PENYEARAH GELOMBANG
Muhammad Rizal Fahlepy*), Risna Zulwiyati
Laboratorium Elektronika dan Instrumentasi
LATAR BELAKANG
Di kehidupan sehari-hari, kita telah menjumpai berbagai macam komponen atau alat-alat elektronika seperti TV, handphone, laptop, kipas angin dan lain sebagainya. Mungkin di masing-masing rumah kita, sebagian besar peralatan elektronik menggunakan sumber daya listrik 220 volt dimana frekuensinya 50 Hz yang berasal dari PLN. Alat elektronik seperti radio, TV, charger handphone, rice cooker,kipas angin dan alat-alat lainya menggunakan asupan listrik PLN sebagai sumber energinya. Alat-alat elektronika tersebut tidak membutuhkan arus bolak-balik (AC) melainkan arus yang dibutuhkan adalah arus searah (DC). Oleh karena itu dibutuhkan suatu rangkaian yang dapat mengubah arus listrik bolak-balik AC dari PLN menjadi arus listrik searah DC. Komponen-komponen yang melakukan konversi arus dari AC ke DC ini disebut dengan rangkaian penyearah gelombang yang dalam perkembangannya dikembangkan menjadi suatu catu daya.
Penyearah gelombang (rectifier) adalah bagian dari komponen power supply atau catu daya yang dimana fungsinya adalah untuk mengubah sinyal tegangan AC (alternating current) menjadi tegangan DC (direct current). Komponen utama dalam penyearah gelombang baik itu penyearah gelombang penuh maupun setengah penuh adalah dioda yang dikonfigurasikan secara forward bias. Hal ini dilakukan, karenakan dioda memiliki karakteristik yang hanya melewatkan arus listrik yang searah dan menghambat arus listrik dari arah sebaliknya. Jika sebuah dioda dialiri arus bolak-balik, maka dioda tersebut hanya akan melewatkan setengah gelombang, sedangkan setengah gelombangnya lagi diblokir. Dalam sebuah power supply tegangan rendah sebelum tegangan AC tersebut diubah menjadi tegangan DC maka tegangan AC tersebut perlu diturunkan menggunakan transformator stepdown.
Transformator adalah alat yang berfungsi untuk menaikkan dan menurunkan tegangan, mengubah tegangan bolak-balik tertentu menjadi tegangan yang sesuai untuk disearahkan. Untuk dapat mengamati secara langsung grafik yang dihasilkan oleh arus bolak-balik maupun arus yang sudah dikonversi ke arus searah , maka digunakanlah osiloskop. Dari gambar sinusoidal yang terlihat pada layar osiloskop, kita dapat menentukan nilai maksimum dan nilai puncak ke puncak dari arus bolak-bali. Osiloskop adalah piranti pengujian yang dapat digunakan dalam beragam pengukuran,dimana aplikasi terpentingnya adalah tampilan berupa bentuk gelombang tegangan terhadap waktu. Rangkaian penyearah setengah lingkaran artinya hasil penyearah hanya pada bagian positif, yaitu setengah panjang gelombang dari tegangan bolak-balik sebagai sumbernya. untuk mengurangi besarnya tegangan yang sampai kediode digunakan trafo, yang kumparan primernya dapat langsung dihubungkan kejala-jala listrik. Jumlah lilitan kumparan kedua harus dihitung sedemikian rupa sehingga tegangan sekundernya masih dalam bata stegangan diode yang diperkenankan.
Penyearah gelombang (Rectifier) dapat dibedakan menjadi dua macam yaitu rectifier setengah gelombang dan rectifier gelombang penuh, sedangkan rectifier gelombang penuh msih dibagi lagi menjadi dua jenis, yaitu rectifier gelombang penuh menggunakan CT, dan rectifier gelombang penuh menggunakan jembatan dioda. Pada percobaan ini akan dibuat rangkaian penyearah setengah gelombang dan rangkaian penyerah gelombang penuh menggunakan jembatan dioda dimana masing-masing komponen yang diganakan yaitu trafo, dioda, resistor, kabel, multimeter, dan kapasitor elko.
RUMUSAN MASALAH
- Apa saja penerapan komponen dioda dalam penyearah gelombang ?
- Bagaimanakah perancangan penyerah gelombang yang baik dan benar ?
- Bagaimana cara menetukan tegangan riak yang dihasilkan dan tegangan output penyearahan tanpa dan dengan filter ?
TUJUAN PRAKTIKUM
Mahasiswa diharapkan dapat:
- Menerapkan komponen dioda sebagai penyearah gelombang.
- Membuat rancang bangun penyearah setengah gelombang dan gelombang penuh sederhana.
- Menentukan besar riak tegangan dan tegangan keluaran hasil penyearahan tanpa dan dengan filter.
KAJIAN TEORI
Salah satu rangkaian dasar dalam elektronika adalah rangkaian penyearah gelombang. Rangkaian ini terdiri dari satu atau beberapa dioda. Dioda merupakan komponen elektronika yang paling sederhana, yang tersusun dari dua jenis semikonduktor, yaitu semikonduktor jenis-n dan jenis-p yang memiliki sifat mengalirkan arus dalam satu arah saja. Karena sifat dioda yang hanya menyearahkan arus pada satu arah tegangan positif saja, maka dioda dapat dirangkaian sedemikian rupa sehingga dapat menghasilkan arus searah.
Dalam rangkaian penyearah gelombang, arus listrik yang semula berupa arus AC jika dilalui rangkaian penyearah akan berubah menjadi arus DC. Isyarat yang diproses dalam elektronika banyak yang berupa arus bolak-balik, dengan berbagai bentuk gelombang. Akan tetapi bentuk gelombang yang paling dasar adalah bentuk sinusoidal, oleh karena itu menurut dalil Fourier hampir semua bentuk gelombang dapat diuraikan dalam deret Fourier menggunakan bentuk gelombang sinusoidal (Sutrisno. 1986).
Ada dua jenis system penyearah gelombang yang umum digunakan, yaitu penyearah setengah gelombang dan penyearah gelombang penuh.
Penyearah setengah gelombang
Sebuah dioda ideal dan sebuah beban RL yang dirangkai secara seri dengan sebuah sumber daya a.c seperti diperlihatkan pada gambar 1. Model gelombang masukan dan keluaran rangkaian ditunjukkan pada gambar 2.
Jika penyearah setengah gelombang adalah sebuah rangkaian seri, maka dengan hukum kirchoff untuk tegangan, jatuh tegangan pada beban ditambah jatuh tegangan pada dioda harus sama dengan tegangan sumber v atau:
(1)
Nilai rata-rata dari setengah gelombang sinus dari siklus penuh ac adalah nilai puncak dibagi dengan π. Sedangkan nilai rata-rata tegangan beban, yang tidak lain adalah tegangan beban d.c., adalah nilai puncak garis tegangan dibagi dengan π.
(2)
Dengan Vf = 0,7 V adalah tegangan potong dioda.
Penyerah gelombang penuh(full-wave rectifier)
Rangkaian dasarnya dapat ditunjukkan pada gambar 6.3. Sistem penyearahan ini memiliki empat buah dioda yang disusun sedemikian rupa sehingga baik sebelum maupun setelah beban tetap disearahkan oleh masing-masing dua buah dioda. Dengan demikian, disipasi daya yang cukup tinggi pada masing-masing dioda dapat direduksi dengan susunan dioda-dioda tersebut.
Untuk memahami kerja dari rangkaian ini, diperlukan bahwa kedua dioda tersebut menghantar serentak. Misalnya pada bagian dari perioda ketika polaritas transformator seperti pada gambar, dioda 1 dan 2 menghantar dan arus mengalir dari ujung beban positif ke ujung beban negatif. Dalam setengah perioda berikutnya tegangan transformator membalik polaritasnya dan dioda 3 dan 4 mengirim arus melalui beban dalam arah yang sama dengan setengah perioda yang sebelumnya.
Nilai puncak dari tegangan beban d.c adalah:
(3)
Oleh karena siklus sinyal melewati dua buah dioda. Nilai rata-rata atau tegangan dc pada beban adalah:
(4)
Dimana nilai ini menjadi lebih besar di banding penyearahan setengah gelombang.
Penyearahan dengan filter
Rangkaian filter atau tapis yang popular adalah rangkaian filter kapasitor sederhana yang bagan dasarnya dapat dilihat pada gambar dibawah ini:
Bentuk gelombang pada gambar 5 menunjukkan bentuk gelombang tegangan output secara pendekatan untuk sinyal penyearahan gelombang penuh. Dari analisis bentuk hubungan-hubungan, maka diperoleh:
(5)
Persamaan diatas berlaku baik pada penyearahan setengah gelombang maupun penyearah gelombang penuh.
Tegangan riak, Vr
Hubungan antara tegangan riak puncak ke puncak dengan tegangan puncak vm, dan frekuensi tegangan arus bolak-balik f adalah:
= vm; berlaku untuk penyearahan gelombang penuh (6)
= vm; berlaku untuk penyearahan setengah gelombang (7)
Tegangan DC, Vdc
Tegangan dc dari hasil filter adalah:
. Vdc = vm - ; berlaku untuk kedua jenis penyearah (8)METODE PERCOBAAN
Alat dan Bahan
a. Digital multimeter, untuk mengukur Vout pada rangkaian. 1 buahb. Dioda penyearah, untuk menyearahkan gelombang ac menjadi gelombang dc 4 buah
c. Kapasitor elektrolit 100 µF dan 47 µF, berfungsi sebagai filter. 2 buah
d. Resistor 1000±5% Ω, berfungsi sebagai regulator tegangan. 1 buah
e. Papan kit, berfungsi sebagai tempat untuk menyusun rangkaian 1 buah
f. Konektor, untuk menghubungkan rangkaian 1 buah
g. Kabel penghubung, untuk menghubungkan rangkaian 3 buah
h. Power supply, sebagai sumber tegangan 1 buah
i. Osiloskop sinar katoda+probe, untuk menampilkan bentuk gelombang 1 set
Identifikasi Variabel
Kegiatan 1
a. Variabel Kontrol : Resistansi dengan satuan (Ω), kapasitansi kapasitor, satuannya (µF)
b. Variabel manipulasi : Tegangan sumber dengan satuan(V)
c. Variabel respon : tegangan output dengan satuan(V)
Kegiatan 2
a. Variabel Kontrol : Resistansi dengan satuan (Ω), kapasitansi kapasitor, satuannya (µF)
b. Variabel manipulasi : Tegangan sumber dengan satuan(V)
c. Variabel respon : tegangan output dengan satuan(V)
Definisi Operasional Variabel
Kegiatan 1
a. Resistansi resistor adalah nilai hambatan dari resistor yang digunakan sebagai beban dalam rangkaian ini. Nilai tersebut ditentukan berdasarkan hasil pembacaan cincin warna pada resistor. Satuan resistansi resistor adalah ohm (Ω ).
b. Kapasitansi kapasitor adalah yang tertera pada kapasitor yang digunakan sebagai filter dalam rangkaian penyearah gelombang ini. Nilai kapasitansi kapasitor ditentukan berdasarkan keterangan yang tertera pada alat dan memiliki satuan microfarad(µF).
c. Tegangan sumber adalah nilai tegangan awal yang berasal dari power supply dan selanjutnya mengalir dalam rangkaian. Tegangan sumber ditentukan beradasarkan penunjukan yang tertera pada power supply dan memiliki satuan volt (V).
d. Tegangan output adalah tegangan keluaran yang berasal dari dalam rangkaian setelah penyearahan gelombang oleh dioda berlangsung. Tegangan output ditentukan berdasarkan jumlah skala yang ditunjukkan pada osisloskop sinar katoda. Tegangan output memiliki satuan volt (V).
Prosedur Kerja
Sebelum melaksanakan kegiatan, kita harus terampil menggunakan osiloskop. Hal yang pertama-tama dilakukan adalah mencatat nilai spesifikasi masing-masing komponen yang digunakan. Setelah itu mulai merakit kit percobaan seperti pada gambar berikut.
Gambar
Setelah yakin bahwa rangkaian telah benar, menghubungkan input salah satu channel osiloskop dengan terminal input (Vin) dari rangkaian untuk mendapatkan tampilan gelombang masukan. Dari tampilan tersebut dapat diukur nilai tegangan Vin, kemudian mencatat hasil pengamatan ini sebagai nilai tegangan Vin. Setelah itu memindahkan probe osiloskop ke output (Vout) rangkaian untuk mengamati tampilan keluaran dan mencatatnya sebagai tegangan keluaran (Vout) dan menggambar bentuk gelombangnya. Selain itu, Vout juga diukur dengan menggunakan voltmeter digital kemudian mencatat dan membandingkan hasilnya.
Gambar 6. Penyearah setengah gelombang
Setelah kegiatan di atas selesai, kemudian mengulangi pengukuran Vin dengan menghubungkan input salah satu channel osiloskop dengan terminal input (Vin) dari rangkaian untuk mendapatkan tampilan gelombang masukan, dan mengukur Vout. Nilai tegangan masukan diubah-ubah sampai memperoleh sedikitnya 3 data. Kemudian menyusun kembali rangkaian dengan memparalel hambatan beban dengan sebuah kapasitor elektrolit (Elco) 100 /25 V dan melakukan pengukuran sebagaimana yang dilakukan pada rangkaian pertama tadi Selanjutnya melanjutkan kegiatan pengukuran untuk rangkaian penyearah gelombang penuh berikut:
Gambar 7. Penyearah Gelombang Penuh Sistem Jembatan
HASIL PENGAMATAN DAN ANALISIS DATA
Untuk hasil pengamatan dan analisis data dari laporan penyearah gelombang ini, dapat diperoleh pada link disini (PDF)
PEMBAHASAN
Pada kegiatan praktikum kali ini, mengenai Penyearah Gelombang, dimana diketahui Penyearah merupakan rangkaian elektronika yang berfungsi menyearahkan gelombang arus listrik. Arus listrik yang semula berupa arus bolak-balik (AC) jika dilewatkan rangkaian penyearah akan berubah menjadi arus searah (DC).
Percobaan pada praktikum ini terdapat dua jenis kegiatan yaitu penyearah setengah gelombang (Half-Wave Rectifier) dan penyearah gelombang penuh (Full-Wave Rectifier). Dimana Pada penyearah setengah gelombang sebuah diode ideal dan sebuah resistor beban RL yang dirangkai secara seri dengan sebuah sumber daya AC sedangkan penyearah gelombang penuh memiliki empat buah diode yang disusun sedemikian rupa sehingga baik sebelum dan setelah beban tetap disearahkan oleh masing-masing dua buah dioda.
Pada kegiatan pertama dilakukan dengan menggunakan dua tegangan sumber. Dimana tegangan sumber (Vs) pertama sebesar 6 Volt dan tegangan sumber (Vs) kedua sebesar 12 Volt. Dan dengan Rl = 1000 Ω, C1 = 47 x 10ˆ-6 F, C2 = 100 x 10ˆ-6 F serta dengan f = 50 Hz.
Berdasarkan analasis perhitungan dimana Vs = 6 V, tegangan efektif (Vef) yang diperoleh sebesar 2,84 V, dan VDC rata-rata sebesar 0,732 V. Pada penentuan tegangan output (Vout) tanpa filter diperoleh Vout sebesar 2,3 V, sedangkan secara praktikum, diperoleh sebesar 8 V hal ini dikarnakan osiloscop sudah kuno maka hasil pembacaan yang diperoleh pun jelek. Sehingga diperoleh hasil % diff sebesar 110 %. Sementara pada penentuan tegangan output dengan filter dimana C1 = 47 x 10ˆ-6 F diperoleh Vout secara teori sebesar 0,979 V, Vout secara praktikum sebesar 3 V. Dilihat dari hasil analisis tersebut, Vout secara teori jauh berbeda dengan Vout secara praktikum. Sehingga diperoleh %diff sebesar ratusan %. Dan untuk C2 = 100 x 10ˆ-6 F diperoleh Vout secara teori sebesar 2,3 V, Vout secara praktikum sebesar 2 V. Dilihat secara seksama, Vout secara teori berbeda jauh dengan Vout secara praktikum, sehingga diperoleh %diff sebesar 28,5 %.
Sedangkan berdasarkan analisis perhitungan dimana Vs = 12 V, tegangan efektif (Vef) yang diperoleh sebesar 4,26 V dan dengan VDC rata-rata sebesar 1,68 V. Dan pada penentuan tegangan output (Vout) tanpa filter diperoleh Vout secara teori sebesar 5,3 V, sedangkan secara praktikum, diperoleh sebesar 16,5 V. Jika dilihat dengan seksama, nilai Vout secara praktikum terlalu jauh berbeda dengan Vout secara teori. Sehingga diperoleh hasil % diff sebesar ratusan %. Sementara pada penentuan tegangan output dengan filter dimana C1 = 47 x 10ˆ-6 F diperoleh Vout secara teori sebesar 2,12 V, Vout secara praktikum sebesar 17,5 V. Dilihat dari hasil analisis tersebut, Vout secara teori sangat jauh berbeda dengan Vout secara praktikum. Sehingga diperoleh %diff sebesar ratusan %. Dan untuk C2 = 100 x 10ˆ-6 F diperoleh Vout secara teori sebesar 1,06 V, Vout secara praktikum sebesar 16,5 V. Dilihat secara seksama, Vout secara teori masih jauh berbeda dengan Vout secara praktikum, sehingga diperoleh %diff sebesar ratusan %.
Adapun hasil %diff yang terlalu besar, dapat terjadi karena adanya kesalahan praktikan dalam pembacaan alat ukur atau diakibatkan karena kesalahan praktikan pada saat menganalisis data.Sementara, jika diperhatikan dari berbagai kegiatan yang dilakukan tersebut, dalam penentuan tegangan output dengan menggunakan filter, ternyata semakin besar nilai kapasitansinya (filter yang digunakan) maka semakin kecil tegangan yang akan dihasilkan, dan hal ini dapat mempengaruhi bentuk gelombangnya.
KESIMPULAN
Berdasarkan percobaan yang telah dilakukan maka dapat disimpulkan bahwa:
a) Dioda menyearahkan gelombang dengan cara arus eksternal yang bersifat positif masuk ke polartias positif pada diode hal ini mengakibatkan rangkaian hubung singkat sehingga arus dapat lewat dengan setengah gelombang yang terbentuk dan arus negative dalam hal ini electron masuk ke kutub polaritas positif diode yang lain sehingga arus tidak dapat lewat maka tidak terbentuk gelombang (diredam) sehingga terbentuklah gelombang searah
b) Pada penyearah setengah gelombang menggunakan sebuah dioda yang kaki anodanya dihuungkan dengan tegangan masuk dan kutub katodanya sebagai keluaran tegangan. Sedangkan rangkaian penyearah gelombang penuh menggunakan 4 dioda yang dibuat sebagai fungsi dioda jembatan.
c) Besar tegangan keluaran pada penyearah tanpa dan dengan filter diperoleh dengan persamaan yang berlaku untuk penyearah setengah gelombang dan yang berlaku untuk penyearah gelombang penuh. Kemudian secara praktikum diperoleh untuk besar tegangan riaknya pada gelombang yang tampak pada layar osiloskop.
DAFTAR PUSTAKA
Bakri,Abd.Haris.M.Agus Martawijaya. Muh.Saleh. 2015. Dasar-Dasar Elektronika. 2015. Sulawesi Tengah: Edukasi Mitra Grafika.
Sutanto, 1994. Rangkaian Elektronika (Analog). Depok : Universitas Indonesia (UI-Press).
Sutrisno. 1986. Elektronika, Teori dan Penerapannya, Jilid 1. Bandung : Penerbit ITB.
Tim Penyusun Elektronika.2016. Penuntun Praktikum Elektronika Dasar I. Makassar: FMIPA UNM.