BAB I PENDAHULUAN PENDAHULUAN 1.1.Latar Belakang Hampir sebagian besar peralatan elektronika menggunakan sumber daya listrik 220 volt / 50 Hz dari PLN. Beberapa peralatan seperti radio atau tape kecil menggunakan baterai sebagai sumber tegangan namun sebagian menggunakan listrik PLN sebagai sumber tenaganya. Untuk itu dibutuhkan suatu rangkaian yang dapat mengubah arus listrik bolak balik (AC) dari PLN menjadi arus listrik searah (DC). Komponen yang melaksanakan konversi ini disebut dengan rangkaian penyearah gelombang yang dalam perkembangannya dikembangkan menjadi suatu catu daya. Secara prinsip, rangkaian penyearah gelombang terdiri dari transformator, dioda, dan kondensator/kapasitor. Transformator merupakan komponen elektronika yang berfungsi untuk menurunkan dan menaikkan tegangan. Kondensator atau kapasitor berfungsi sebagai penyimpan muatan untuk sementara waktu dan merupakan filter (penyaring) pada rangkaian rectifier. Dioda merupakan komponen aktif yang digunakan sebagai penyearah arus listrik, pengaman arus dan tegangan listrik, serta pemblokir arus dan tegangan listrik. Rangkaian penyearah gelombang merupakan rangkaian yang mengubah gelombang sinus AC (Alternating Current) menjadi deretan pulsa DC Ini merupakan dasar atau langkah awal untuk memperoleh arus DC halus yang dibutuhkan oleh suatu peralatan elektronika. Bentuk dari suatu rangkaian penyearah pada pratikum ini yaitu rangkaian penyearah gelombang penuh. Oleh karena itu percobaan ini penting untuk dilakukan agar dapat diterapkan dalam aplikasi kehidupan sehari-hari 1.2.Rumusan Masalah Bagaiman bentuk tegangan yang dihasilkan oleh penyearah ar us gelombang penuh? 1.3.Tujuan Mengamati bentuk tegangan yang dihasilkan oleh penyearah a rus gelombang penuh. 1.4.Definisi Istilah a.
Penyearah / rectifier adalah pengubah sebuah tegangan arus listrik bolak-balik (AC)
menjadi arus listrik searah (DC). b.
Arus listrik adalah banyaknya muatan listrik yang mengalir tiap satuan waktu.
c.
Gelombang adalah bentuk dari getaran yang merambat pada suatu medium
d.
Tegangan listrik adalah perbedaan potensi listrik antara dua titik dalam rangkaian listrik,
dinyatakan dalam satuan volt e.
Panjang gelombang adalah jarak di antara unit berulang dari gelombang, yang diukur
dari satu titik pada gelombang ke titik yang sesuai di unit berikutnya
1
1.5.Hipotesis Bentuk tegangan yang dihasilkan oleh penyearah arus gelombang penuh yaitu setengah dari panjang gelombang dan rapat. 1.6.Tinjauan Masalah Sebuah penyearah jembatan menyediakan gelombang penuh perbaikan dari input AC dua kawat, sehingga biaya lebih rendah dan berat dibandingkan dengan penyearah dengan masukan 3-kawat dari transformator dengan pusat-mengetuk gulungan sekunder. Menurut model konvensional dari arus aliran awalnya didirikan oleh Benjamin Franklin dan masih diikuti oleh para insinyur paling hari ini, saat ini diasumsikan mengalir melalui konduktor listrik dari positif ke kutub negatif. Pada kenyataannya, elektron bebas dalam sebuah konduktor hampir selalu mengalir dari negatif ke kutub positif. Pada kebanyakan aplikasi, bagaimanapun, arah aliran arus yang sebenarnya tidak relevan. Oleh karena itu, dalam diskusi di bawah model konvensional dipertahankan. Dalam diagram di bawah ini, ketika input terhubung ke sudut kiri dari berlian adalah positif, dan input terhubung ke sudut kanan adalah negatif, arus mengalir dari terminal pasokan bagian atas ke kanan sepanjang jalan (positif) merah me rah untuk output , dan kembali k embali ke terminal pasokan yang lebih rendah melalui jalur (negatif) biru.
2
BAB II PEMBAHASAN PENYEARAH GELOMBANG PENUH TIGA PHASA Penyearah gelombang penuh (full wave rectifier) adalah sistem penyearah yang menyearahkan semua siklus gelombang sinus menggunakan dua blok dioda (satu blok dioda bisa berupa satu atau beberapa dioda yang diparalel) yang bekerja secara komplenen. Satu dioda bekerja pada fase siklus positif dan satu dioda bekerja pada fase siklus negatif yang telah dibalik. Oleh karena itu penyearah gelombang penuh identik dengan penggunaan transformator center tap (CT) yang memiliki dua buah output sinyal AC dengan fase berkebalikan. Rangkaian penyearah gelombang penuh menghasilkan tegangan DC dengan riak (ripple) yang lebih sedikit dibanding penyearah setengan gelombang. Hal ini karena gelombang yang dihasilkan lebih rapat yaitu hasil penggabungan dari siklus sinyal sinus positif dan siklus sinyal sinus negatif yang telah dibalik menjadi siklus positif. Jadi penyearah akan tetap mengeluarkan output pada periode gunung dan lembah dari s inyal sinus. 2.1 Diode
Diode memiliki dua kaki, yaitu anoda dan katoda. Diode hanya dapat melewatkan arus listrik dari satu arah saja, yaitu dari anode ke katoda yang disebut posisi bias maju ( forward forward ). ). Sebaliknya diode akan menahan aliran arus atau memblok arus yang berasal dari katode ke anoda, yang disebut bias mundur ( reverse). reverse). Namun diode memiliki keterbatasan menahan tegangan panjar mundur yang disebut tegangan break down. down. Jika tegangan ini dilewati maka diode dikatakan rusak dan harus diganti yang baru.
Gambar 1 Konstruksi Diode
Pada kondisi bias maju (forward) Diode mengalirkan arus DC dapat diamati dari penunjukan ampermeter dengan arus If, untuk tegangan disebut tegangan maju Uf ( forward). forward). Diode silikon akan mulai forward mulai forward ketika telah dicapai tegangan cut-in sebesar 0,7 Volt, untuk Diode germanium tegangan cut-in 0,3 Volt. 3
Gambar 2 Bias Maju (forward)
Pada kondisi bias mundur (reverse) Diode dalam posisi memblok arus, kondisi ini disebut posisi mundur (reverse ( reverse). ). Karakteristik sebuah Diode digambarkan oleh sumbu horizontal
untuk
tegangan
(Volt).
Sumbu
vertikal
untuk
menunjukkan
arus
(mAsampai mAsampai Amper Amper ). ). Tegangan positif (forward ) dihitung dari sumbu nol ke arah kanan. Tegangan negatif (reverse) (reverse) dimulai sumbu negatif ke arah kiri.
Gambar 3 Bias Mundur
Karakteristik Diode menggambarkan arus fungsi dari tegangan. Garis arus maju ( forward forward ) dimulai dari sumbu nol keatas dengan satuan Amper. Garis arus mundur ( reverse) reverse) dimulai sumbu nol ke arah bawah dengan orde mA. Diode memiliki batas menahan tegangan reverse pada reverse pada nilai tertentu. Jika tegangan reverse terlampaui maka Diode akan rusak secara permanen
4
Gambar 4 Karakteristik Diode
Dari pengamatan visual karakteristik diode diatas dapat dilihat beberapa parameter penting, yaitu : Tegangan cut-in besarnya 0,6V tegangan reverse maksimum yang diijinkan diiji nkan sebesar 50V, tegangan breakdown terjadi pada tegangan mendekati 75V. Jika tegangan breakdown ini terlewati dipastikan diode akan terbakar dan rusak permanen. permanen. 2.2 Penyearah Dengan Menggunakan Diode
Penyearah digunakan untuk mengubah listrik AC menjadi listrik DC, listrik DC dipakai untuk berbagai kebutuhan misalnya power misalnya power supply, supply, pengisi akumulator, alat penyepuhan logam. Komponen elektronika yang dipakai diode atau thyristor. Penyearah dengan diode sering disebut penyearah tanpa kendali, artinya tegangan output yang dihasilkan tetap tidak bisa dikendalikan. Penyearah dengan thyristor termasuk penyearah terkendali, artinya tegangan output yang dihasilkan bias diatur dengan pengaturan penyalaan sudut
α sesuai dengan kebutuhan. Diode digunakan dalam elektronika daya terutama untuk mengubah daya AC menjadi
DC. Pengubah daya AC menjadi DC disebut penyearah (rectifier). Penyearah yang menggunakan dioda adalah penyearah yang tegangan keluarannya tetap. Untuk memberikan gambaran yang mendasar tentang aplikasi dioda dalam elektronika da ya, pada bagian ini akan dibahas tentang rangkaian-rangkaian dioda yang melibatkan jenis-jenis beban dan penyearah tidak terkendali. Rangkaian dioda dengan bermacammacam beban dimaksudkan untuk memberikan landasan dasar tentang dampak beban dalam rangkaian. Sedangkan jenis-jenis rangkaian penyearah dimaksudkan untuk memberikan pemahaman tentang perilaku penyearah yang tidak hanya penting untuk aplikasi dioda saja namun sangat diperlukan bagi pengembangan konsep untuk aplikasi-aplikasi elektronika daya selanjutnya. Untuk mempermudah pemahaman, pada bahasan ini dioda ditinjau dari sisi idealnya, di mana faktor kecepatan dan jatuh tegangan maju diabaikan. 5
Ada empat tipe penyearah dengan diode, terdiri penyearah setengah gelombang, gelombang penuh satu phasa, setengah gelombang, dan penyearah gelombang penuh tiga phasa. Tapi kami hanya membahas penyearah penyearah gelombang tiga phasa
2.2.1 Penyearah Diode Gelombang Penuh Tiga Phasa
Penyearah diode gelombang enuh tiga phasa yang juga dikenal dengan nama penyearah tiga phasa, enam pulsa tidak terkendali (B6U). Penyearah diode gelombang penuh tiga phasa menggunakan sistem jembatan dengan enam buah diode D1, D3, danD5 katodanya disatukan sebagai terminal positif. Diode D4, D6, dan D2 anodanya yang disatukan sebagai terminal negatif (Gambar 8). Tegangan DC yang dihasilkan memiliki enam pulsa yang dihasilkan oleh masing-masing diode tersebut. Tegangan DC yang dihasilkan halus karena tegangan riak ( ripple) ripple) kecil dan lebih rata. Urutan konduksi dari keenam diode dapat dilihat dari siklus gelombang sinusoida yang konduksi secara bergantian. Konduksi dimulai dari diode D1 + D6 sepanjang sudut komutasi 60°. Berturut-turut disusul diode D1 + D2, lanjutnya diode D3 + D2, urutan keempat D3 + D4, kelima D5 + D4 dan terakhir D5 + D6 ( Gambar 9). Jelas dalam satu siklus gelombang tiga phasa terjadi enam kali komutasi dari keenam diode secara bergantian dan bersamasama.
Gambar 8 Penyearah jembatan gelombang penuh 3 phasa
Gambar 9 Bentuk gelombang penyearah penuh 3 phasa 6
Persamaan tegangan dan arus penyearah Diode gelombang penuh: Udi=1,35 . U1
Udi Tegangan searah ideal
Ud Tegangan searah U1 Tegangan efektif Iz Arus melewati Diode Id Arus searah PT = 1,1 . P d
PT Daya transformator
Pd Daya arus searah
2.3 Thyristor
Thyristor dikembangkan oleh Bell Laboratories tahun 1950-an dan mulai digunakan secara komersial oleh General Electric tahun 1960-an. Thyristor atau SCR (Silicon (Silicon Controlled Rectifier ) termasuk dalam komponen elektronik yang banyak dipakai dalam aplikasi listrik industri, salah satu alasannya adalah memiliki kemampuan untuk bekerja dalam tegangan dan arus yang besar. Thyristor memiliki tiga kaki, yaitu anoda, katoda dan gate. Juga dikenal ada dua jenis Thyristor dengan P-gate dan N-gate
Gambar 10 Bentuk fisik dan simbol thrystor
Fungsi gate pada thyristor menyerupai basis pada transistor, dengan mengatur arus gate IG yang besarnya antara 1 mA sampai terbesar 100 mA, maka tegangan keluaran dari Anoda bisa diatur. Tegangan yang mampu diatur mulai dari 50 Volt sampai 5.000 Volt dan mampu mengatur arus 0,4 A sampai s ampai dengan 1.500 A. Karakteristik Thyristor memperlihatkan dua variabel, yaitu tegangan forwardUF forward UF dan tegangan reverse UR, UR, dan variabel arus forward IF forward IF dan arus reverse IR reverse IRGambar 11 Pada tegangan forward UF , jika arus gate diatur dari 0 mA sampai di atas 50 mA, maka Thyristor akan cut-in dan mengalirkan arus forward IF forward IF . Tegangan reverseuntuk reverseuntuk Thyristor UR sekitar 600 Volt. Agar Thyristor tetap ON, maka ada arus yang tetap dipertahankan disebut
7
arus holding IH sebesar 5 mA. Thyristor TIC 106 D sesuai dengan data sheet data sheet memiliki beberapa parameter penting, yaitu: tegangan te gangan gate-katode = 0,8 V, arus gate minimal 0,2 mA, agar thyristor tetap posisi ON diperlukan arus holding = 5 mA. Tegangan kerja yang diizinkan pada anoda = 400 V dan dapat mengalirkan arus nominal = 5 A.
Gambar 11 Karakteristik thrystor
Gambar 12 Nilai batas thrystor
Aplikasi thyristor yang paling banyak sebagai penyearah tegangan AC ke DC yang dapat
diatur. Gambar
13 tampak
empat thyristor dalam
hubungan
jembatan
yang
dihubungkan dengan beban luar RL.
8
Gambar 13 Fuse Sebagai Pengaman thrystor 2.3.1 Penyearah dengan Menggunakan Thyristor
Seperti yang telah dijelaskan sebelumnya bahwa, penyearah tak terkendali menghasilkan tegangan keluaran DC yang tetap. Bila dikehendaki tegangan keluaran yang bisa diubah-ubah, digunakan thyristor thyristor sebagai pengganti dioda. Tegangan keluaran penyearah thyristor dapat diubahubah atau dikendalikan dengan mengendalikan delay atau sudut
penyalaan α dari thyristor. Penyalaan ini dilakukan dengan memberikan pulsa trigger pada trigger pada gate thyristor. Pulsa trigger dibangkitkan secara khusus oleh rangkaiantrigger rangkaian trigger . Rangkaian trigger dirancang untuk memberikan pulsa dengan ketinggian dan kelebaran tertentu disesuaikan dengan thyristor yang digunakan. Pulsa ini juga dapat digeser-geser sudutnya sehingga penyalaan thyristor dapat dilakukan setiap saat dalam r anah (range (range)nya. )nya. Jika thyristor dirangkai seperti gambar ini, tegangan masukan berupa tegangan sinusoidal dan beban R, maka pada setengah gelombang pertama thyristor mendapat bias-maju.
Bila thyristor disulut pada sudut α, t hyristor Q1 akan konduksi maka tegangan keluaran v1 akan muncul pada beban. Keadaan konduksi ini berlangsung hingga tegangan kembali ke nol dan mulai negatif (komutasi alamiah). Ketika tegangan negatif, maka Q1 dalam keadaan bias-mundur. Waktu dari tegangan mulai beranjak ke arah positif sampai
dengan thyristor mulai konduksi disebut sudut penyalaan atau sudut penyulutan α. Dengan demikian, tegangan keluaran penyearah dapat diatur-atur dengan mengatur sudut penyalaan pulsa gatenya, dalam hal ini, dari 0 - 180°.
Bila sudut penyalaan α kecil, berarti thyristor konduksi secara dini sehingga tegangan (vd) dan daya keluaran akan besar. Sebaliknya, bila sudut α besar, tegangan dan daya keluarannya akan kecil. 2.3.2 Penyearah Thyristor Setengah Gelombang Tiga Phasa
Penyearah Thyristor tiga phasa terdiri atas enam buah Thyristor Q1, Q2, Q3, Q4, Q5, dan Q6. Katoda dari diode Q1, Q3 dan Q5 disatukan sebagai terminal positif, dan anode dari Thyristor Q4, Q6 dan Q2 disatukan menjadi terminal negatif. Masing-masing Thyristor mendapatkan pulsa penyalaan yang berbeda-beda melalui UG1, UG2, UG3, UG4, UG5, dan UG6. Sebuah beban resistif RL sebagai beban DC ( Gambar 17). 9
Untuk melihat urutan konduksi dari keenam Thyristor dapat dilihat dari gelombang tiga phasa (Gambar 18). Contoh ketika tegangan DC terbentuk dari puncak gelombang UL1L2 yang konduksi Thyristor Q1 + Q6, berikutnya pada puncak tegangan – UL3L1 UL3L1 yang konduksi Thyristor Q1 + Q2 dan seterusnya. Apa yang terjadi jika salah satu dari keenam Thyristor tersebut mati (misalnya Q1) tidak bekerja, dan apa yang terjadi ketika Thyristor Q1 dan Q3 tidak bekerja? Berikan jawabannya dengan melihat gelombang sinusoida di bawah ini.
Gambar 17 Penyearah terkendali 3 phasa
Gambar 18 Bentuk tegangan DC penyearah 3 phasa
Persamaan tegangan pada beban resistif, pengaturan sudut α dari 0° sampai 150°. Udα =Udo · cos α Uda = Tegangan searah terkendali Udo = 1,35 · U
Udo = Tegangan DC diode
U = Tegangan efektif 10
α = Sudut penyalaan gate
Gambar 19 Urutan penyalaan Gate-Thrystor 3 phasa
2.4 Prinsip Kerja Penyearah Gelombang Penuh
Sebuah rangkaian penyearah gelombang penuh dibangun dari sebuah transformator CT dengan dua dioda penyearah. Fungsi transformator CT adalah menghasilkan dua buah sinyal sinus dengan fase yang berkebalikan. Satu lilitan menghasilkan fase yang sama dengan input dan satu lilitan yang lain menghasilkan fase yang berkebalikan dari sinyal input.
Dengan dua sinyal AC yang saling berbeda fase ini maka kedua dioda yang masingmasing berfungsi sebagai penyearah setengah gelombang dapat bekerja secara bergantian. Satu dioda menyearahkan siklus positif dari lilitan atas dan satu dioda kemudian ganti menyearahkan siklus positif dari lilitan bawah yang merupakan balikan fasa dari siklus negatif sinyal input AC.
11
Output dari penyearah gelombang penuh yang lebih rapat dari penyearah setengah gelombang menyebabkan riak (ripple) yang ada pada output tegangan DC menjadi lebih kecil. Akibatnya output dari penyearah gelombang penuh menjadi lebih halus dan lebih stabil dari penyearah setengah gelombang. Perhitungan tegangan DC pada penyearah gelombang penuh bisa dikatakan dua kali dari penyearah setengah gelombang. Hal ini karena semua siklus sinyal AC dikeluarkan. Jadi besarnya tegangan output dari penyearah gelombang penuh adalah 2 kali Vmax dibagi dengan π (pi). Dimana besarnya Vmax adalah tegangan puncak (V -peak) dari salah satu siklus sinyal AC. Atau sebesar 0.637Vmax. Dan jika dihitung dengan nilai RMS menjadi
0.637 kali √2 sama dengan 0.9Vrms.
2.5 Kelebihan Dan Kekurangan Penyearah Gelombang Penuh
Kelebihan dari penyearah gelombang penuh jelas terlihat pada outputnya yang lebih halus, stabil dan efisien karena mengeluarkan semua siklus sinyal input AC. Penyearah gelombang penuh juga cocok untuk membuat power supply simetris dengan output tegangan positif, nol dan negatif yang banyak dipakai pada sistem power amplifier OCL. Kelemahan dari penyearah gelombang penuh sebenarnya hanya dari segi biaya saja. Jika dipakai untuk menghasilkan power supply tunggal (single-supply) terlihat lebih mahal karena harus menyediakan satu lilitan lagi pada transformator untuk membalik fase. Untuk itulah dibuat penyearah sistem jembatan (bridge rectifier) yang lebih efektif pada aplikasi power supply tunggal (single-supply).
12
BAB III PENUTUP Kesimpulan 1. Komponen elektronika khususnya dioda penyearah berfungsi sebagai penyearah gelombang yang mengubah mengubah tegangan AC menjadi tegangan DC. 2. Membuat rangkaian penyearah setengah gelombang menggunakan satu buah dioda yang kaki anoda dihubungkan dengan tegangan masuk dan kutub katoda sebagai keluaran tegangan. Sedangkan rangkaian penyearah gelombang penuh dengan menggunakan 4 buah dioda yang dibuat seperti f ungsi dioda jembatan. 3. Besarnya tegangan keluaran pada penyearahan tanpa filter diperoleh dengan persamaan yang berlaku untuk penyearah setengah gelombang dan yang berlaku untuk penyearah gelombang penuh. Besarnya riak riak tegangan tegangan pada penyearahan dengan filter diperoleh dengan persamaan yang berlaku untuk penyearah setengah gelombang. Sedangkan yang berlaku untuk penyearah gelombang penuh.
DAFTAR PUSTAKA http://abi-blog.com/penyearah-tiga-fase-three-phase-rectifiers/ http://doddyangryawan.blogspot.co.id/2010/09/penyearah-gelombang-tiga-phasa.html http://jufrikablog.blogspot.co.id/2015/03/penyearah-gelombang-penuh-full-wave.html http://www.ilmusemesta.com/2014/05/laporan-elektronika-penyearahgelombang_21.html http://www.nulis-ilmu.com/2015/08/penyearah-gelombang-penuh.html
13
