Dioda Sebagai Penyearah

 Penerapan dioda semikonduktor dalam bidang elektronika sangatlah luas.  Hal ini karena sifat dioda yang sangat mendasar yaitu hanya dapat melewatkan arus dalam satu arah saja. Rangkaian penyearah merupakan penerapan dioda yang sangat penting untuk dibahas lebih dahulu.  Sesuai dengan bentuk gelombang outputnya, maka penyearah terdapat dua macam yaitu setengah gelombang dan gelombang penuh.

Penyearah setengah gelombang

Penerapan dioda yang paling banyak dijumpai adalah sebagai penyearah.  Penyearah  berarti mengubah arus bolak-balik (ac) menjadi arus searah (dc).  Sebagian besar peralatan elektronik membutuhkan sumber daya yang berupa arus searah.  Untuk kebutuhan daya dan tegangan yang kecil biasanya cukup digunakan baterai atau accu, namun untuk lebih dari itu diperlukan power supply yang berupa penyearah.

Penyearah yang paling sederhana adalah penyearah setengah gelombang, yaitu yang terdiri dari sebuah dioda.  Melihat dari namanya, maka hanya setengah gelombang saja yang akan disearahkan.  Gambar 2.1 menunjukkan rangkaian penyearah setengah gelombang.

Rangkaian penyearah setengah gelombang mendapat masukan dari skunder trafo yang berupa sinyal ac berbentuk sinus, vi = Vm Sin ωt (gambar 1 (b)).  Dari persamaan tersebut, Vm merupakan tegangan puncak atau tegangan maksimum.  Harga Vm ini hanya bisa diukur dengan CRO yakni dengan melihat langsung pada gelombangnya.  Sedangkan pada umumnya harga yang tercantum pada skunder trafo adalah tegangan efektif.  Hubungan antara tegangan puncap Vm dengan tegangan efektif (Veff) atau tegangan rms (Vrms) adalah: 

Tegangan (arus) efektif atau rms (root-mean-square) adalah tegangan (arus) yang terukur oleh voltmeter (amper-meter).  Karena harga Vm pada umumnya jauh lebih besar dari pada Vγ (tegangan cut-in dioda), maka pada pembahasan penyearah ini Vγ diabaikan.

Prinsip kerja penyearah setengah gelombang adalah bahwa pada saat sinyal input berupa siklus positip maka dioda mendapat bias maju sehingga arus (i) mengalir ke beban (RL), dan sebaliknya bila sinyal input berupa siklus negatip maka dioda mendapat bias mundur sehingga tidak mengalir arus. Bentuk gelombang tegangan input (vi) ditunjukkan pada (b) dan arus beban (i) pada (c) dari gambar 1. 

gambar 1  Penyearah setengah gelombang
(a) rangkaian (b) tegangan sekunder trafo (c) arus beban

Resistansi dioda pada saat ON (mendapat bias maju) adalah R  yang umumnya nilainya lebih kecil dari RLf. Pada saat dioda OFF (mendapat bias mundur) resistansinya besar sekali atau dalam pembahasan ini dianggap tidak terhigga, sehingga arus dioda tidak mengalir atau i = 0.

Arus yang mengalir ke beban (i) terlihat pada gambar (c) bentuknya sudah searah (satu arah) yaitu positip semua.  Apabila arah dioda dibalik, maka arus yang mengalir adalah negatip. Frekuensi sinyal keluaran dari penyearah setengah gelombang ini adalah sama dengan frekuensi input (dari jala-jala listrik) yaitu 50 Hz.  Karena jarak dari puncak satu ke puncak berikutnya adalah sama.

 Arus dioda yang mengalir melalui beban RL (i) dinyatakan dengan:

Bila diperhatikan meskipun sinyal keluaran masih berbentuk gelombang, namun arah gelombangnya adalah sama, yaitu positip (gambar c).  Berarti harga rata-ratanya tidak lagi nol seperti halnya arus bolak-balik, namun ada suatu harga tertentu.  Arus rata-rata ini (Idc) secara matematis bisa dinyatakan:

Untuk penyearah setengah gelombang diperoleh:

 

Tegangan keluaran dc yang berupa turun tegangan dc pada beban adalah:

Apabila harga Rf jauh lebih kecil dari RL, yang berarti Rf bisa diabaikan, maka:   Vm = Im.RL  

 

Apabila penyearah bekerja pada tegangan Vm yang kecil, untuk memperoleh hasil yang lebih teliti, maka tegangan cut-in dioda (Vγ) perlu dipertimbangkan, yaitu:

 Dalam perencanaan rangkaian penyearah yang juga penting untuk diketahui adalah berapa tegangan maksimum yang boleh diberikan pada dioda. Tegangan maksimum yang harus ditahan oleh dioda ini sering disebut dengan istilah PIV (peak-inverse voltage) atau tegangan puncak balik.  Hal ini karena pada saat dioda mendapat bias mundur (balik) maka tidak arus yang mengalir dan semua tegangan dari skunder trafo berada pada dioda.  Bentuk gelombang dari sinyal pada dioda dapat dilihat pada gambar 2  PIV untuk penyearah setengah gelombang ini adalah:

gambar 2 Bentuk gelombang sinyal pada dioda

 Bentuk gelombang sinyal pada dioda seperti gambar 2 dengan anggapan bahwa Rf dioda diabaikan, karena nilainya kecil sekali dibanding RL.  Sehingga pada saat siklus positip dimana dioda sedang ON (mendapat bias maju), terlihat turun tegangannya adalah nol.  Sedangkan saat siklus negatip, dioda sedang OFF (mendapat bias mundur) sehingga tegangan puncak dari skunder trafo (Vm) semuanya berada pada dioda.

Penyearah gelombang penuh

Rangkaian penyearah gelombang penuh ada dua macam, yaitu dengan menggunakan  trafo CT (center-tap = tap tengah) dan dengan sistem jembatan.  Gambar 3 menunjukkan rangkaian penyearah gelombang penuh dengan menggunakan trafo CT.

gambar 3 (a) rangkaian penyearah gelombang penuh dengan trafi CT (b) sinyal input (c) arus dioda dan arus berbeban

  Terminal skunder dari Trafo CT mengeluarkan dua buah tegangan keluaran yang sama tetapi fasanya berlawanan dengan titik CT sebagai titik tengahnya.  Kedua keluaran ini masing-masing dihubungkan ke D1 dan D2, sehingga saat D1 mendapat sinyal siklus positip maka D1 mendapat sinyal siklus negatip, dan sebaliknya.  Dengan demikian D1 dan D2 hidupnya bergantian.  Namun karena arus i1 dan i2 melewati tahanan beban (RL) dengan arah yang sama, maka iL menjadi satu arah (gambar 2.3 c).

Terlihat dengan jelas bahwa rangkaian penyearah gelombang penuh ini merupakan gabungan dua buah penyearah setengah gelombang yang hidupnya bergantian setiap setengah siklus.  Sehingga arus maupun tegangan rata-ratanya adalah dua kali dari penyearah setengah gelombang.  Dengan cara penurunan yang sama, maka diperoleh:

 Apabila penyearah bekerja pada tegangan Vm yang kecil, untuk memperoleh hasil yang lebih teliti, maka tegangan cut-in dioda (Vγ) perlu dipertimbangkan, yaitu:

 Tegangan puncak inverse yang dirasakan oleh dioda adalah sebesar 2Vm.  Misalnya 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 skunder trafo.  Sehingga PIV untuk masing-masing dioda dalam rangkaian penyearah dengan trafo CT adalah:

Penyearah gelombang penuh sistem jembatan (Bridge Rectifier)
 Penyearah gelombang penuh dengan sistem jembatan ini bisa menggunakan sembarang trafo baik yang CT maupun yang biasa, atau bahkan bisa juga tanpa menggunakan trafo. rangkaian dasarnya adalah seperti pada
gambar 4.

Prinsip kerja rangkaian penyearah gelombang penuh sistem jembatan dapat dijelaskan melalui gambar 4.  Pada saat rangkaian jembatan mendapatkan bagian positip dari siklus sinyal ac, maka (gambar 4 b):

- D1 dan D3 hidup (ON), karena mendapat bias maju

- D2 dan D4 mati (OFF), karena mendapat bias mundur

Sehingga arus iI  mengalir melalui D1, RL, dan D3. Sedangkan apabila jembatan memperoleh bagian siklus negatip, maka (gambar 4 c):   

 - D2 dan D4 hidup (ON), karena mendapat bias maju    

- D1 dan D3 mati (OFF), karena mendapat bias mundur  

Sehingga arus i mengalir melalui D2, RL, dan D4.  

Arah arus i1 dan i2 yang melewati RL sebagaimana terlihat pada gambar 4 b dan c 2 adalah sama, yaitu dari ujung atas RL menuju ground.  Dengan demikian arus yang mengalir ke beban (iL) merupakan penjumlahan dari dua arus i1 dan i2, dengan menempati paruh waktu masing-masing (gambar 4 d).

Besarnya arus rata-rata pada beban adalah sama seperti penyearah gelombang penuh dengan trafo CT, yaitu: Idc = 2Im/π = 0.636 Im (persamaan 2.8).  Untuk harga Vdc dengan memperhitungkan harga Vγ adalah:
 

Gambar 4 Penyearah gelombang penuh dengan jembatan (a) rangkaian dasar
(b) saat siklus positip;(c) saat siklus negatip; (d) arus beban

Harga 2Vγ ini diperoleh karena pada setiap siklus terdapat dua buah dioda yang berhubungan secara seri.  Disamping harga 2Vγ ini, perbedaan lainnya dibanding dengan trafo CT adalah harga PIV.  Pada penyearah gelombang penuh dengan sistem jembatan ini PIV masing-masing dioda adalah:

 Sumber Pustaka

Boylestad and Nashelsky. (1992). Electronic Devices and Circuit Theory, 5th ed. Engelwood
         Cliffs, NJ: Prentice-Hall, Inc.

Floyd, T. (1991). Electric Circuits Fundamentals. New York: Merrill Publishing Co.

Malvino, A.P. (1993). Electronic Principles 5th Edition. Singapore: McGraw-Hill, Inc.

Milman & Halkias. (1972). Integrated Electronics: Analog and Digital Circuits and Systems.
        Tokyo: McGraw-Hill, Inc.

Savant, Roden, and Carpenter. (1987). Electronic Circuit Design: An Engineering Approach.
        Menlo Park, CA: The Benjamin/Cummings Publishing Company, Inc.

Stephen, F. (1990). Integrated devices: discrete and integrated. Englewood Cliffs, NJ: Pren-
        tice-Hall, Inc.