BAB III RANGKAIAN PENYEARAH.pdf

BAB III : RANGKAIAN PENYEARAH DAN FILTER
Elektronika Analog 18
A. Tujuan Instruksional Umum (TIU)
Setelah mengikuti Kuliah topik ini, mahasiswa diharapkan :
Dapat mengetahui cara kerja rangkaian penyearah sistem satu fasa gelombang
setengah maupun gelombang penuh, besar tegangan keluaran, faktor riak dan filternya.
B. Tujuan Instruksional Khusus (TIK)
Setelah mengikuti Kuliah topik ini, mahasiswa diharapkan :
• Mampu Menggambarkan rangkaian penyearah satu fasa gelombang setengah
dan gelombang penuh.
• Mampu menurunkan rumusan tegangan keluaran dan faktor riaknya.
• Mampu menjelaskan prinsip dasar filter kapasitor dan menentukan besar
kapasitasnya pada riak tertentu.
• Mampu menerapkan dioda zener untuk pensatbil tegangan
3.1 Penyearah Arus Listrik Gelombang Setengah
Rangkaian penyearah arus gelombang setengah diperlihatkan pada gambar 3-1
Gambar 3-1 : Rangkaian Penyearah Arus Listrik Gelombang Setengah
Dengan bentuk gelombang tegangan sumber/masukan sinusoidal maka pada setengah
perioda positif, dioda D mendapat bias maju dan dioda berlaku sebagai sakelar pada
kondisi tertutup. Pada keadaan ini arus IRL mengalir melalui resistansi beban RL.
Sebaliknya pada setengah periode negatif dioda terbias mundur dan dioda berlaku
sebagai sakelar pada kondisi terbuka, sehingga tidak ada arus IRL yang mengalir melalui
resistansi beban RL dan berarti tegangan VRL sama dengan nol. Bentuk tegangan
masukan dan keluaran VRL diperlihatkan pada gambar 3-2.
AC
Vm sin? t
RL
D
A K
IRL

a).
b).
c).
0  2 3 4
Gambar 3-2 : Bentuk gelombang Penyearah Gelombang Setengah
Gambar c) menunjukan tegangan VAK dan tegangan puncak balik Vm yang dikenal
sebagai PIV (Peak Inverse Voltage) dan menunjukan spesifikasi minimum dioda.
Gambar 3-2 b). memperlihatkan bentuk tegangan keluaran VRL.
Besar tegangan keluaran rata-rata (DC) VRL ditentukan sebagai berikut :

/2
, 0
, 0
, 0
,
1
sin
sin
2
( cos )
2
( 1 1)
2
T
RL DC m
m
RL DC
m
RL DC
m m
RL DC
V V t d t
T
V
V t d t
V
V t
V V
V volt


 
 



 
=
=
= −
= − − − − =


(3.1)
Nilai efektif (rms) – nya adalah sebagai berikut :

2 2 2
, , ,
,
,
dim ( ) :
RL rms r rms RL DC
r rms
RL DC
V V V
ana faktor riak ripple r ditentukan oleh
V
Nilai riak efektif
r
Nilai rata rata V
= +
= =
−
2 2 2 2
, , , , 2
2
, ,
,
,
( 1)
dimana :
-->
RL rms RL DC RL rms RL DC
RL DC RL DC
RL rms
RL DC
V V V V
r FF
V V
V
Faktor bentuk FF
V
− −
= = = −
=
, ,
, ,
2 2
1,57 atau 157%
2
:
( 1) (1,57 1) 1,21 atau 121%
RL rms RL m
RL DC RL m
V V
FF
V V
sehingga
r FF

= = =
= − = − =
/2
2 2
, 0
2
m
RL,eff 0
2
,
0
2 2
, 0
1
sin
V
V = (1 cos2 )
4π
sin 2
( )
4 2
( 0) volt
4 4 2
T
RL eff m
m
RL eff
m m m
RL eff
V V t d t
T
t d t
V t
V t
V V V
V



 
 





=
−
= −
= − = =


(3.2)
Bentuk tegangan keluaran mengandung komponen AC dan DC, sehingga persamaan
tegangannya adalah :
(3.3)
(3.4)
Faktor riak r untuk menyearah gelombang setengah menjadi :
(3.5)
(3.6)
(3.7)

3.2. Penyearah Arus Listrik Gelombang Penuh
Berbeda dengan penyearah arus gelombang setengah, penyearah ini terdiri dari 2 (dua)
atau 4 (empat) dioda, untuk sistem center tap dan sistem jembatan, dimana rangkaian
penyearah umumnya menggunakan transformator sebagai penurun tegangan.
3.2.1. Penyearah Arus Gelombang Penuh Sistem Jembatan
Gambar 3-3 mempertontonkan diagram rangkaian penyearah gelombang penuh, pada
mana empat buah dioda disambungkan sedemikian sehingga terdapat dua sambungan
A-A (untuk keluaran DC +/-) dan dua buah sambungan AK (untuk masukan arus bolak
balik).
RL
D1 D2
D3 D4
Vp Vs
Gambar 3-3 : Penyearah Arus Gelombang Penuh
Prinsip kerja rangkaian penyearah sistem jembatan adalah sebagai berikut :
• Saat perioda positif dari Vs, maka dioda D2 dan D3 terbias maju dan D1, D4
terbias mundur. Arus IRL akan mengalir (lihat anak panah) dari Vs+, D2, RL, D3
dan kembali ke terminal Vs-, seperti ditunjukan pada gambar 3-4 a).
• Saat perioda negatif dari Vs, maka dioda D1 dan D4 terbias maju dan D2, D3
terbias mundur. Arus IRL akan mengalir dari Vs+, D2, RL, D3 dan kembali ke
terminal Vs-, seperti ditunjukan pada gambar 3-4, seperti ditunjukan pada gambar
3-4 b).
• Terlihat bahwa arus IRL yang melewati resistansi RL mempunyai arah yang sama
pada periode positif maupun periode negatif dari Vs dan ini berarti arus bolak
balik telah disearahkan. Seperti diperlihatkan pada gambar 3-5.


/2
, 0
, 0
, 0
,
1
sin
/ 2
sin
( cos )
2
( 1 1)
T
RL DC m
m
RL DC
m
RL DC
m m
RL DC
V V t d t
T
V
V t d t
V
V t
V V
V volt


 
 



 
=
=
= −
= − − − − =


Gambar 3-4 a). Arah Arus Periode Positif b). Arah Arus Periode Negatif
Gambar 3-5 : Bentuk Gelombang Keluaran Penyearah Gelombang Penuh
Besar nilai rata-rata dapat diturunkan sebagai berikut :
(3.8)
RL
D1 D2
D3 D4
Vp Vs
+
D1 D2
D3 D4
RL
+

/ 2
2 2
, 0
2
m
RL,eff 0
2
,
0
2 2
, 0
1
sin
/ 2
V
V = (1 cos2 )
2π
sin 2
( )
2 2
( 0) volt
2 2 2
T
RL eff m
m
RL eff
m m m
RL eff
V V t d t
T
t d t
V t
V t
V V V
V



 
 





=
−
= −
= − = =


, ,
, ,
2 2
1,11 atau 111%
2
2
:
( 1) (1,11 1) 0,48 atau 48%
RL rms RL m
RL DC RL m
V V
FF
V V
sehingga
r FF

= = =
= − = − =
Besar nilai efektif :
(3.9)
Besar faktor riak :
(3.10)
(3.11)
Jadi dengan penyearah gelombang penuh besar tagangan rata-rata (DC) menjadi lebih
besar (2 kali lipat) dan faktor riaknya turun dari 121% menjadi 48%.
3.2.2. Penyearah Arus Gelombang Penuh Center Tap (CT)
Pada penyearah ini menggunakan 2 dioda dan memerlukan transformator pembalik fasa
seperti gambar 3-6. PIV penyearah tipe ini adalah 2 Vsm.
RL
D1
Vp Vs1
Vs2
D2
I+
I-
Gambar 3-6 : Cara kerja Penyearah Center Tap (CT)

3.3. Filter
Rangkaian filter digunakan untuk mendapatkan tegangan keluaran yang rata
sebagaimana halnya dengan sumber tegangan dari batere atau accu. Dari rangkaian
yang telah dibahas pada sub bab sebelumnya hanya rangkaian filter kapasitor yang
akan dibahas pada rangkaian penyearah yang banyak digunakan yakni penyearah satu
fasa gelombang penuh pada mana masih mengandung riak sebesar 48 %. Gambar 3.7
memperlihatkan rangkaian filter kapasitor dengan cara kerja sebagai berikut :
Gambar 3-7 : Rangkaian Filter Kapasitor pada Penyearah Sistem Jembatan
Rangkaian ini bekerja sebagai berikut; ketika tegangan sumber bernilai nol maka
tegangan beban pada kapasitor C juga nol. Ketika sumber naik dari nol menuju
maksimum (mengikuti gelombang sinusoidal sumbernya), kapasitor terisi muatan sampai
maksimum berarti tegangan beban sama dengan tegangan kapasitor.
Pada saat tegangan sumber turun dari kondisi maksimumnya, kapasitor melepas muatan
melalui beban (tegangan beban mengikuti tegangan kapasitor). Ketika tegangan
sinusoidal naik diatas tegangan kapasitor maka kapasitor kembali dimuati sampai
maksimum. Demikian secara periodik sehingga tegangan beban bervariasi mengikuti
tegangan pengisian dan pengosongan kapasitornya..
Selanjutnya pada saat tegangan kapasitor lebih kecil dari tegangan sumber akan terjadi
pengisian muatan pada kapasitor. hingga tegangan pada kapasitor mencapai tegangan
maksimum. Bentuk gelombang tegangan keluaran pada penyearah ini ditunjukkan
gambar 3.8.

T
T2
T1
Gambar 3- 8 : Bentuk Gelombang Keluaran Rangkaian Filter Kapasitor pada
Penyearah Sistem Jembatan
Dengan memperhatikan bentuk gelombang di atas, nilai rata-rata arus beban adalah nilai
rata-rata arus pengosongan kapasitor selama interval T2, dimana muatan yang
dilepaskan adalah :
Qpengosongan = Idc x T1. (3.12)
Muatan ini segera diganti dengan waktu pengisian yang singkat, yaitu selama interval
T1, dimana kapasitor mendapat tegangan pengisian sebesar nilai puncak ke puncak
tegangan riak, Vr-pp. Dengan menggunakan hubungan Q = V x C, maka muatan
pengisian :
Qpengisian = Vr-pp x C (3.13)
Dari persamaan 2.6 dan 2.7, dimana muatan pengosongan sama dengan pengisian,
maka :
Vr-pp x C = Idc x T1., sehingga Vr-pp = dc 1
I x T
C
(3.14)
Jika kita asumsikan waktu pengisian sangat pendek bila dibanding waktu pengosongan,
dan nilai waktu pengisian T2 dapat diabaikan, maka T1 
T
2
1
2f
= , dengan demikian,
Vr-pp =
I
2.f.C
dc
(3.15)

Dengan menganggap bentuk gelombang tegangan riak pada gambar di atas, bentuknya
mendekati gelombang segitiga maka nilai efektif kandungan tegangan riak adalah :
Vr-rms =
V
2 3.
r-pp
(3.16)
dari definisi faktor riak, r = rms
dc
Vr
V
, berarti
r =
V
V
r pp
dc
− / 2 3
(3.17)
Dengan mensubstitusikan persamaan 3.15 ke persamaan 3.17 maka didapatkan :
r =
Vdc
4 3.f.R.C
(3.18)
Atau pada frekuensi sumber 50 HZ maka faktor riak,
r =
2,8
.
R C
(nilai C dalam uF dan R dalam K) x Vdc (3.19)
Dari persamaan di atas, dapat disimpulkan bahwa bila resistansi beban atau kapasitor
bertambah besar, maka faktor riak menjadi lebih kecil.
Contoh Soal
1. Rangkaian penyearah gelombang penuh dengan filter kapasitor dibeban1 100 
dan riak gelombang yang diinginkan 5%. Sumber 220 V dan frekuensi 50 Hz.
Tentukan nilai kapasitor yang harus dipasang !
2. Bila dari contoh 1 beban dirubah menjadi 75  dan kapasitor ditambahkan
sebesar 100 uF. Tentukan besar faktor riaknya !
Jawab :
1. C = 2,8 / ( r. R )
= 2,8 / (0,05 . 0,1) = 560 uF
2. Besar kapasitor C = 560 + 100 = 660 uF
Resistor beban R = 75 = 0,075 K
Jadi : r = 2,8 / (C.R)
= 2,8 / ( 660 . 0,075) = 0,0565 atau 5,65%

3.4. Penyearah Tiga Fasa Gelombang Setengah
Penyearah tiga fasa gelombang setengah menghasilkan tegangan yang lebih besar dari
penyearah satu fasa gelombang setengah disamping itu riak gelombang yang dihasilkan
juga lebih kecil meskipun tanpa filter. Rangkaian penyearah tiga fasa gelombang
setengah diperlihatkan pada gambar 3.9.
Gambar 3.9 : Rangkaian Penyearah Tiga Fasa Gelombang Setengah
3.4.1 Cara Kerja Rangkaian
Berdasarkan rangkaian gambar 3.9 tegangan bolak balik tiga fasa yang satu dengan
lainnya berbeda fasa 1200
listrik akan mengakbatkan dioda D1, D2 dan D3 ko0nduksi
secara bergantian sesuai dengan fasa dan posisinya. Untuk lebih jelasnya diperlihatkan
gelombang tiga fasa dan proses penyearahannya pada gambar 3.10.
T/2
t1 t2 t3 t4
Gambar 3.10 : Bentuk Gelombang Keluaran VDC

( )
5 /12
/12
5 /6
/6
1
3
3
2
3 3 3
( )
2 2 2
3 3
0,827
2
T
DC m
T
m
DC
m
DC
DC m m
V V Sin td t
T
V
V Cos t
V
V
V V V


 




=
= −
 
= − − −
 
 
 
= =

( )
5 /12
2 2
/12
5 /12
2
2
/12
5 / 6
2
/ 6
1
3
3
2
3
1 cos 2
4
T
RMS m
T
T
m
RMS
T
m
RMS
V V Sin td t
T
V
V Sin td t
V
V t d t


 
 

 

=
=
= −



5 /6
2
/6
2
3 2
4 2
3 2 3
( ) 0,841
4 3 2
m
RMS
RMS m m
V Sin t
V t
V V V







 
= −
 
 
−
= − =
Pada saat t0 tegangan fasa T lebih positif dari tegangan fasa R dan S sehingga D3
konduksi, dan saat t2 + tegangan fasa R lebih positif terhadap tegangan fasa S dan T
sehingga dioda D1 konduksi, demikian juga dengan t4 dioda D2 akan konduksi.
3.4.2 Persamaan Tegangan Keluaran VDC
Sesuai dengan gambar 4.2 maka tegangan VDC ditentukan sebagai berikut :
(3.20)
(3.21)
Vm adalah tegangan puncak dari tegangan transformator fasa netral (line to netral) dan
VLN merupakan tegangan fasa efektif, dimana Vm = VLN. 2. Jadi jika VDC dihitung
terhadap tegangan efektifnya maka didapatkan :
VDC = 0,83 2 VLL = 1,17 VLN. (3.22)
Tegangan efektif dihitung sebagai berikut :
(3.23)
(3.24)
Vm adalah tegangan puncak dari setiap fasa.

( ) ( )
2 2 2
,
2 2
,
2 2
,
,
0,841 0,827 0,153
0,153
0,185 18,5%
0,83
RMS r RMS DC
r RMS RMS DC
r RMS m m m
r rms m
DC m
V V V
V V V
V V V V
V V
r atau
V V
= +
= −
= − =
 = = =
Faktor riak r adalah :
(3.25)
(3.26)
3.4.3. Penyearah Tiga Fasa Gelombang Penuh
3.4.3.1 Cara Kerja Rangkaian
Berbeda dengan penyearah tiga fasa gelombang setengah,penyearah tiga fasa
gelombang penuh menggunakan 6 (enam dioda) yang dkonfigurasikan sebagai sistem
jembatan seperti diperlihatkan pada gambar 3.11. Dengan dioda sejumlah itu dimana
masing-masing dioda akan konduksi selama 600
listrik, dan menghasilkan tegangan riak
yang lebi kecil atau faktor riaknya menurun dan berarti tegangan keluaran VDC menjadi
lebih besar dari tegangan keluaran penyearah tiga fasa gelombang setengah. Tegangan
keluaran penyearah ini Bentuk gelombang keluarannya diperlihatkan pada gambar 3.12
Gambar 3.11 : Rangkaian penyearah tiga fasa gelombang penuh
Saat t1, tegangan fasa R dan fasa T lebih positif dibanding fasa -S sehingga dioda D1,
D3 dan D5 konduksi. Sedangkan saat t2, tegangan fasa R lebih positif dibanding fasa S-
dan T- sehingga dioda D3, D4, dan D5 konduksi. Demikian seterusnya sehingga
diperoleh hasil seperti gambar 3.12.

( )
( )
/3
/6
2 /3
/3
6
3
3
( 0.5 0.5)
3
0,955
T
DC m
T
m
DC
m
DC
DC m m
V V Sin td t
T
V
V Cos t
V
V
V V V


 




=
= −
= − − −
= =

t1 t2 t3 t4 t5 t6
Gambar 3.12 : Bentuk Gelombang Keluaran Penyearah Tiga Fasa Gelombang Penuh
3.4.3.2. Persamaan Tegangan Keluaran VDC
Sesuai dengan gambar 4.4 maka tegangan VDC ditentukan sebagai berikut :
(3.27)
(3.28)
Vm adalah tegangan puncak dari tegangan jala-jala (line to Line) dan VLL merupakan
tegangan jala-jala efektif, dimana Vm = VLL. 2. Jadi jika VDC dihitung terhadap tegangan
jala-jala maka didapatkan :
VDC = 0,955 2 VLL = 1,35 VLL. (3.29)

( ) ( )
2 2 2
,
2 2
,
2 2
,
,
0,956 0,955 0,44
0,044
0,053 5,3%
0,83
RMS r RMS DC
r RMS RMS DC
r RMS m m m
r rms m
DC m
V V V
V V V
V V V V
V V
r atau
V V
= +
= −
= − =
 = = =
( )
/ 3
2 2
/ 6
/ 3
2
/ 6
2 / 3
2
/ 3
2
6
3
1 cos 2
2
3 2
2 2
3 3
( ( ) 0,956
2 3 2
T
RMS m
T
T
m
RMS
T
m
RMS
RMS m m
V V Sin td t
T
V
V t d t
V Sin t
V t
V V V


 
 






=
= −
 
= −
 
 
= − − =

 ( )
/ 3
2 2
/ 6
/ 3
2
/ 6
2 / 3
2
/ 3
2
6
3
1 cos 2
2
3 2
2 2
3 3
( ( ) 0,956
2 3 2
T
RMS m
T
T
m
RMS
T
m
RMS
RMS m m
V V Sin td t
T
V
V t d t
V Sin t
V t
V V V


 
 






=
= −
 
= −
 
 
= − − =


Tegangan keluaran efektif dihitung sebagai berikut :
(3.30)
(3.31)
Faktor riak r adalah :
(3.32)
(3.33)

R
=
RL
Vs=12 - 15volt
Vz=9volt
3.5. SOAL- SOAL LATIHAN
1. Terangkan cara kerja penyearah arus gelombang setengah lengkap dengan
gambar dan persamaannya !
2. Gambarkanlah rangkaian penyearah gelombang penuh sistem jembatan dan
turunkan persamaan tegangan DC, faktor riak dan PIV diodanya !
3. Gambarkanlah rangkaian penyearah gelombang penuh sistem center tap dan
gambar tegangan keluaran searahnya serta tentukan nilai PIV diodanya !
4. Berdasarkan soal-soal diatas berikan penjelasan saudara mengenai bagaimana
menentukan spesifikasi (arus dan tegangan) dioda penyearah yang akan
digunakan !
5. Dari gambar di bawah, tentukan nilai R agar tegangan pada RL = 100 
stabil/tetap 9 volt ketika terjadi perubahan tegangan sumber dari 12 volt menjadi
15 volt !!
6. Sama dengan nomor 5 jika nilai R = 27 Ω berapa rentang tegangan sumber Vs
yang dapat diberikan agar tengangan pada RL = 100  stabil/tetap 9 volt ?

BAB III RANGKAIAN PENYEARAH.pdf

Recommended

Recommended

More Related Content

Similar to BAB III RANGKAIAN PENYEARAH.pdf

Similar to BAB III RANGKAIAN PENYEARAH.pdf (20)

BAB III RANGKAIAN PENYEARAH.pdf