RANGKAIAN PENYEARAH 2.1 Teori Objek 2.1.1 Dioda Sebagai Penyearah Dioda merupakan komponen elektronika yang hanya mengalirkan arus listrik mengalir dalam satu arah sehingga dioda biasa disebut juga sebagai Penyearah. Dioda terbuat dari bahan semikonduktor jenis silicon dan germanium. Simbol dioda dalam rangkaian elektronika diperlihatkan pada gambar berikut :

Gambar 1. Gambar dan simbol dioda

Dioda terbuat dari penggabungan dua tipe semikonduktor yaitu tipe P (Positive) dan tipe N (Negative), kaki dioda yang terhubung pada semikonduktor tipe P dinamakan Anode sedangkan yang terhubung pada semikonduktor tipe N disebut Katode.

Gambar 2.Anoda dan katoda pada dioda

Pada bentuk aslinya pada dioda terdapat tanda cincin yang melingkar pada salah satu sisinya, ini digunakan untuk menandakan bahwa pada sisi yang terdapat cincin tersebut merupakan kaki katoda.

Gambar 3. Kaki katoda

a. Forward Biased

Dioda disebut forward biased apabila anoda dihubungkan pada positif baterai dan katoda pad kutub negatif baterai, arus akan mengalir dari anoda ke katoda. Contoh pada rangkaian :

Gambar 4. Forward biased

Pada gambar diatas lampu dapat menyala ini dikarenakan arus listrik dapat mengalir tanpa hambatan apapun pada dioda. b. Reverse Biased Jika dioda dihubungkan pada kutub positif baterai dan anoda pada kutub negatif baterai, arus akan mengalir dari anoda ke katoda. Contoh pada rangkaian :

Gambar 5.Reverse biased

Pada gambar diatas sumber tegangan dibalik polaritas-nya sehingga arus listrik akan mengalir melalui katoda dioda, tetapi hal ini menyebabkan dioda dalam keadaan reverse-biased sehingga arus listrik tidak dapat mengalir melewati dioda dan menyebabkan lampu padam.

Jenis jenis Dioda : 1. Light Emmiting Dioda Lebih dikenal dengan sebutan LED (light-emitting diode) adalah suatu semikonduktor yang memancarkan cahaya monokromatik yang tidak koheren ketika diberi tegangan maju. Gejala ini termasuk bentuk elektroluminesensi.Warna yang dihasilkan bergantung pada bahan semikonduktor yang dipakai, dan bisa juga dekat ultraviolet, tampak, atau inframerah.

Gambar 6. LED dan simbol

2. Dioda foto Adalah jenis dioda yang berfungsi mendeteksi cahaya. Berbeda dengan dioda biasa, komponen elektronika ini akan mengubah cahaya menjadi arus listrik. Cahaya yang dapat dideteksi oleh dioda foto ini mulai dari cahaya infra merah, cahaya tampak, ultra ungu sampai dengan sinar-X. Aplikasi dioda foto mulai dari penghitung kendaraan di jalan umum secara otomatis, pengukur cahaya pada Alat kamera yang serta beberapa Dioda peralatan foto di adalah bidang Transistor medis. foto mirip dengan

(Phototransistor).Transistor foto ini pada dasarnya adalah jenis transistor bipolar yang menggunakan kontak (junction) base-collector untuk menerima cahaya.Komponen ini mempunyai sensitivitas yang lebih baik jika dibandingkan dengan Dioda Foto.Hal ini disebabkan karena elektron yang ditimbulkan oleh foton cahaya pada junction ini di-injeksikan di bagian Base dan diperkuat di bagian Kolektornya. Namun demikian, waktu respons dari Transistor-foto secara umum akan lebih lambat dari pada Dioda-Foto.

Gambar 7. Photodioda dan simbol

3. Dioda laser Adalah sejenis laser di mana media aktifnya sebuah semikonduktor persimpangan p-n yang mirip dengan yang terdapat pada dioda pemancar cahaya. Dioda laser kadang juga disingkat LD atau ILD. Dioda laser baru ditemukan pada akhir abad ini oleh ilmuwan Universitas Harvard. Prinsip kerja dioda ini sama seperti dioda lainnya yaitu melalui sirkuit dari rangkaian elektronika, yang terdiri dari jenis p dan n. Pada kedua jenis ini sering dihasilkan 2 tegangan, yaitu: 1. ( + ). 2. backforward biased, ini merupakan tegangan berbalik yang dapat merusak suatu komponen elektronika. 4. Dioda Zener Sebuah dioda biasanya dianggap sebagai alat yang menyalurkan listrik ke satu arah, namun Dioda Zener dibuat sedemikian rupa sehingga arus dapat mengalir ke arah yang berlawanan jika tegangan yang diberikan melampaui batas tegangan rusak (breakdown voltage) atau tegangan Zener. Dioda yang biasa tidak akan mengijinkan arus listrik untuk mengalir secara berlawanan jika dicatu-balik (reverse-biased) di bawah tegangan rusaknya. Jika melampaui batas tegangan rusaknya, dioda biasa akan menjadi rusak karena kelebihan arus listrik yang menyebabkan panas. Namun proses ini adalah reversibel jika dilakukan dalam batas kemampuan. Dalam kasus pencatuan-maju (sesuai dengan arah gambar panah), dioda ini akan memberikan tegangan jatuh (drop voltage) sekitar 0.6 Volt yang biasa untuk dioda silikon. Tegangan jatuh ini tergantung dari jenis dioda yang dipakai. Sebuah dioda Zener memiliki sifat yang hampir sama dengan dioda biasa, kecuali bahwa alat ini sengaja dibuat dengan tengangan rusak yang jauh dikurangi, disebut tegangan Zener. Sebuah dioda Zener memiliki p-n junction yang memiliki doping berat, yang memungkinkan elektron untuk tembus (tunnel) dari pita valensi material tipe-p ke dalam pita konduksi material tipebiased forward, arus dihasilkan searah

dengan nilai 0,707 utk pembagian v puncak, bentuk gelombang di atas

n. Sebuah dioda zener yang dicatu-balik akan menunjukan perilaku rusak yang terkontrol dan akan melewatkan arus listrik untuk menjaga tegangan jatuh supaya tetap pada tegangan zener. Sebagai contoh, sebuah diode zener 3.2 Volt akan menunjukan tegangan jatuh pada 3.2 Volt jika diberi catu-balik. Namun, karena arusnya tidak terbatasi,sehingga diode zener biasanya digunakan untuk membangkitkan tegangan referensi, atau untuk menstabilisasi tegangan Toleransi adalah untuk aplikasi aplikasi aru skecil. Tegangan rusaknya dapat dikontrol secara tepat dalam proses doping. dalam 0.05% bias dicapai walaupun toleransi yang paling biasa 5% dan 10%.

Efek ini ditemukan oleh seorang fisikawan Amerika, Clarence Melvin Zener. Mekanisme lainnya yang menghasilkan efek yang sama adalah efek avalanche, seperti di dalam dioda avalanche. Kedua tipe dioda ini sebenarnya dibentuk melalui proses yang sama dan kedua efek sebenarnya terjadi di kedua tipe dioda ini. Dalam dioda silikon, sampai dengan 5.6 Volt, efek zener adalah efek utama dan efek ini menunjukan koefisiensi temperatur yang negatif.Di atas 5.6 Volt, efek avalanche menjadi efek utama dan juga menunjukan sifat koefisien temperatur positif. Dalam dioda zener 5.6 Volt, kedua efek tersebut muncul bersamaan dan kedua koefisien temperatur membatalkan satu sama lainnya. Sehingga, dioda 5.6 Volt menjadi pilihan utama di aplikasi temperatur yang sensitif. Teknik-teknik manufaktur yang modern telah memungkinkan untuk membuat dioda-dioda yang memiliki tegangan jauh lebih rendah dari 5.6 Volt dengan koefisien temperatur yang sangat kecil. Namun dengan munculnya pemakai tegangan tinggi, koefisien temperatur muncul dengan singkat pula. Sebuah dioda untuk 75 Volt memiliki koefisien panas yang 10 kali lipatnya koefisien sebuah dioda 12 Volt. Semua dioda di atas, tidak perduli berapapun tenganan rusaknya, biasanya dijual dinamakan dioda Zener.

Gambar 8. Dioda Zener dan simbol

5. Dioda SCR Singkatan dari Silicon Control Rectifier.Adalah Dioda yang mempunyai fungsi sebagai pengendali.SCR atau Tyristor masih termasuk keluarga semikonduktor dengan karateristik yang serupa dengan tabung thiratron. Sebagai pengendalinya adalah gate (G). SCR sering disebut Therystor.SCR sebetulnya dari bahan campuran P dan N. Isi SCR terdiri dari PNPN (Positif Negatif Positif Negatif) dan biasanya disebut PNPN Trioda. KegunaanSCR: Sebagai rangkaian Saklar (switch control) Sebagai rangkaian pengendali (remote control) Dioda adalah bentuk sederhana dari semikonduktor.Semikonduktor digunakan untuk mengendalikan arah elektron.Dioda mempunyai dua buah terminal yaitu Anoda dan Katoda.Resistansi untuk arah arus dari Anoda ke Katoda sangat kecil, sedangkan untuk arah arus dari Katoda ke Anoda sangat besar.Sehingga diode dapat digunakan sebagaikatup electron searah.Elektron dapat melewati diode pada satu arah (Anoda ke Katoda) tetapi tidak pada arah sebaliknya.

Gambar 9. Tanda strip pada badan Dioda menandakan kaki Katoda.

Jenis-jenis dioda dan penggunaanya antara lain:

Zener : Sebagai

pembatas dan penentu tegangan. Kamu bisa membuat regulator tegangan yang mudah dan murah dengan menggunakan dioda zener.

Light

Emiting

Diode

(LED) : Saat dialiri arus, semua semikonduktor memancarkan sinar infra merah. LED menghasilkan sinar yang dapat dilihat.

Silicon

Controlled

Rectifier

(SCR): SCR merupakan saklar elektronik yang bisa mengendalikan arus AC atau DC. SCR biasanya dijumpai pada rangkaian dimmer lampu.

Rectifier: Rectifier berfungsi sebagai

penyearah Arus ( AC ke DC ). Biasanya Rectifier lebih dikenal sebagai Dioda karena penyearah arus ialah fungsi dasar dari dioda, tetapi lebih spesifik lagi merupakan fungsi dari rectifier.

Bridge Rectifier : Terdiri dari empat buah

rectifier yang berhubungan satu sama lain ( membentuk formasi kotak ). Bridge rectifier menyearahkan arus ( AC ke DC ) dengan lebih efisien. Lihat gambar 2!

Gambar 10.Dioda menyearahkan arus AC ke DC.

Tidak seperti resistor dan kapasitor, dioda tidak mempunyai nilai yang spesifik ( kecuali zener ). Tetapi bukan berarti semua dioda sama. Dioda di nilai dengan dua kriteria yaitu:

Peak Inverse Voltage ( PIV ) rating. Menunjukkan

tegangan kerja maksimum dari dioda tersebut, contohnya jika nilai dari suatu dioda 100V, dioda tersebut tidak bisa digunakan pada tegangan kerja yang lebih dari 100V.

Current rating. Menunjukkan arus maksimum yang dapat

melewati suatu dioda. Dioda diidentifikasikan dengan sistem penomoran standard industri. Contohnya dioda rectifier 1N4001 mempunyai nilai 1.0 PIV 50 volt. 1N4002 mempunyai nilai 100 volt, 1N4003 mempunyai nilai 200 volt dan seterusnya. Informasi tentang PIV sebuah dioda bisa kamu lihat di datasheetnya.

Gambar 11. Dioda dalam rangkaian Listrik

Aplikasi Dioda Dioda banyak diaplikasikan pada rangkaian penyearah arus (rectifier) power supply atau converter AC ke DC. Dipasar banyak ditemukan dioda seperti 1N4001, 1N4007 dan lain-lain.Masing-masing tipe berbeda tergantung dari arus maksimum dan juga tegangan breakdown-nya.Zener banyak digunakan untuk aplikasi regulator tegangan (voltage regulator).Zener yang ada dipasaran tentu saja banyak jenisnya tergantung dari tegangan breakdown-nya. 2.1.2 Kapasitor

Kapasitor adalah komponen elektronika yang memiliki kemampuan untuk menyimpan elektron elektron atau tenaga listrik selama waktu yang tidak tertentu.

Gambar 12. Gambar dan simbol kapasitor

Struktur sebuah kapasitor terbuat dari 2 buah plat metal yang dipisahkan oleh suatu bahan dielektrik. Bahan-bahan dielektrik yang umum dikenal misalnya udara vakum, keramik, gelas dan lain-lain. Jika kedua ujung plat metal diberi tegangan listrik, maka muatan-muatan positif akan mengumpul pada salah satu kaki (elektroda) metalnya dan pada saat yang sama muatan-muatan negatif terkumpul pada ujung metal yang satu lagi. Muatan positif tidak dapat mengalir menuju ujung kutup negatif dan sebaliknya muatan negatif tidak bisa menuju ke ujung kutup positif, karena terpisah oleh bahan dielektrik yang nonkonduktif.Muatan elektrik ini "tersimpan" selama tidak ada konduksi pada ujung-ujung kakinya.Di alam bebas fenomena kapasitor ini terjadi pada saat terkumpulnya muatan-muatan positif dan negatif di awan.

Gambar 13. Prinsip dasar kapasitor

Jenis jenis kapasitor :1.

Kapasitor Electrostatic

Merupakan kapasitor yang dibuat dengan bahan dielektrik keramik, film dan mika.Keramik dan mika adalah bahan yang populer dan murah untuk membuat kapasitor yang kapasitansinya kecil. Tersedia dari besaran pF sampai beberapa F, yang biasanya untuk aplikasi rangkaian yang berkenaan dengan frekuensi tinggi

Gambar 14. Kapasitor electrostatic2.

Kapasitor Elektrolytic

Merupakan kapasitor yang bahan dielektriknya adalah lapisan metal oksida.Umumnya kapasitor yang termasuk kelompok ini adalah kapasitor dengan tanda + dan di badannya. Kapasitor ini dapat memiliki polaritas karena proses pembuatannya menggunakan elektrolisa sehingga terbentuk kutub positif anoda dan kutub negatif katoda.

Gambar 15.Kapasitor elektrolytic3.

Kapasitor Electrochemical

Merupakan kapasitor yang sangat baik, karena memiliki kapasitansi yang besar dan arus bocor (leakage current) yang sangat kecil.Yang termasuk kapasitor jenis ini adalah accu dan baterai.

Gambar 16. Accu dan baterai

2.1.3 Rangkaian Penyearah Sebagian besar rangkaian elektronika membutuhkan tegangan DC untuk dapat bekerja dengan baik, maka yang harus dilakukan terlebih dahulu dalam setiap peralatan elektronika adalah mengubah atau menyearahkan (rectifying) tegangan AC ke DC. Pada rangkaian penyearah yang hanya menggunakan dioda masih memiliki sinyal AC sehingga belum searah seperti halnya tegangan DC pada baterai. Sinyal AC yang tidak diinginkan ini dinamakan ripple. Faktor ripple adalah

besarnya persentase perbandingan antara tegangan ripple dengan tegangan DC yang dihasilkan.

r=Keterangan : r : Faktor ripple ( % ) Vr : Tegangan ripple (Volt) VDC : Tegangan rata rata DC (Volt)

100%

Untuk memperkecil nilai ripple dapat digunakan filter kapasitor. Semakin besar nilai kapasitor, maka nilai tegangan rippleakan semakin kecil. Jenis jenis rangkaian penyearah : 1. Rangkaian penyearah setengah gelombang

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 hambatan beban (RL) yang mendekati bentuk setengah gelombang sinus.

Gambar 16. Setengah siklus positif

Pada setengah siklus negatif, dioda mengalami reverse biased, yang menyebabkan arus beban menjadi nol dan tegangan beban jatuh menjadi nol.

Gambar 17. Setengah siklus negatif

Nilai tegangan puncak input transformator : VRMS = Tegangan rata rata DC pada penyearah setengah gelombang : VDC = Frekuensi output :

fout = fin2. Rangkaian penyearah gelombang penuh

Penyearah setengah gelombang, belum menghasilkan tegangan DC yang baik.Oleh karena itu, diupayakan cara-cara lain untuk mendapatkan tegangan DC yang lebih baik. 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 hambatan beban dan setengah belitan. Sebaliknya selama setengah siklus tegangan sekunder yang negatif, arus akan mengalir melalui dioda yang bawah ke hambatan beban dan setengah belitan yang bawah.

Gambar 18. Penyearah gelombang penuh

Dalam kedua siklus diatas, hambatan beban mendapatkan polaritas yang sama, sehingga tegangan keluaran pada beban berbentuk sinyal gelombang penuh yang disearahkan seperti terlihat pada Gambar 2.11 berikut :

Gambar 19. Penyearah gelombang penuh

Tegangan rata rata DC pada penyearah gelombang penuh : VDC Frekuensi output :

fout = fin3. Penyearah gelombang penuh dengan sistem jembatan Pada rangkaian ini memerlukan 4 buah dioda yang dipasang dengan konfigurasi jembatan.

Gambar 20. Penyearah gelombang penuh sistem jembatan

a.

Setengah siklus positif

Selama setengah siklus tegangan sekunder yang positif, dioda kanan atas dan dioda kiri bawah di-forward biased, sehingga tegangan beban mempunyai polaritas yang searah

.Gambar 21. Rangkaian setengah siklus positif

Pada gambar di atas, D1 dan D2 forward biased, sedangkan D3 dan D4 reverse biased.

b.

Setengah siklus negatif

Selama setengah siklus negatif, dioda kiri atas dan dioda kanan bawah yang forward biased, sehingga tahanan beban juga memiliki polaritas yang sama dengan sebelumnya.

Gambar 22. Rangkaian setengah siklus negatif

Pada gambar diatas, D3 dan D4 forward biased, sedangkan D1 dan D2 reverse biased. 4. Rangkaian penyerarah dengan filter kapasitor

Keluaran penyearah rata-rata adalah tegangan DC yang memiliki ripple. Untuk mengubah ripple ini ke tegangan DC yang tetap, dibutuhkan sebuah filter menggunakan kapasitor seperti pada gambar :

Gambar 23.Penyearah dengan filter kapasitor

Proses pengisian dan pengosongan arus (charging and discharging) pada rangkaian kapasitor, sangat bergantung kepada harga-harga dari resistor dan kapasitor. Tegangan pada kapasitor pada saat proses pegisian adalah : Vc (t) = Vin ( 1 e-t/RC ) sedangkan persamaan arus untuk proses pembuangan adalah sebagai berikut : Vc (t) = Vin e-t/RC dimana konstanta waktu peluruhan, biasa dikenal dengan istilah konstanta waktu t, yaitu : t = RC 2.1.4 Hukum Ohm

Hukum Ohm dicetuskan oleh George Simon Ohm, seorang fisikawan dari Jerman pada tahun 1825 dan dipublikasikan pada sebuah paper yang berjudul Galvanic Circuit Investigated Mathematically pada tahun 1827.

Gambar 24. Rangkaian percobaan hokum Ohm

Hukum Ohm menyatakan perbandingan laju arus dengan tegangan yang diberikan pada suatu rangkaian. Pada rangkaian penyearah diperoleh turunan rumus sebagai berikut : V VDC Vrms VDC =I.R = Vrms . 2 = VP 2

= VP/

= 0.318 VP

r2.2

=

100%

Teori Alat Ukur Multimeter

Merupakan kombinasi dari amperemeter, voltmeter, dan Ohmmeter yang dijadikan sebuah instrumen. Pembacaan pengkuran diberikan oleh simpangan dari jarum penunjuk meter, skala pembacaan diberikan masing masing. Contoh arus, tegangan dan tahanan.Range selector digunakan untuk memilih range pengukuran yang dibutuhkan. Contoh : fungsi untuk menghitung tegangan.

Gambar 25. Multimeter