Rangkaian Dioda

4.1. Rangkaian Penyearah (Rectifier Circuit)
Sebagian besar rangkaian elektronika membutuhkan tegangan DC untuk dapat
bekerja dengan baik. Karena tegangan jala-jala adalah tegangan AC, maka yang harus
dilakukan terlebih dahulu dalam setiap peralatan elektronika adalah mengubah atau
menyearahkan (rectifying) tegangan AC ke DC.
Pada umumnya, tegangan AC didekati dengan sinyal gelombang sinus, seperti
tampak pada Gambar 4.1. Secara matematika, gelombang sinus dinyatakan oleh:
v = Vp sin (t+θ) (4.1)
dimana v = tegangan sesaat
Vp = tegangan puncak
θ = sudut dalam derajat atau radian
Gambar 4.1 Gelombang Sinus
Beberapa peralatan elektronika mengandung sebuah transformator seperti
tampak pada Gambar 4.2 untuk menaikkan atau menurunkan tegangan jala-jala.
Besarnya penaikkan atau penurunan tegangan sebanding dengan rasio jumlah lilitan
pada bagian primer dengan jumlah lilitan sekunder. Untuk memudahkan pemahaman
berikutnya, perbandingan ini tidak dibahas lebih lanjut. Sebagai gantinya, hanya
tegangan sekunder yang diberikan.
4
Modul 4. Rangkaian Dioda
Dasar Elektronika 30
Gambar 4.2 Transformator
4.2. Rangkaian Penyerarah Setengah Gelombang
Gambar 4.3 memperlihatkan rangkaian yang disebut penyearah setengah
gelombang (half wave rectifier). Pada setengah siklus tegangan sekunder yang positif,
dioda mengalami forward biased untuk setiap tegangan yang lebih dari 0.7 volt
(tegangan offset). Ini menghasilkan tegangan lintas tahanan beban (RL) yang
mendekati bentuk setengah gelombang sinus. Pada setengah siklus negatif, dioda
mengalami reverse biased, yang menyebabkan arus beban menjadi nol dan tegangan
beban jatuh menjadi nol.
Gambar 4.3 Rangkaian Penyerah Setengah Gelombang
Jika digunakan pendekatan dioda ideal, puncak tegangan yang disearahkan
sama dengan puncak tegangan sekunder, seperti ditunjukkan pada Gambar 4.4(a).
Sedangkan, jika digunakan pendekatan dioda offset, puncak tegangan yang
disearahkan memiliki tegangan puncak keluaran yang lebih rendah dari tegangan
puncak masukan, seperti tampak pada Gambar 4.4(b).
Modul 4. Rangkaian Dioda
Dasar Elektronika 31
(a)
(b)
Gambar 4.4 Tegangan Masukan dan Keluaran Penyerah Setengah Gelombang
(a) Pendekatan Dioda Ideal dan (b) Pendekatan Dioda Offset
4.3. Rangkaian Penyearah Gelombang Penuh dengan Center Tap Trafo
Nampak dari gambar diatas, bahwa penyearah setengah gelombang, belum
menghasilkan tegangan DC yang baik. Oleh karena itu, diupayakan cara-cara lain
untuk mendapatkan tegangan DC yang lebih baik.
Gambar 4.5 menunjukkan sebuah rangkaian penyearah gelombang penuh
dengan menggunakan Center Tap Trafo. Selama setengah siklus tegangan sekunder
yang positif, dioda yang atas mengalami forward biased dan dioda yang bawah
mengalami reverse biased. Sehingga, arus mengalir melalui dioda yang atas, ke
tahanan beban, dan setengah belitan yang atas. Sebaliknya, selama setengah siklus
tegangan sekunder yang negatif, arus akan mengalir melalui dioda yang bawah, ke
tahanan bebanl, dan setengah belitan yang bawah.
Modul 4. Rangkaian Dioda
Dasar Elektronika 32
Gambar 4.5 Rangkaian Penyearah Gelombang Penuh dengan Center Tap Trafo
Dalam kedua siklus diatas, tahanan beban mendapatkan polaritas yang sama,
tanpa memperhatikan dioda mana yang konduksi. Sehingga, tegangan keluaran pada
beban berbentuk sinyal gelombang penuh yang disearahkan seperti terlihat pada
Gambar 4.6.
(a)
(b) (c)
Gambar 4.6 Penyearah Gelombang Penuh Center Tap Trafo: (a) Proses Penyearahan
(b) Pendekatan Dioda Ideal dan (c) Pendekatan Dioda Offset
Modul 4. Rangkaian Dioda
Dasar Elektronika 33
4.4. Rangkaian Penyearah Gelombang Penuh dengan Dioda Jembatan
Pada saat ini, penyearah gelombang penuh dengan Center Tap Trafo, tidak
umum digunakan. Penyerah gelombang penuh yang paling terkenal ialah penyearah
jembatan (bridge rectifier). Gambar 4.7 menunjukkan rangkaian dan proses penyearah
jembatan. Selama setengah siklus tegangan sekunder yang positif, dioda kanan atas
dan dioda kiri bawah di-forward biased, sehingga tegangan beban mempunyai
polaritas yang searah. Selama setengah siklus negatif, dioda kiri atas dan dioda kanan
bawah yang forward biased, sehingga tahanan beban juga memiliki polaritas yang
sama dengan sebelumnya. Secara bentuk, tegangan masukan dan keluaran
penyearah gelombang penuh dengan menggunakan bridge dioda sama dengan
menggunakan center tap trafo.
Gambar 4.7 Rangkaian dan Proses Penyearah Gelombang Penuh dengan bridge
dioda
Modul 4. Rangkaian Dioda
Dasar Elektronika 34
4.5. Rangkaian Penyearah dengan Filter Kapasitor
Keluaran penyearah rata-rata adalah tegangan DC yang memiliki denyut
(ripple). Untuk mengubah denyut ini ke tegangan DC yang tetap, dibutuhkan sebuah
penapis (filter). Gambar 4.8 memperlihatkan rangkain penyearah setengah gelombang
dengan penapis menggunakan Kapasitor.
Gambar 4.8 Rangkain Penyearah Setengah Gelombang dengan Filter Kapasitor
Selama seperempat siklus pertama dari tegangan sumber, dioda di-forward
biased. Pada saat itu, dioda menghubungkan sumber langsung melintas kapasitor,
sehingga kapasitor diisi sampai tengangan puncak. Namun, setelah melewati puncak
positif, dioda berhenti konduksi. Pada keadaan ini, kapasitor membuang muatannya
melalui resistansi beban. Dengan rancangan yang baik, tetapan waktu pembuangan
(tRC) dapat dibuat jauh lebih besar daripada perioda T sinyal masuk. Oleh karena itu,
kapasitor hanya kehilangan sebagian besar kecil muatannya. Kemudian, pada saat
tegangan sumber mencapai puncaknya kembali, dioda menghantar sebentar dan
mengisi kapasitor kembali sampai tegangan puncaknya. Proses ini digambarkan pada
Gambar 4.9.
Modul 4. Rangkaian Dioda
Dasar Elektronika 35
(a)
(b)
Gambar 4.9 Penapisan sinyal DC menggunakan kapasitor (a) Proses dan
(b) Detail Hasil Pemfilteran
Modul 4. Rangkaian Dioda
Dasar Elektronika 36
Hal ini juga terjadi pada rangkaian penyearah gelombang penuh dengan dioda
bridge, sebagaimana tampak pada Gambar 4.10.
(a)
(b)
Gambar 4.10 Rangkaian Penyearah Dioda Bridge dengan penapis kapasitor
Proses pengisian dan pembuangan arus (charging and discharging) pada
rangkaian kapasitor diatas, sangat bergantung kepada harga-harga dari Resistor dan
Kapasitor. Tegangan pada kapasistor pada saat proses pengisian adalah sebagai
berikut:
( ) (1 t / RC )
C in V t = V − e− (4.2)
sedangkan persamaan arus untuk proses pembuangan adalah sebagai berikut:
t RC
C inV (t) = V e− / (4.3)
dimana konstantat waktu peluruhan, biasa dikenal dengan istilah konstanta waktu τ ,
dimana:
τ = RC (4.4)
Modul 4. Rangkaian Dioda
Dasar Elektronika 37
Beberapa pasangan harga R dan C serta tegangan DC keluaran tampak pada
Gambar 4.11 di bawah ini.
Gambar 4.11 Keluaran Tegangan DC