DIODA SEBAGAI PENYEARAH (E.1) I. TUJUAN Mempelajari sifat dan penggunaan dioda sebagai penyearah arus.

Transkripsi

1 DIODA SEBAGAI PENYEARAH (E.1) I. TUJUAN Mempelajari sifat dan penggunaan dioda sebagai penyearah arus. II. DASAR TEORI 2.1 Pengertian Dioda Dioda adalah komponen aktif bersaluran dua (dioda termionik mungkin memiliki saluran ketiga sebagai pemanas). Dioda mempunyai dua elektroda yang aktif dimana isyarat listrik dapat mengalir, dan kebanyakan dioda digunakan karena karakteristik satu arah yang dimilikinya. Sifat kesearahan yang dimiliki sebagian besar jenis dioda seringkali disebut karakteristik menyearahkan. Fungsi paling umum dari dioda adalah untuk memperbolehkan arus listrik mengalir dalam suatu arah dan untuk menahan arus dari arah sebaliknya. Karenanya, dioda dapat dianggap sebagai versi elektronik dari katup pada transmisi cairan. Dioda sebenarnya tidak menunjukkan kesearahan hidup-mati yang sempurna (benar-benar menghantar saat panjar maju dan menyumbat pada panjar mundur), tetapi mempunyai karakteristik listrik tegangan-arus taklinier kompleks yang bergantung pada teknologi yang digunakan dan kondisi penggunaan. Beberapa jenis dioda juga mempunyai fungsi yang tidak ditujukan untuk penggunaan penyearahan. 2.2 Rangkaian Penyearah Rangkaian penyearah gelombang merupakan rangkaian yang berfungsi untuk merubah arus bolak-balik (Alternating Current / AC) menjadi arus searah (Direct Current / DC). Komponen elektronika yang berfungsi sebagai penyearah adalah dioda, karena dioda memiliki sifat hanya memperbolehkan arus listrik melewatinya dalam satu arah saja Rangkaian Penyearah Setengah Gelombang Rangkaian Penyearah Setengah Gelombang Rangkaian penyearah setengah gelombang merupakan rangkaian penyearah sederhana yang hanya 1

2 dibangun menggunakan satu dioda saja, seperti diilustrasikan pada gambar berikut ini : Gambar 2.1 Rangkaian penyearah setengah gelombang Dari gambar 2.1 diatas merupakan contoh rangkaian dioda penyearah setengah gelombang. Sumber AC menghasilkan sebuah tegangan sinusoida. Diasumsikan dioda pada rangkaian di atas merupakan dioda yang ideal, putaran setengah positif sumber tegangan akan dioda bias maju. Sejak tombol ditutup, seperti yang ditunjukkan pada gambar 2.2a, sumber tegangan putaran setengah positif akan muncul melalui resistor beban. Pada putaran setengah negatif, dioda akan mengalami bias balik. Dalam hal ini dioda ideal akan kelihatan sebagai saklar terbuka, seperti ditunjukkan pada gambar 2.2b dan tidak ada tegangan yang muncul pada resistor beban. + AC _ + _ AC _ + _ + Gambar 2.2.a Gambar 2.2.b Bentuk Gelombang Ideal Penyearah Setengah Gelombang Gambar 2.3a menunjukkan perwakilan graphical bentuk gelombang tegangan masukan. Ia adalah sebuah gelombang sinus dengan nilai seketika V in dengan nilai puncak V p(in). Sebuah sinusoida murni seperti ini mempunyai nilai rata-rata nol di atas satu putaran sebab masing-masing tegangan pada saat yang sama mempunyai kesamaan dan ketidaksamaan tegangan setengah putaran. Jika tegangan diukur dengan sebuah multimeter DC, maka akan mendapatkan nol karena voltmeter DC menunjukkan nilai rata-rata. Dalam rectifier setengah gelombang pada gambar 2.3b, dioda berlaku sebagai penghantar selama putaran setengah positif, tetapi tidak berlaku sebagai penghantar selama putaran setengah negatif. Oleh karena itu rangkaian memotong putaran setengah negatif seperti yang ditunjukkan dalam gambar 2.3c. Bentuk gelombang tersebut seperti sebuah sinyal setengah 2

3 gelombang. Tegangan setengah gelombang menghasilkan arus beban yang satu arah. Hal ini berarti bahwa ia mengalir hanya pada satu arah. V o gambar 2.3c Gambar 2.3a gambar 2.3b Tegangan setengah gelombang seperti gambar 2.3c merupakan sebuah tegangan DC yang bergetar naik sampai maksimum dan menurun sampai nol selama putaran setengah negatif. Ini bukan merupakan jenis tegangan DC yang dibutuhkan oleh peralatan elektronik. Karena yang dibutuhkan merupakan sebuah tegagan konstan, sama seperti halnya yang terjadi pada sebuah baterai. Dioda ideal dapat digunakan untuk menganalisis rectifier setengah gelombang. Hal ini berguna untuk mengingat bahwa tegangan puncak saat keluar sama dengan tegangan saat masuk. Setengah gelombang ideal : V p(out) = V p(in) Drop Tegangan Untuk menentukan tegangan rata-rata DC yang melewati beban resistor, terlebih dahulu tegangan drop pada dioda harus dihitung. Untuk arus lebih besar tegangan yang drop arah maju dapat mencapai 1 volt. Gambar 2.4. Drop tegangan yang timbul pada dioda. Bila drop tegangan pada dioda diperhitungkan, tegangan puncak ke puncak yang melewati beban sedikit berkurang dibandingkan tegangan input Nilai Sinyal DC Setengah Gelombang 3

4 Nilai DC sebuah sinyal adalah sama dengan nilai rata-rata. Jika Anda mengukur sebuah sinyal dengan sebuah Voltmeter DC, yang terbaca akan sama dengan nilai rata-rata. Pada dasarnya nilai tertentu dari DC diperoleh dari setengah gelombang diperoleh. Formulanya adalah V dc 2.3 Penyearah Gelombang Penuh Dengan Ct Transformator Skema Rangkaian Gelombang Penuh Dengan Ct Transformator Gambar 2.5 Skema rangkaian gelombang penuh dengan CT Transformator Bentuk Gelombang Ideal Penyearah dengan CT Transformator Merupakan penyearah gelombang penuh yang menggunakan dua buah dioda yang dihubungkan ke transformator sekunder yg ditap tengahnya. Penyearah gelombang penuh equvalent dengan dua kali penyearah setengah gelombang. Sebab pusat tap, masing-masing rectifier mempunyai sebuah tegangan masukan yang equel dengan setengah tegangan sekunder. Dioda D1 menghantar keputaran setengah positif, dan dioda D2 menghantar ke putaran setengah negatif. Sebagai hasilnya arus beban penyearah mengalir selama setengah putaran bersama-sama. Penyearah gelombang penuh berbuat sama dengan dua kali bolak balik pada penyerah setengah gelombang. Rangkaian Penyearah CT Gambar 2.6 4

5 Harga tegangan dapat dihitung : Ueff = 0,707 x Um Udc = 0,636 x Um Harga arus dapat dihitung dengan rumus sebagai berikut : Dengan kata lain selama setengah siklus positif tegangan input dioda D1 di bias maju, sedangkan dioda D2 dibias mundur.selama setengah siklus negatif tengan input dioda D1 di bias mundur, sedangkan dioda D2 dibias maju DC atau Nilai Rata-Rata Karena sinyal gelombang penuh mempunyai dua kali seperti banyak putaran lingkaran positif seperti sinyal setengah gelombang DC atau nilai ratarata merupakan dua kali, diberikan oleh : V dc = 2V p / π Ketika 2/π = 0,636 V p maka persamaan menjadi V dc = 0,636 V p Bentuk ini dapat lihat bahwa DC atau nilai rata-rata sama dengan 63,6% dari nilai puncak. Oleh karena itu, jika tegangan puncak sinyal gelombang penuh adalahg 100% tegangan DC nya adalah 63,6 V. 2.4 Penyearah Gelombang Penuh Model Jembatan Skema Rangkaian Penyearah Gelombang Penuh Model Jembatan. Penyearah gelombang penuh model jembatan memerlukan empat buah diode. Dua diode akan berkondusi saat isyarat positif dan dua diode akan berkonduksi saat isyarat negatif. Untuk model penyearah jembatan ini kita tidak memerlukan transformator yang memiliki center-tap. Gambar 2.7 Skema rangkaian penyearah gelombang penuh model jembatan Gambar Bentuk Output Gelombang Seperti ditunjukkan pada gambar 2.4.1, bagian masukan AC dihubungkan pada sambungan D1-D2 dan yang lainnya pada D3-D4. 5

6 Katode D1 dan D3 dihubungkan degan keluaran positif dan anode D2 dan D4 dihubungkan dengan keluaran negatif (tanah). Misalkan masukan AC pada titik A berharga positif dan B berharga negatif, maka diode D1 akan berpanjar maju dan D2 akan berpanjar mundur. Pada sambungan bawah D4 berpanjar maju dan D3 berpanjar mundur. Pada keadaan ini elektron akan mengalir dari titik B melalui D4 ke beban, melalaui D1 dan kembali ke titik A. Pada setengah periode berikutnya titik A menjadi negatif dan titik B menjadi positif. Pada kondisi ini D2 dan D3 akan berpanjar maju sedangkan D1 dan D4 akan berpanjar mundur. Aliran arus dimulai dari titik A melalui D2, ke beban, melalui D3 dan kembali ke titik B. Perlu dicatat di sini bahwa apapun polaritas titik A atau B, arus yang mengalir ke beban tetap pada arah yang sama. Gambar 2.8 Bentuk Gelombang Tegangan Output 2.5 Filter Filter adalah suatu rangkaian yang dibuat dengan tujuan untuk memperbesar tegangan DC dan memperkecil tegangan rippple pada suatu rangkaian penyearah baik setengah gelombang maupun gelombang penuh. Adapun komponen elektronika yang sering digunakan sebagai rangkaian filter adalah kompponen Induktor (l) dan Kapasitor (C) Filter Dengan Menggunakan Komponen Induktor (l) 6

7 Gambar 2.9 : Skema rangkaian penyearah gel penuh dengan filter L Gambar 2.10 : Output gelombang penuh pembalik fasa dengan filter l Rumus Arus beban untuk filter (I) Filter Dengan Menggunakan Komponen Kapasitor (C) Sistem penyearah menghasilkan arus gelombang searah masih terdapat pulsa gelombang bolak balik Secara umum peralatan elektronik membutuhkan sumber arus searah (DC) yang halus atau lebih rata. Untuk menghilangkan sisa gelombang bolak balik tersebut sering digunakan kondensator elektrolit sebagai tapis perata (Filter) seperti pada gambar berikut : a. Filter Kapasitip Penambahan nilai kapasitor yang dipararel dengan beban akan memberikan efek peralatan pulsa DC yang lebih halus. Nilai kapasitor yang lebih besar akan menyimpan muatan pada saat pengisian. Kecepatan pengosongan muatan kapasitor tergantung dari besarnya konstanta waktu, yang dirumuskan dalam : T = RL x C 7

8 Gambar 2.11 rangkaian penyearah gelombang penuh dilengkapi filter kapasitor 2.12 Bentuk gelombang perataan dengan kapasitor b. Faktor Kerut (Ripple) Keluaran dari penyearah terdiri dari tegangan searah dan tegangan bolak balik atau ripple. Tegangan kerut berbanding langsung terhadap arus beban (RL). Faktor kerut didefinisikan : Dimana : Vr (rms) = harga tegangan kerut yang terukur oleh volt meter AC. Vdc = harga tegangan keluaran DC yang terukur oleh volt meter DC. 8

9 Gambar 2.13 bentuk gelombang dengan menggunakan filter dan tanpa filter untuk penyearah setengah gelombang dan gelombang penuh III. ALAT DAN BAHAN Rangkaian penyearah Osiloskop Voltmeter IV. PROSEDUR KERJA T P D1 D4 Q D2 D3 C R S Gambar percobaan A. Penyearah setengah gelombang 1. Penyearah setengah gelombang tanpa perantara dihubungkan dan amati bentuk gelombang pada Osiloskop. Ukur tegangan dengan Voltmeter. 2. Perata dihubungkan dan amati bentuk gelombang pada Osiloskop. Baca tinggi puncak(simpangan tertinggi) dan lembah gelombang(simpangan terendah) pada Osiloskop. Ukur tegangan dengan Voltmeter. 3. Tegangan bolak-balik diukur antara P dan Q, P dan R serta R dan Q. B. Penyearah satu gelombang 1. Penyearah satu gelombang tanpa perata dihubungkan dan amati bentuk gelombang pada Osiloskop. Bacalah tinggi puncak gelombang. Ukur tegangan dengan Voltmeter. 9

10 2. Kapasitor C dihubungkan dan amati bentuk gelombang pada Osiloskop. Baca tinggi puncak gelombang pada Osiloskop dan ukur tegangan dengan Voltmeter. Ukur tegangan bolak-balik antara P dan Q, P dan R serta R dan Q. V. TUGAS 1. Apa kegunaan rangkaian penyearah? Jawab: Rangkaian Penyearah berguna untuk mengubah arus bolak balik (AC) menjadi arus searah (DC) sehingga dalam rangkaian hanya mengalir satu arus saja. 2. Apakah peranan kapasitor pada penyearah termaksud? Jawab: Kapasitor dalam penyearah berfungsi untuk menyimpan tenaga listrik dalam waktu tertentu (sementara) tanpa disertai reaksi kimia. 3. Tunjukkan secara kualitatif cara kerja alat ini! Jawab: Osiloskop berguna untuk mengukur arus atau tegangan maksimum, arus atau tegangan efektif, arus atau tegangan rata-rata serta besar frekuensi gelombang yang dihasilkan oleh sumbernya. Untuk cara kerja alat ini adalah: 1. Hidupkan osiloskop dan masukkan tegangan yang diukur. 2. Skala pada tombol VOLTS/DIV menunjukkan nilai tegangan tiap cm secara vertikal dikalikan dengan kalibrasinya. Untuk mengamati bentuk gelombang dengan penyearah arus setengah gelombang, dapat dilakukan langkah berikut: a. Hubungkan penyearah setengah gelombang tanpa perata dan amati bentuk gelombang pada osiloskop b. Hubungkan perata dan amati bentuk gelombang pada osiloskop. Baca tinggi puncak (simpangan terendah) pada osiloskop. Ukur tegangan dengan voltmeter. Untuk mengamati bentuk gelombang dengan penyearah arus satu gelombang, dapat dilakukan langkah berikut: a. Hubungkan penyearah satu gelombang tanpa perata dan amati bentuk gelombang pada osiloskop. Bacalah tinggi puncak gelombang. Ukur tegangan dengan voltmeter. 10

11 b. Hubungkan kapasitor dan amati bentuk gelombang pada osiloskop. Baca tinggi puncak gelombang pada osiloskop dan ukur tegangan dengan voltmeter. VI. GRAFIK Terlampir VII. DATA PENGAMATAN Rangkaian AC = 11,8 Volt Rangkaian DC : A. Penyearah setengah gelombang Menggunakan Voltmeter Tanpa perata = 10,4 V Menggunakan perata = 5,2 V Menggunakan Osiloskop Tanpa perata = 14 V Menggunakan perata = 7 V B. Penyearah satu gelombang Menggunakan Voltmeter Tanpa perata = 9,56 V Menggunakan perata = 4,78 V Menggunakan Osiloskop Tanpa perata = 13 V Menggunakan perata = 6,5 V VIII. PERHITUNGAN DC atau Nilai Rata-Rata 1. Penyearah setengah gelombang Menggunakan voltmeter Menggunakan perata 11

12 V dc = π Vp = 5,2 3,14 = 1,656 V Tanpa perata V dc = π Vp = 10,4 = 3,312 V 3,14 Menggunakan osiloskop Menggunakan perata V dc = π Vp = 7 = 2,229 V 3,14 Tanpa perata V dc = π Vp = 10 = 3,184 V 3,14 2. Penyearah satu gelombang Menggunakan volmeter Menggunakan perata V dc = = 2Vp π 2.4,78 = 3,044 V 3,14 Tanpa perata V dc = = 2Vp π 2.9,56 = 6,089 V 3,14 Menggunakan osiloskop 12

13 Menggunakan perata V dc = = 2Vp π 2.6,5 = 4,140 V 3,14 Tanpa perata V dc = = 2Vp π 2.8 3,14 IX. PEMBAHASAN = 5,095 V Percobaan Dioda sebagai penyearah arus ini dilakukan bertujuan untuk mempelajari sifat dan penggunaan dioda sebagai penyearah arus. Dalam mempelajari sifat dan penggunaan dioda sebagai penyearah arus, diperlukan rangkaian searah, osiloskop, dan voltmeter. Rangkaian Penyearah berguna untuk mengubah arus bolak balik (AC) menjadi arus searah (DC) sehingga dalam rangkaian hanya mengalir satu arus saja. Dalam rangkaian penyearah terdapat kapasitor, dimana kapasitor dalam penyearah berfungsi untuk menyimpan tenaga listrik dalam waktu tertentu (sementara) tanpa disertai reaksi kimia. Percobaan ini dibagi menjadi dua, yaitu penyearah setengah gelombang dan penyearah satu gelombang. Percobaan Dioda sebagai penyearah arus ini dimulai dengan mengukur tegangan rangkaian AC. Tegangan dari rangkaian AC yang diperoleh sebesar 11,8 V. Selanjutnya mencari tegangan DC. Pada percobaan penyearah setengah gelombang, dibedakan menjadi dua bagaian yaitu menggunakan voltmeter dan osiloskop. Pada percobaan penyearah setengah gelombang menggunakan voltmeter, dibagi menjadi dua yaitu menggunakan perata dan tidak menggunakan perata. Pada percobaan penyearah setengah gelombang tanpa perata, penyearah setengah gelombang tanpa perata dihubungkan, kemudian diukur tegangannya dengan menggunakan voltmeter. Tegangan yang diperoleh pada percobaan penyearah setengah gelombang tanpa perata sebesar 10,4 V. Selanjutnya menggunakan percobaan penyearah setengah gelomban menggunakan perata, tegangan yang diperoleh dengan menggunakan voltmeter adalah 5,2 V. Kemudian percobaan penyearah setengah gelombang dengan menggunakan osiloskop. Pada percobaan ini, 13

14 rangkaian penyearah setengah gelombang dihubungkan, tegangan diukur menggunakan osiloskop. Tinggi puncak ( simpangan tertinggi) dan lembah gelombang (simpangan terendah) dicatat bentuknya. Percobaan dengan menggunakan osiloksop dibagi menjadi dua yaitu dengan menggunakan perata dan tanpa perata. Tegangan penyearah arus setengah gelombang tanpa perata dengan menggunakan osiloskop diperoleh sebesar 14 V. Sedangkan tegangan yang diperoleh dengan menggunakan perata sebesar 7 V. Percobaan kedua yaitu penyearah arus satu gelombang. Sama seperti percobaan penyearah setengah gelombang, percobaan penyearah satu gelombang dibedakan menjadi dua yaitu menggunakan voltmeter dan menggunakan osiloskop. Dengan menggunakan voltmeter dibagi menjadi dua yaitu menggunakan perata dan tanpa perata. Tegangan penyearah satu gelombang yang diperoleh tanpa perata dengan menggunakan voltmeter sebesar 4,78 V, sedangkan menggunakan perata diperoleh 9,56 V. Selanjutnya adalah mengukur tegangan penyearah satu gelombang menggunakan osiloskop. Tegangan yang diperoleh dengan tanpa perata sebesar 6,5 V, sedangkan tegangan yang diperoleh menggunakan perata sebesar 13 V. Setelah dilakukan percobaan penyearah arus baik setengah gelombang maupun satu gelombang dengan menggunakan voltmeter ataupun menggunakan osiloskop, selanjutnya dilakukan perhitungan. Perhitungan untuk menentukan tegangan, menggunakan rumus V dc = Vp dimana Vp adalah tegangan rangakaian AC yaitu 11,8 V. π Berdasarkan perhitungan yang ada tegangan penyearah arus setengah gelombang tanpa perata dengan menggunakan voltmeter diperoleh sebesar 3,312 V, sedangkan menggunakan perata diperoleh sebesar 1,656 V. Untuk tegangan penyearah arus setengah gelombang dengan menggunakan osiloskop tanpa perata diperoleh sebesar 3,184 V, dan tegangan menggunakan perata diperoleh sebesar 2,229 V. Sedangkan tegangan untuk penyearah satu gelombang menggunakan voltmeter tanpa perata diperoleh sebesar 6,089 V, dan tegangan menggunakan perata diperoleh sebesar 3,044 V. Tegangan penyearah satu gelombang tanpa perata yang diukur menggunakan osiloskop sebesar 5,095 V, sedangkan tegangan penyearah satu gelombang menggunakan perata diperoleh sebesar 4,140 V. Nilai tegangan penyearah satu gelombang maupun setengah gelombang dengan menggunakan perata dan tanpa perata memiliki perbedaan. Jika penyearah arus 14

15 menggunakan perata atau kapasitor maka arus yang mengalir ditahan atau disimpan, karena perata atau kapasitor dalam penyearah berfungsi untuk menyimpan tenaga listrik dalam waktu tertentu (sementara) tanpa disertai reaksi kimia, sedangkan jika penyearah arus tanpa perata atau kapasitor arus mengalir langsung. Semakin besar hambatan, arus yang mengalir semakin kecil, sehingga tegangan juga semakin kecil. Hal ini menunjukkan tegangan dengan menggunakan perata lebih kecil daripada tidak menggunakan perata. Berdasarkan literatur yang ada, tegangan yang diukur dengan menggunakan voltmeter dan osilokop memiliki nilai yang sama besar. Namun dalam pelaksanaannya, tegangan dengan menggunakan voltmeter berbeda dengan menggunakan osiloskop. Demikian pula tegangan yang diperoleh berdasarkan praktikum berbeda dengan tegangan yang diperoleh berdasarkan perhitungan. Hal ini disebabkan kemungkinan terjadinya kerusakan pada alat yaitu voltmeter atau osiloskop serta kurang telitinya praktikan dalam melakukan praktikum. X. KESIMPULAN Berdasarkan percobaan yang telah dilakukan, maka dapat disimpulkan : 1. Rangkaian Penyearah berguna untuk mengubah arus bolak balik (AC) menjadi arus searah (DC) sehingga dalam rangkaian hanya mengalir satu arus saja. 2. Dioda adalah jenis VACUUM tube yang memiliki dua buah elektroda. 3. Osiloskop berguna untuk mengukur arus atau tegangan maksimum, arus atau tegangan efektif, arus atau tegangan rata-rata serta besar frekuensi gelombang yang dihasilkan oleh sumbernya. 4. Kapasitor dalam penyearah arus berfungsi menyimpan tenaga listrik dalam waktu tertentu (sementara) tanpa disertai reaksi kimia. 5. Tegangan AC bersifat dinamik atau selalu berubah-ubah nilainya. 6. Tegangan dengan menggunakan perata lebih kecil daripada tidak menggunakan perata, karena arus yang mengalir ditahan atau disimpan, dimana perata atau kapasitor dalam penyearah berfungsi untuk menyimpan tenaga listrik dalam waktu tertentu (sementara) tanpa disertai reaksi kimia, sedangkan jika penyearah arus tanpa perata atau kapasitor arus mengalir langsung. 15

16 16