RANGKAIAN PENYEARAH GELOMBANG PENUH MENGGUNAKAN FILTER KAPASITOR
Catu daya merupakan suatu Rangkaian yang paling penting bagi sistem elektronika. Ada dua sumber catu daya yaitu sumber AC dan sumber DC.
Sumber AC yaitu sumber tegangan bolak - balik, sedangkan sumber tegangan DC merupakan sumber tegangan searah.
Bila dilihat dengan osiloskop seperti berikut.
(a) Tegangan AC
(b) Tegangan DC Gambar 1.
Penyearah (Rectifier)
Seperti telah kita ketahui bahwa hampir semua peralatan elektronika menggunakan power suplay (catu daya arus searah).
Sudah barang tentu dalam hal ini kita brusaha untuk mendapatkan suatu sumber arus searah yang disesuaikan
dengan prinsip-prinsip ekonomis dan
keuntungan lainnya yang sesuai dengan persyaratan diatas adalah mendapatkan arus searah dari sumber arus bolak balik atau arus AC (Alternating Curent). Rangkaian yang dimaksud disini adalah rangkaian penyearah gelombang yaitu dari sumber tegangan sinyal AC diubah menjdi bentuk sinyal DC (Direct Crrent). Rangkaian penyearsh ini terdiri dari:
a. Rangkaian penyearah ½ gelombang ( Half wave Rectifier)
b. Rangkaian penyearah gelombang penuh dengan 2 buah
dioda
c. Rangkaian penyearah gelombang penuh dengan 4 buah diode
Sumber Tegangan Bila diamati sumber AC tegangan berayun sewaktu- waktu pada kutub positif dan sewaktu-waktu pada kutub negatif, sedangkan sumber AC selalu pada satu kutub saja, positif saja atau negatif saja. Dari sumber AC dapat disearahkan menjadi sumber DC dengan menggunakan rangkaian penyearah yang di bentuk dari dioda.
Ada tiga macam rangkaian penyearah dasar yaitu penyearah setengah gelombang, gelombang penuh dan sistem jembatan.
(a) Penyearah Setengah
Gelombang (b) Penyearah
Gelombang Penuh (c) Penyearah
Sistem Jembatan Gambar
Rangkaian Penyearah Biasanya output dari rangkaian diberi suatu filter kapasitor untuk menghilangkan riak sehingga diperoleh tegangan DC yang stabil. Tegangan DC juga dapat diperoleh dari batere. Dengan penggunaan batere ditawarkan sumber tegangan DC yang stabil dan portable namun dapat habis tergantung kapasitas batere tersebut.
Tegangan yang tersedia dari suatu sumber tegangan yang ada biasanya tidak sesuai dengan kebutuhan. Untuk itu diperlukan suatu regulator tegangan yang berfungsi untuk menjaga agar tegangan bernilai konstan pada nilai tertentu. Regulator tegangan ini biasanya berupa IC dengan kode 78xx atau 79xx. Untuk seri 78xx digunakan untuk regulator tegangan DC positif, sedangkan 79xx digunakan untuk regulator DC negatif. Nilai xx menandakan tegangan yang akan diregulasikan.
Misalnya kebutuhan sistem adalah positif 5 volt, maka regulator yang digunakan adalah 7805. IC regulator ini biasanya terdiri dari tiga pin
yaitu input, ground dan output. Dalam menggunakan IC ini tegangan input harus lebih besar beberapa persen (tergantung pada data sheet) dari tegangan yang akan diregulasikan
PENYEARAH GELOMBANG PENUH DENGAN FILTER C
gambar 5 : rangkaian penyearah gelombang penuh dengan filter C
Analisis Rangkaian
Berbeda dengan penyearah gelombang penuh dengan menggunakan Transformator CT. Pada rangkaian kali ini menggunakan transformator tanpa CT, dengan penyearah 4 buah dioda. Silahkan ikuti alur dari masing-masing siklus. Keduanya akan masuk keluar dengan arah yang sama dan berakhir di lawan potensialnya. Sehingga bentuk gelombang keluaran semuanya berupa bukit (tegangan positif). Dan adanya kapasitor membuat tegangan ripple kecil. Kapasitor melakukan pembuangan saat terjadi pergantian siklus. Dan melakukan pengisian saat arus dari kedua potensial yang disearahkan tersebut mengalirinya.
Untuk mendapatkan tegangan output yang lebih efektip anda dapat menggunakan filter phi. Yaitu dengan menambah satu kapasitor lagi (dipasang paralel, agar nilai kapasitansi bertambah, sehingga waktu buang semakin lama dan gelombang pun akan nyaris lurus), dan satu induktor. Dari hasil percobaan yang saya lakukan. Nilai R1 pun mempengaruhi keefektifan tegangan output. Dari percobaan, R1 yang bernilai 1,5 KOhm menghasilkan gelombang keluaran yang lebih efektif (gelombang nyaris lurus) , dibandingkan dengan menggunakan R1 yang bernilai 100 Ohm.
padContoh rangkaian penyearah tanpa menggunakan filter
Fungsi filter
Contoh rangkaian penyearah dengan menggunakan filter kapasitor
• Arus Riak (Ripple Current)
Akibat dari arus ripple sedikit banyak mengganggu keluaran dari catu daya. Ilustrasi berikut menunjukkan bentuk keluaran tegangan DC dari rangkaian penyearah setengah gelombang dengan filter kapasitor.
Garis b-c kira-kira adalah garis lurus dengan kemiringan tertentu, di mana pada keadaan ini arus untuk beban R1 dicatu oleh tegangan kapasitor. Sebenarnya garis b-c bukanlah garis lurus, tetapi
eksponensial sesuai dengan sifat pengosongan kapasitor.
Kemiringan kurva b-c bergantung pada besar arus I yang mengalir ke beban R. Jika arus I = 0 (tidak ada beban) maka kurva b-c akan
membentuk garis horizontal. Namun jika beban arus semakin besar, kemiringan kurva b-c akan semakin tajam. Tegangan yang keluar akan berbentuk gigi gergaji dengan tegangan ripple yang besarnya adalah :
V r = V M -V L
dan tegangan dc ke beban adalah :
V dc = V M + V r /2
Tipe – tipe filter : 1. Filter Choke (Induktor)
2. Filter Kapasitor 3. Filter RC
1. Filter Choke (Induktor)
Sumber AC menghasilkan sebuah arus dalam induktor, kapasitor, dan resistor. Arus AC pada tiap-tiap komponen bergantung pada reaktansi induktif , reaktansi kapasitif , dan resistansi .
Induktor memiliki sebuah reaktansi yang diberikan oleh :
PENYEARAH SETENGAH GELOMBANG (HALF WAVE)
gambar 1 : rangkaian penyearah setengah gelombang Analisa Rangkaian
Input pada rangkaian tersebut adalah arus bolak balik (Alternating Current). Dan dihasilkan output arus searah (Direct Current), karena hanya menggunakan 1 buah dioda. Dioda tersebut berfungsi sebagai penyearah. Saat siklus positif (aliran tegangan positif) arus dapat melewati dioda (diteruskan ke R1), sehingga gelombang pada siklus positif keluar sebagai output. Namun saat siklus negatif, arus tidak mengalir, karena terhalang dioda. Oleh karena itu outputnya bernilai nol.
Siklus positif dan negatif berlangsung secara terus menerus, sehingga didapat bentuk gelombang keluaran berupa bukit tanpa lembah. Selang antar bukit itulah jeda yang disebabkan siklus negatif tidak dapat mengalir karena adanya dioda, sehingga gelombang keluaran hanya setengah gelombang. Oleh karena itulah, rangkaian di atas disebut rangkaian penyearah setengah gelombang. (frekwensi input = 2 x frekwensi output)
PENYEARAH GELOMBANG PENUH (FULL WAVE) DENGAN TRANSFORMATOR CENTRE TAP (CT)
gambar 2 : rangkaian penyearah gelombang penuh
Analisa Rangkaian
Adanya 2 dioda menyebabkan CT menjadi common ground. Siklus dari CT tidak mengalir karena terhalang oleh kedua dioda. Sedangkan dua siklus yang lainnya diteruskan ke Resistor 1 dengan arah yang sama.
Sehingga, gelombang keluaran semuanya berupa bukit (input berupa gelombang sinusoidal / AC). Oleh karena itu, rangkaian diatas dinamakan penyearah gelombang penuh dengan Transformator Centre Tap. Karena, rangkaian pertama di atas pun dapat menjadi penyearah gelombang penuh, dengan menggunakan 4 buah dioda.
Walaupun aotputnya sudah berupa DC, namun keluarannya belum efektif, karena tegangan ripplenya masih cukup besar. (pada gambar 4 di bawah dapat dilihat Vr/tegangan ripple yang lebih efektif dari tegangan di atas.)
PENYEARAH SETENGAH GELOMBANG DENGAN FILTER KAPASITOR
gambar 3 : rangkaian penyearah setengah gelombang dengah filter C
Analisis Rangkaian
Yang membedakan rangkaian gambar 3 dengan gambar 1 adalah adanya capasitor sebagai filter. Saat siklus positif, capasitor melakukan pengisian bersamaan dengan terjadinya output siklus positif. Dan saat siklus negatif kapasitor melakukan pembuangan karena siklus negatif tidak mengalir. Sehingga jarak antar bukit pada rangkaian ini dihubungkan oleh garis miring/ kurva b-c yang merupakan hasil pembuangan kapasitor (tegangan capasitor). Adanya filter inilah yang membuat tegangan keluaran lebih efektif karena tegangan ripple yang kecil. Tegangan ripple secara matematis dapat dihitung dengan rumus :
Vr = VM -VL …... (1)
gambar 4 : bentuk gelombang dengan filter kapasitor
Catudaya atau power supply merupakan suaturangkaian elektronic yang mengubah arus listrik bolak-balik menjadi arus listrik searah.
Hampir semua peralatan elektronik membutuhkan catudaya agar dapat berfungsi.
Beberapa radio atau tape kecil menggunakan baterai sebagai sumber tenaga namun sebagian besar menggunakan listrik PLN sebagai sumber tenaganya. Untuk itu dibutuhkan suatu rangkaian yang dapat mengubah arus listrik bolak-balik dari PLN menjadi arus listrik searah. Ada banyak jenis atau variasi rangkaian catudaya dengan segala kelebihan dan kekurangannya. Namun secara prinsip rangkaian catudaya terdiri atas transformator, dioda dan condensator.
Rangkaian penyearah (rectifier circuit).
Bagian utama atau boleh dikatakan jantung suatu catudaya adalah rangkaian penyearah yang mengubah gelombang sinus AC menjadi deretan pulsa DC. Ini merupakan dasar atau langkah awal untuk memperoleh arus DC halus yang dibutuhkan oleh suatu peralatan elektronik.
A B
Penyearah gelombang penuh (fullwave rectifier).
Kelemahan dari halfwave rectifier adalah arus listrik yang mengalir ke beban hanya separuh dari setiap satu cycle. Hal ini akan menyulitkan dalam proses filtering (penghalusan). Untuk mengatasi kelemahan ini adalah penyearah gelombang penuh.
Rangkaian dasar penyearah gelombang penuh seperti terlihat pada gambar. Menggunakan dua dioda dan satu center tape transformer. Jika titik tengah transformer ditemukan maka tegangan di kedua ujung lilitan sekunder berlawanan fasa 180 derajat. Jadi ketika misalnya tegangan dititik A mengayun kearah positif diukur dari titik tengah lilitan sekunder maka tegangan dititik B mengayun ke arah negatif diukur dari titik yang sama. Mari kita lihat prinsip kerja penyearah gelombang penuh ini.
Gambar A menunjukkan ketika anoda D1 mendapat tegangan positif, Anoda D2 mendapat tegangan negatif.
A
Pada kedudukan ini hanya D1 saja yang konduksi atau terhubung singkat. Arus listrik mengalir dari titik tengah sekunder melalui beban, kemudian melalui D1 dan kembali ketitik tengah melalui lilitan atas sekunder. Dan hal ini D1 berfungsi seperti saklar atau switch yang menutup sehingga arus listrik mengalir melalui beban disaat periode positif dari gelombang sinus AC.
Gambar B menunjukkan apa yang terjadi selama setengah periode berikutnya ketika polaritas berganti.
B
Anoda D1 mengayun kearah negatif sementara anoda D2 mengayun kearah positif. Akibatnya D1 menyumbat, sebaliknya D2 konduksi atau terhubung singkat. Pada keadaan ini arus listrik mengalir dari titik
setengah sekunder melalui beban dan D2 kembali ketitik tengah setelah melalui lilitan bawah sekunder
Perhatikan bahwa dalam rangkaian penyearah gelombang arus listrik mengalir sepanjang satu periode. Sedangkan dalam rangkaian
penyearah setengah gelombang arus listrik hanya mengalir selama setengah periode saja.
Jadi penyearah gelombang penuh (fullwave rectifier) lebih baik dari penyearah setengah gelombang (halfwave rectifier).
Penyearah type jembatan (bridge rectifier)
Rangkaian dasar penyearah type jembatan seperti terlihat pada gambar.
Terdiri atas satu transformer dan 4(empat) dioda yang disusun
sedemikian rupa sehingga arus listrik hanya mengalir kesatu arah saja melalui beban. Sirkuit ini tidak memerlukan sekunder bersenter tapi sebagaimana pada rangkaian penyearah gelombang penuh. Bahkan transformator tidak diperlukan jika tegangan DC yang dibutuhkan relatif sama dengan tegangan jaringan PLN, misalnya. Artinya titik A dan B dapat dihubungkan langsung dengan jaringan yang tersedia di rumah.
Transformator digunakan bila tegangan DC yang dibutuhkan lebih kecil atau lebih besar dari tegangan jaringan. Selain itu adakalanya
transformator digunakan sebagai isolator antara tegangan jaringan dengan tegangan rangkaian.
Gambar A menunjukkan jalannya aliran arus listrik selama periode positif AC (sine wave). D1 dan D2 konduksi. Arus listrik mengalir dari ujung lilitan bawah sekunder melalui beban, D1, D2, dan kembali ke lilitan bawah sekunder.
A
Setengah periode berikut polaritas sinewave berganti seperti terlihat pada gambar B. Ujung lilitan atas sekunder sekarang menjadi negatif, ujung lilitan bawah menjadi positif.D3 dan D4 konduksi. Pada kedudukan ini arus listrik mengalir dari ujung lilitan atas sekunder melalui beban, D3, D4 dan kembali lilitan bawah sekunder. Dari gambar A dan B
nampak jelas arus listrik yang mengalir melalui beban selalu dalam arah yang sama.
B
Filtering (penghalusan).
Sebagaimana telah kita lihat pada bab sebelumnya bahwa arus listrik DC yang keluar dari dioda masih berupa deretan pulsa-pulsa. Tentu saja arus listrik DC semacam ini tidak cocok atau tidak dapat digunakan oleh perangkat elektronik apapun.
Untuk itu perlu dilakukan suatu cara filtering agar arus listrik Dc yang masih berupa deretan pulsa itu menjadi arus listrik DC yang halus/ rata.
Ada beberapa cara yang dapat dilakukan diantaranya dengan C filter, RC filter dan LC filter.
Pada bab berikut hanya akan dibahas C filter (basic). Sedangkan RC maupun LC filter merupakan pengembangan C filter yang fungsinya lebih menghaluskan tegangan output dioda.
Capacitor sebagai filter.
Filtering yang paling sederhana ialah dengan menggunakan capacitor yang dihubungkan seperti terlihat pada gambar. Tegangan input rata- rata (average) 115 volt. Tegangan puncak 162 volt. mari kita lihat apa yang terjadi ketika suatu capasitor ditambahkan pada output dioda.
Pada saat anoda D1 mendapat pulsa positip, D1 langsung konduksi dan capacitor mulai mengisi. Ketika capacitor telah mencapai tegangan puncak D1 menyumbat karena katodanya lebih positip daripada
anodanya. Capacitor harus membuang (discharge) muatannya melalui beban yang mempunyai resistan tertentu. Oleh karenanya waktu discharge capacitor lebih lama dibanding waktu yang dibutuhkan AC untuk melakukan satu periode (cycle). Akibatnya sebelum capacitor mencapai nol volt diisi kembali oleh pulsa berikutnya.
A B
C
Bagaimana bentuk tegangan DC setelah difilter dengan capacitor dapat dilihat pada gambar.
Gambar A menunjukkan output penyearah setengah gelombang tanpa capacitor. Tampak jelas tegangan rata-ratanya (Eave) hanya sekitar 31%
dari tegangan puncak.
Ketika suatu capacitor ditambahkan maka bentuk tegangan outputnya seperti terlihat pada gambar B. Di sini capacitor mencegah tegangan output mencapai nol volt. Sehingga tegangan output rata-ratanya naik dibanding sebelumnya (no capacitor).
Jika nilai capacitornya dibesarkan atau ditambah maka bentuk tegangan outputnya seperti terlihat pada gambar C. Tampak jelas tegangan rata- ratanya (Eave) meningkat dibandingkan sebelumnya (nilai capacitor yang lebih besar diperlukan bila arus listrik yang dibutuhkan beban relatif besar).
Tegangan rata-rata (Eave).
Jika kita mengatakan tegangan AC ini 115 V, sesungguhnya yang kita sebutkan adalah tegangan efektif (Erms). Sedangkan tegangan
puncaknya (Epeak adalah:
Epeak = Erms x 1,414
Epeak = 115 V x 1,414 = 162,6 V.
A B
Sedangkan tegangan rata-ratanya adalah 0 V karena positif dan negatif bergantian (alternate). Yang dibutuhkan rangkaian elektronika adalah tegangan rata-rata atau Eave. Untuk mendapatkan Eave maka salah satu gelombang AC (positif / negatif) harus di clip / dipotong (lihat gambar).
Eave = Epeak x 0,0318
Eave = 162,6 V x 0,318 = 51,7 V.
Output Eave pencatudaya setengah gelombang sukar difilter karena mengandung ripple 50Hz
Pada catudaya type jembatan (bridge rectifier) hubungan antara tegangan puncak Epeak dengan tegangan rata-rata Eave sebagai berikut:
Epeak = Erms x 1,414
Epeak = 115V x 1,414 = 162,6V.
Eave = Epeak x 0,636
Eave = 1,62,6V x 0,636 = 103,4V.
Dari perbandingan di atas tampak jelas bahwa output tegangan DC catudaya type jembatan lebih besar dari tipe setengah gelombang.
Walaupun ripple frekwensi catudaya jembatan 120Hz, secara teknis
mudah difilter atau disaring dibanding ripple frekwensi 60Hz dari pencatudaya tipe setengah gelombang.
