegangan ditransormasikan menjadi sebuah tegangan balik yang tinggi melalui saklar dan diode#

(12)

• *nergi ini akan didisipasikan dalam bentuk percikan api melalui saklar

• +iode + akan rusak selama proses tersebut#

• ntuk mengatasi hal ini di tambahkan diode yang dikenal dengan istilah diode ree&heeling diode, yang dihubungkan melalui sebuah beban indukti

(13)

Contoh 1

• $ebuah rangkaian diode seperti ditunjukkan pada gambar % dengan R ! -- ohm dan . ! #% 0# Kapasitor memiliki tegangan mula, 1 _o!  "# Jika saklar $% ditutup pada t ! , temukan 2 a# arus puncak diode

b# *nergi yang didisipasikan oleh hambatan R c# 3egangan kapasitor pada t !  4s#

(14)

3. Diode dengan Beban LC dan RLC

• 5 diode circuit &ith an L. load is sho&n in 0ig#

(15)

• 6hen s&itch $% is closed at t ! , the charging current i o the capacitor is e7pressed as

%12'

• /ith initial con#itions t%t = &' = & an#

v_c%t= &' = &

• ;)$ %12' can (e solve# "or the capacitor

(16)

1*

where < = l .! an# the peak current 5p is

%1*'

%1+'

he rate o" rise o" the current is o(taine# "rom ;)$ %1*'

(17)

• and *8# (%9) gi1es the initial rate o rise o the current (at t !) as

%1,'

voltage V _c$ across the capacitor can (e #erive# a

(18)

• :ada saat t ! t% ! ; <L., arus diode  turun

menjadi nol dan kapasitor terisi menjadi  "s# • =entuk gelombang untuk tegangan "L dan arus

i ditunjukkan pada gambar#

(19)

Contoh 

• 5 diode circuit &ith an L. load is sho&n in 0ig# &ith the capacitor ha1ing an initial 1oltage 1o !

", capacitance, c!40, and inductance L!4?#  s&itch $% is closed at t ! , determine2

(a) the peak current through the diode, (b) the conduction time o the diode, and (c) the steady@state capacitor 1oltage#

(20)

(21)

Rangkaian diode dengan RLC

(22)

• $aat saklar $% ditutup pada t ! , dapat menggunakan K"L untuk mendapatkan persamaan arus

21

%18'

•

4engan kon#isi asal i%t=&' #an Vc

%t=&' = Vo$

•

Menurunkan persamaan 18 #an

mem(agi ke#ua sisi #engan . akan

(23)

keadaan tunak adalah nol

• :ersamaan karakteristik dalam domain Laplace s adalah

%21'

•

kar-akar persamaan >ang

memenuhi a#alah

(24)

2

= #amping "actor %"aktor pere#aman'

= "rekuensi resonansi

4engan mensu(stitusikan persamaan %2 #an 2+' #alam 22 maka #i#apatkan

%2'

%2+'

%2*'

(25)

• 3erdapat A kemungkinan, yaitu2

.ase %#  B ! C, the roots are e8ual, $% ! $, the circuit is called critically damped#

.ase #  B > C, the roots are real and the circuit is said to be o1erdamped

.ase A#  B D C the roots are comple7 and the circuit is said to be under damped#

w(ere <r is calle# the ringing "re)uenc> %or #ampe# resonant "re)uenc>' an#

(26)

!ilai Penyelesaian

• .ase % !

MBY : Pertemuan ke-2 2* •

!ase 2

=

•

!ase 

=

(27)

!ote.

• 3he constants 5% and 5 can be determined rom the initial conditions o the circuit#

• 3he ratio o B/C is commonly kno&n as the damping ratio, E#

• :o&er electronic circuits are generally under damped such that the circuit current becomes near sinusoidal to cause a nearly sinusoidal ac output

(28)

Contoh 3

• 3he second@order RL. circuit o 0ig# 9 has the source 1oltage "s !  " , inductance L!  m?, capacitance .! #F 40, and resistance R ! %9 Ghm # 3he initial 1alue o the capacitor 1oltage is "o ! #  s&itch s% is closed at t ! ,

determine

a# an e7pression or the current i(t), b# the conduction time o diode#

c# +ra& a sketch o i(t)#

(29)

" Diode #ree$heeling

• Jika saklar $_% pada gambar A@a ditutup pada &aktu t_%, arus dibangkitkan melalui beban

• +an bila saklar dibuka, jalur tersedia untuk arus pada beban indukti

• ?al ini dilakukan dengan menghubungkan diode +m seperti ditunjukkan pada gambar A@%a, dan diode ini disebut diode ree&heeling

(30)

%ode Rangkaian 1

_{• Hode % dimulai ketika saklar ditutup pada saat t}

! 

• Rangkaian eki1alen untuk ditunjukkan seperti gambar

• $elama mode % arus diode i_%, yaitu 2

(31)

•

Bila waktu t1 cukup lama arus

mencapai pa#a nilai kea#aan tunak

#an arus kea#aan tunak #ari 5s =

(32)

%ode Rangkian 

• Hode ini dimulai bila saklar dibuka

• 5rus beban mengalir melalui diode ree&heeling +_m#

• +ideinisikan ulang &aktu mula pada permulaan mode, arus yang mengalir melalui diode

ree&heeling ditentukan dengan persamaan

(33)

ree&heeling i ! i sebagai

•

rus ini mengikuti persamaan

eksponensial menu9u ke nol pa#a

saat t = t2$

•

4engan nilai t2 @@ .$

(34)

Contoh 3&"

(35)

3&' Pengembalian (nergi Bertingkat dengan Diode

• Rangkaian ideal tanpa rugi@rugi digambarkan A@ %%a#

• *nergi yang tersimpan dalam induktor karena tidak ada hambatan dalam rangkaian

• +alam prakteknya sebuah rangkaian diperlukan untuk peningktan eisensi dengan cara

mengembalikan energi ke sumber

• ni dilakukan dengan cara menambah kumparan ke dua pada induktor dan menghubungkan

(36)

• nduktor berlaku sebagai trao

• 3rao bagian sekunder dihubungkan sedemikian rupa hingga bila % positi,  negati thd %, atau

sebaliknya

• Kumparan sekunder yang digunakan untuk mengembalikan energi tersimpan ke sumber melalui +% disebut diode eedback

• +iasumsikan sebuah trao dengan sebuah

induktansi magnet Lm, rangkaian eki1alennya terlihat pada gambar A@%b

(37)

rangkaian eki1alen ditunjukkan gm A@%c# • 5rus i%, i arus primer dan sekunder

• :erbandingan lilitan dari trao, a ! I%/I

• Gperasi rangkaian dapat dibagi menjadi  mode • Hode %, saat saklar $% ditutup pada saat t ! 

dan mode ke dua dimulai pada saat saklar terbuka

• Rangkaian eki1alen untuk masing@masing mode digambarkan A@%Aa#

(38)

%ode 1

• $aat saklar s% ditutup pada saat t !,

• +iode +% terbias balik dan arus yang melalui

diode (arus sekunder) adalah ai !  dan i !  • :enggunaan K"L pada gambar A@%Aa untuk

mode % yaitu "s ! ("d  "s)/a, ini memberikan tegangan balik diode

"d ! "s(% a)

• +engan mengasumsikan bah&a tidak memiliki kondisi a&al pada rangkaian, arus primer sama dengan arus saklar is yang dinyatakan sebagai

(39)

• Hode ini berlaku untuk durasi  D t D t% dan berakhir pada saat t ! t%#

• :ada akhir mode ini arus primer menjadi • o ! "s # t% / Lm

(40)

%ode 

• 5&al dari mode ini saat saklar dibuka

• 3egangan yang mele&ati induktor membalik, sehingga diode +% mengalami bias maju

• 5rus yang mengalir pada trao sekunder dan energi yang tersimpan pada induktor kembali pada sumber

• :enggunaan K"L dan dengan mendeinisikan &aktu mula pada permulaan mode, arus primer

dapat dinyatakan sebagai persamaan

(41)

• 5rus yang didapatkan menjadi • i%(t) ! @1s/aLm t  o

• 6aktu konduksi dari diode +% ditentukan dari

konduksi i% (t!t%) dari persamaan sebelumnya yaitu • t ! aLm o / "s ! at%

• Hode  ini berlaku untuk  D t D t#

• :ada akhir mode  ini yaitu t ! t, semua energi

yang tersimpan pada induktor Lm dikembalikan ke sumber#

• Hacam dan bentuk gelombang dan tegangan ditunjukkan pada gambar A@%Ab untuk nilai a ! %/9

(42)

Contoh

• :ada rangkaian pemulian energi spt pada gambar A@ %a, induktansi magnetik trao adalah Lm ! F M?# I% ! % dan I ! %# nduktansi bocor dan hambatan trao diabaikan# $umber tegnagan "s !  " dan tidak ada arus mula pada rangkaian# =ila saklar $% ditutup pada &aktu t% ! F Mdetik dan kemudian dibuka,

a) 3entukan tegangan balik diode +% b) ?itung nilai puncak arus primer

c) ?itung pula nilai puncak arus sekunder d) 3entukan &aktu konduksi diode +% dan

e) 3entukan energi yang dikeluarkan oleh sumber

(43)

MBY P t k 2 42

elektronika daya yang dapat mengubah sumber tegangan bolak-balik (AC) menjadi sumber tegangan searah (DC) yang tetap.

umber tegangan AC yang digunakan dapat berupa sumber AC ! "asa maupun # $asa.

(44)

MBY P t k 2 43

Semikonduktor apakah yang digunakan ?

Dioda

Berfungsi sebagai:

Sakear (switching)

(45)

umber tegangan tiga "asa (Penyearah &iga $asa)

Ditinjau dari proses penyearahan %

'angkaian penyearah setengah-gelombang (halfwave) 'angkaian penyearah gelombang-penuh (fullwave)

Ditinjau dari pembebanan %

'angkaian penyearah dengan beban resisti" (')

(46)

MBY : Pertemuan ke-2 "(

Penyearah Satu Fasa

Rangkaian Penyearah Rangkaian Penyearah AC 1 ~ DC_tetap

(47)

MBY : Pertemuan ke-2 ")

Meskipun

hasil

dari

penyearahan

bentuknya D$ namun bentuknya tidak

kontinyu dan mengandung harmonik



Penyearahan merupakan proses daya

yang memberikan tegangan keluaran d

dengan mengandung 'umlahan harmonis



Paremter

un'uk

ker'a

merupakan

perameter

untuk

mengukur

kiner'a

rangkaian penyearah

(48)

MBY : Pertemuan ke-2 "

 Nilai rata-rata tegangan keluaran beban, /d  Nilai rata-rata arus keluaran beban, 0d

 +eluaran daya d, Pd  /d . 0d  Nilai rms tegangan keluaran, /rms  Nilai rms arus keluaran, 0rms

 +eluaran daya a, Pa  /rms . 0rms  3iseinsi  Pd 4 Pa

 5egangan keluaran dapat dinyatakan sebagai

'umlahan dua buah komponen 1 nilai d dan komponen a ripple

 Nilai e3ekti3 rms komponen keluaran tegangan

(49)

MBY : Pertemuan ke-2 "6 /_d /_s /_o # 7 N

(50)

MBY : Pertemuan ke-2 "8 t ! π 2π /s /m t 2π /o t π 2π /_d /_m -/m π

roses Penyearahan & Bentuk Gelombang Beban R

Proses #enyearahan$

etengah periode pertama (polaritas )* dioda +, sehingga terjadi tegangan luaran _o_m. elanjutnya* saat setengah periode kedua (polaritas -)* dioda +$$ sehingga tegangan luaran _o  0.

(51)

(52)

MBY : Pertemuan ke-2 (1

Bentuk gelom(ang tegangan luaran %V _o' se"asa #engan 5_o

(53)

&egangan luaran (output), _o %

&egangan luaran (output ) rerata* _o*DC dan Arus luaran rerata* 2_o*DC%

(54)

MBY : Pertemuan ke-2 (

P_o*rms  _o*rms 2_o*rms

Daya luaran rerata ( P_o*DC) dan e"ekti" ( P_o*rms) %

$aktor daya penyearahan* 3os 4 %

rms o rms s rms o rms o I V I V * * * * 3osϕ =

(55)

MBY : Pertemuan ke-2 ("

dengan tegangan e"ekti" sebesar !60 7olt* 80 9:. 5ika rangkaian penyearah ini dihubungkan dengan resistor sebesar 8 ;* hitunglah arus beban rerata (2_o*_DC ) dan daya e"ekti" (P_o*rms) yang diserap resistor (2_o)* serta "aktor daya rangkaian penyearah ini.

(56)

MBY : Pertemuan ke-2 ((

Penyearah Setengah-gelombang Sat !asa "eban R)

Proses #enyearahan$

etengah periode pertama (polaritas )* dioda +,* tetapi proses +, ini terus berlangsung sampai titik <* yang berarti dioda +, selama (=  <). elanjutnya* mulai dari titik < sampai dengan 6= dioda dalam kondisi +$$.

(57)

MBY : Pertemuan ke-2 ()

(polaritas )* dioda +,* tetapi proses +, ini terus berlangsung sampai titik <* yang berarti dioda +, selama (=  <). elanjutnya* mulai dari titik < sampai dengan 6= dioda dalam kondisi +$$.

(58)

MBY : Pertemuan ke-2 (

Analisis Rangkaian %engan beban in%kti& 'R)(

 = %A C D'dimana % [ ] ( β ) π θ π π ! 3os( ) 6 ! 3os 6 * = − + = − m m %& o V V V R L ω θ tan−! ≈

upaya >  0 atau <  = * maka pada dipasang D2+D @+&A2 yang dihubungkan paralel dengan beban '* sehingga%

π m %& o V V ₌ * 6 * m rms o V

V ₌ &egangan luaran sama_{dengan beban '}

R I   rms R 6 = = = 0 L  ashi# p$ 

(59)

• _{'angkaian penyearah jembatan (bridge)} • _{'angkaian penyearah 3enter tap (C&)}

(60)

• _{'angkaian penyearah jembatan ('ride)} Proses enyearahan :

Eetika setengah perio#e pertama %polaritas F' #io#a 41 #an 42 GH se#angkan #io#a 4 #an 4+ GII$ 0elan9utn>a setengah perio#e ke#ua %polaritas -' #io#a 4 #an 4+ GH se#angkan #io#a 41 #an 42 GII

ashi# p$26-*

(61)

MBY : Pertemuan ke-2 )9

Eetika setengah perio#e pertama %polaritas F' #io#a 41 GH se#angkan #io#a 42 GII$ 0elan9utn>a setengah perio#e ke#ua %polaritas -' #io#a 42 GH se#angkan #io#a 41 GII

(62)

MBY : Pertemuan ke-2 )1

Analisis Rangkaian %engan beban resisti& 'R(

&egangan masukan (input), _s. _s  _m sin t  _A1 sin t

&egangan luaran (output), _o %

&egangan luaran (output ) rerata* _o*DC dan Arus luaran rerata* 2_o*DC%

&egangan luaran (output ) e"ekti"* _o*rms dan Arus luaran e"ekti"* 2_o*rms%

m m %& o V V V _* = 6 = 0*B# π _R V I o %& %& o * * = m m rms o V V V 0*0 6 * = = R V I _o_*_rms = o*rms ashi# p$ -+

(63)

MBY : Pertemuan ke-2 )2 &egangan DC % π m %& o V V 6 * = ashi# p$  ∑∞ = + + = *.. 6 * ! * ( 3os sin ) ) ( n n n %& o o t V a n t ' n t V _ω _ω &egangan harmonik % ∑∞ = − + − = = *.. D * 6 ( !)( !) ! D n m n n n n V V ' π 0 = n a harmonik genap ashi# p$ *-6 #imana n = harmonik ke-n

(64)

MBY : Pertemuan ke-2 )

ebuah rangkaian penyearah gelombang-penuh satu "asa dihubungkan dengan beban '. 5ika rangkaian dalam penyearah ini terjadi harmonik kedua* berapakah nilai tegangan luarannya (_o) ?

( ) Contoh Soal : π π #  6 _m _m o V V V = −