Full Wave Rectifier - Penyearah Gelombang Penuh

ELEKTRONIKA ANALOG

Full Wave Rectifier - Penyearah Gelombang Penuh

Assalamualaikum Wr.Wb

Hai teman-teman, kembali lagi nih dengan Elektronika Analog, tau sendiri kan? kemarin laras suka publish Program terus? nah, sekarang saatnya berpindah teori yaitu Elektronika Analog lebih tepatnya, dengan materi penyearah gelombang penuh guys!!! okay, sekarang saatnya laras jelaskan!! simak ya guys!

Rangkaian Jembatan Penyearah

Level tegangan DC dari sinyal output pada penyearah setengah gelombang kurang dari 50% dari sinyal inputnya karena outputnya hanya separuh siklus dari sinyal inputnya. Level tegangan DC ini bisa ditingkatkan hingga 100% dengan menggunakan penyearah gelombang penuh. Rangkaian yang paling banyak digunakan sebagai penyearah umumnya berbentuk rangkaian jembatan dioda seperti ditunjukkan pada gambar 1. 

Gambar 1 Rangkaian jembatan penyearah gelombang penuh (full wave bridge rectifier)

Pada saat t = 0 hingga t = T/2, polaritas dari tegangan input, vi, ditunjukkan pada gambar 2.Dengan polaritas tegangan input seperti ditunjukkan pada gambar 2, membuat dioda D2 dan D3menjadi “on” sedangkan dioda D1 dan D4 menjadi “off”. Dioda yang “on” diganti dengan short circuit sedangkan dioda yang “off” diganti open circuit. Kita bisa lihat bagaimana arus dapat mengalir melewati dioda D2 dan D3. Apabila keempat dioda pada rangkaian tersebut ideal (tidak ada drop tegangan pada saat “on”) maka tegangan input, vi, sama dengan tegangan output, vo(vo = vi).

Gambar 2 Jalur konduksi yang dilewati arus pada saat siklus tegangan positif vi

Sedangkan pada saat siklus negatif, dioda D1 dan D4 menjadi “on” sedangkan dioda D2 dan D3menjadi “off” seperti ditunjukkan pada gambar 3. Arus mengalir dalam rangkaian melewati dioda D2 dan D3. Hal penting yang perlu kita perhatikan pada gambar 3 adalah pada sinyal outputnya (vo). Pada saat tegangan input vi bernilai negatif ternyata tegangan output vo bernilai positifnya (vo = -vi) sehingga menghasilkan sinyal positif yang kedua pada outputnya.

Gambar 3 Jalur yang dilewati oleh arus listrik pada saat siklus tegangan negatif. Perhatikan sinyal outputnya bernilai positif.

Jadi, selama satu siklus penuh dari sinyal input vi, hasil sinyal outputnya ditunjukkan pada gambar 4. Kita lihat pada gambar 4 seakan-akan sinyal input yang bernilai negatif dibalik menjadi bernilai positif di outputnya.

Gambar 4 Bentuk gelombang tegangan input dan output dari rangkaian penyearah gelombang penuh

Karena area di atas sumbu horisontal dari sinyal outputnya memiliki luas dua kali lipat sinyal output penyearah setengah gelombang, maka level tegangan DC nya (tegangan rata-rata) juga menjadi dua kali lipat.

VDC = 2 × VDC  setengah gelombang  = 2(0.318 Vm)

VDC = 0.636Vm    untuk penyearah gelombang penuh

Apabila kita menggunakan model dioda yang tidak ideal, misal kita menggunakan dioda silikon, maka tegangan output tidak akan sama dengan tegangan input karena tegangan inputnya akan dipotong untuk membuat dioda “on” (VT, tegangan on). Karena pada saat siklus positif dan siklus negatif terdapat dua buah dioda yang “on”, dengan menggunakan hukum Kirchoff tegangan (KVL) pada jalur yang dilalui arus seperti ditunjukkan pada gambar 5, diperoleh persamaan

vi – VT – vo – VT = 0

vo = vi – 2VT

dan tegangan output maksimum adalah

Vomax = Vm – 2VT

Tegangan DC rata-rata dari outputnya apabila tegangan drop pada dioda diperhitungkan

VDC = 0.636(Vm – 2VT)

Gambar 5 Menghitung tegangan output apabila drop tegangan dioda diperhitungkan

Penyearah Gelombang Penuh dengan Trafo Center-Tap (CT)

Rangkaian penyearah gelombang penuh yang juga banyak digunakan ditunjukkan pada gambar 6. Penyearah gelombang penuh tersebut hanya menggunakan dua dioda tetapi harus menggunakan trafo center tap (CT). Keluaran dari trafo CT dimasukkan ke rangkaian penyearah gelombang penuh yang terdiri dari dua buah dioda ini.

Gambar 6 Rangkaian penyearah gelombang penuh menggunakan trafo center tap (CT)

Pada saat tegangan input vi bernilai positif dan diinputkan pada lilitan primer dari trafo, maka rangkaian ekivalennya ditunjukkan pada gambar 7. Ada dua keluaran tegangan dari trafo CT ini pada lilitan sekundernya. Kedua keluaran ini memiliki bentuk gelombang yang sama apabila susunan polaritas dari kedua tegangannya seperti ditunjukkan pada gambar 7. Pada saat siklus tegangan positif, dioda D1 “on” dan dioda D2 “off”. Arus dapat mengalir melewati dioda D1. Sehingga tegangan output vo (atau tegangan pada resistor R) memiliki bentuk yang sama dengan tegangan inputnya.

Gambar 7 Kondisi rangkaian pada saat siklus tegangan positif vi.

Pada saat siklus tegangan negatif, kondisi rangkaian ditunjukkan pada gambar 8. Kali ini dioda D1“off” dan dioda D2 “on”, arus masih bisa mengalir melewati dioda D2. Dan tegangan output, yaitu tegangan pada resistor R, bernilai positif sesuai dengan polaritas vo yang telah ditentukan. Jadi, rangkaian ini memiliki fungsi yang sama dengan rangkaian penyearah gelombang penuh pada gambar 1.

Gambar 8 Kondisi rangkaian pada saat siklus tegangan negatif vi

Sekilas, penyearah gelombang penuh dengan trafo CT ini terlihat lebih ringkas karena hanya menggunakan dua buah dioda. Tetapi untuk rangkaian dengan kebutuhan daya yang tinggi, trafo CT tersedia dalam ukuran yang sangat besar dan harganya yang mahal. Konsekuensinya, rangkaian penyearah dengan trafo CT ini lebih umum digunakan untuk membuat power supply daya rendah (low power).

Contoh Soal

Tentukan bentuk gelombang output dari rangkaian pada gambar 9, lalu hitunglah level tegangan DC nya (tegangan rata-rata).

Gambar 9 Contoh soal angkaian jembatan penyearah

Solusi

Pada saat tegangan input bernilai positif,  kondisi rangkaian ditunjukkan pada gambar 10. Tetapi untuk mengitung tegangan output, vo, pada rangkaian gambar 10 ini agak sulit karena hubungan seri-paralel dari ketiga resistor itu tidak begitu jelas. Maka rangkaian pada gambar 10 digambar ulang sehingga tampak pada rangkaian gambar 11 dimana hubungan seri paralel antar resistor bisa terlihat. Dari rangkaian pada gambar 10, tegangan vo dapat dihitung dengan mudah dengan menggunakan aturan pembagi tegangan (voltage divider) yaitu:

Maka tegangan maksimum dari outputnya adalah

Gambar 10 Kondisi rangkaian pada saat tegangan input bernilai positif

Gambar 11 Rangkaian pada gambar 10 digambar ulang untuk mempermudah analisa seri-paralel

Tegangan maksimum dari outputnya adalah 5 V. Hasil yang sama persis diperoleh saat tegangan input bernilai negatif. Arus listrik mengalir melewati dioda yang sebelah kiri. Hasil tegangan output untuk satu siklus penuh tegangan input ditunjukkan pada gambar 12.

Gambar 12Bentuk gelombang hasil tegangan output dari contoh soal

Penyearah Gelombang Penuh Dua Kutub (Bipolar)

Penyearah gelombang penuh dengan trafo CT pada penjelasan di atas menghasilkan tegangan output DC yang bernilai positif. Kita bisa memodifikasi rangkaian tersebut sehingga dapat menghasilkan tegangan output DC yang bernilai negatif. Caranya adalah dengan membalik arah dioda pada rangkaian gambar 6. Lebih jauh lagi, kita bisa menempatkan penyearah gelombang penuh “positif” dan penyearah gelombang penuh “negatif” secara paralel seperti ditunjukkan pada gambar 13.

Gambar 13 Rangkaian penyearah gelombang penuh dua kutub (bipolar) dengan trafo CT.

Rangkaian penyearah gelombang penuh polaritas (kutub) positif menggunakan dua dioda berwarna hitam. Sedangkan rangkaian penyearah gelombang penuh polaritas negatif menggunakan dua dioda yang berwarna biru. Bisa anda lihat pada gambar 13, rangkaian ini menghasilkan dua sinyal output yaitu tegangan DC positif dan tegangan DC negatif dengan menggunakan sebuah trafo CT  dan satu sinyal input AC (tegangan AC satu fasa).

Alternatif lain dari rangkaian penyearah gelombang penuh bisa anda perhatikan pada gambar 14.

Gambar 14 Rangkaian jembatan penyearah gelombang penuh alternatif.

Satu keuntungan bila kita menggunakan rangkaian penyearah pada gambar 14, yaitu kita bisa mengembangkan rangkaian penyearah ini untuk sistem sumber AC tiga fasa (three-phase) seperti ditunjukkan pada gambar 15.

Gambar 15 Rangkaian jembatan penyearah gelombang penuh tiga fasa

Masing-masing line dari sistem tiga fasa ini dihubungkan diantara sepasang dioda : satu dioda menyediakan jalan menuju kutub positif dari beban dan satu dioda lainnya menyediakan jalan menuju kutub negatif dari beban. Bahkan sistem yang lebih dari 3 fasa juga bisa menggunakan rangkaian penyearah model ini. Seperti rangkaian penyearah 6 fasa pada gambar 16.

Gambar 16 Rangkaian penyearah gelombang penuh 6 fasa

Ketika tegangan AC polifasa disearahkan, beda fasa dari masing-masing pulsanya akan saling menindih satu sama lain sehigga menghasilkan tegangan DC yang lebih halus (riak tegangan DC nya lebih kecil) dari pada sinyal yang dihasilkan dari penyearah tegangan AC fasa tunggal. Bentuk sinyal input tegangan tiga fasa dan hasil outputnya ditunjukkan pada gambar 17.

Gambar 17 Output penyearah gelombang penuh tiga fasa

Salah satu kelebihan dari penyearah gelombang penuh tiga fasa ini adalah hasil tegangan outputnya yang lebih halus (perhatikan garis hijau pada gambar 17) daripada output penyearah gelombang penuh fasa tunggal (bentuk gelombangnya seperti gunung-gunung). Sehingga diperlukan suatu filter untuk memperkecil bentuk “gunung-gunung” dari output penyearah fasa tunggal ini. Sedangkan pada penyearah tiga fasa, kita tidak memerlukan filter lagi.

Terkadang metode penyearahan (rectification) ini diberi nama berdasarkan jumlah pulsa tegangan DC yang dihasilkan setiap 1 periode sinyal input AC (360o). Misalkan pada rangkaian penyearah setengah gelombang fasa tunggal, rangkaian tersebut diberi nama penyearah 1 pulsa (1 pulse rectifier) karena rangkaian tersebut menghasilkan satu pulsa tegangan DC untuk tiap 1 periode tegangan inputnya.Sedangkan penyearah gelombang penuh fasa tunggal disebut dengan penyearah 2 pulsa (2 pulse rectifier) karena rangkaian ini menghasilkan dua pulsa DC tiap 1 periode sinyal inputnya. Berdasarkan penamaan ini, maka penyearah gelombang penuh 6 fasa disebut dengan penyearah 6 pulsa.

Teknik elektro modern menggunakan suatu istilah penyederhanaan untuk tiap-tiap model rangkaian penyearah. Istilah penyederhanaan ini menunjukkan tiga parameter dari rangkaian penyearah tersebut, yaitu jumlah fasa, jumlah arah arus, dan jumlah pulsa DC outputnya. Misalkan rangkaian penyearah setengah gelombang fasa tunggal yang memiliki nama 1Ph1W1P (1 phase, 1 way, 1 pulse) atau (1 fasa, 1 arah, 1 pulsa). 1 fasa menunjukkan rangkaian tersebut menggunakan tegangan AC 1 fasa (fasa tunggal), 1 arah menunjukkan bahwa arus yang lewat dalam rangkaian penyearah tersebut memiliki 1 jalur arah, 1 pulsa karena rangkaian tersebut menghasilkan 1 pulsa tegangan DC tiap 1 periode tegangan inputnya. Rangkaian penyearah gelombang penuh fasa tunggal dengan trafo CT disebut dengan 1Ph1W2P karena inputnya adalah tegangan AC 1 fasa, hanya ada 1 jalur arah yang dilewati arus dalam rangkaian itu dan ada 2 pulsa tegangan DC yang dihasilkan tiap 1 periode tegangan inputnya. Sedangkan rangkaian jembatan penyearah gelombang penuh fasa tunggal disebut dengan 1Ph2W2P karena tegangan inputnya 1 fasa, ada 2 arah jalur yang bisa dilewati arus dalam rangkaian penyearah itu, dan ada 2 pulsa tegangan DC tiap 1 periode tegangan inputnya. Jadi, untuk rangkaian penyearah gelombang penuh tiga fasa disebut dengan 3Ph2W6P.

Ada satu tips untuk meningkatkan jumlah pulsa tegangan DC output dari rangkaian peyearah khususnya pada sistem 3 fasa. Caranya adalah dengan memodifikasi trafo 3 fasanya dan meletakkan sepasang rangkaian penyearah pada outputnya secara paralel. Pada trafo tiga fasa, apabila model konfigurasi pada lilitan primer dan sekundernya berbeda, maka tegangan output pada bagian sekundernya memiliki beda fasa sebesar 30o terhadap tegangan lilitan primernya. Apabila model konfigurasinya sama antara lilitan primer dan sekunder, maka tidak akan ada beda fasa. Jadi, untuk trafo dengan model wye to delta (Y-Δ) atau delta to wye (Δ-Y), tegangan pada lilitan primer dan sekundernya memiliki beda fasa sebesar 30o. Sedangkan trafo yang memiliki hubungan wye to wye (Y-Y) dan delta to delta (Δ-Δ), tegangan pada lilitan primer dan sekundernya memiliki beda fasa sebesar 0o. Kita bisa memanfaatkan kedua prinsip ini untuk menghasilkan pulsa tegangan output yang lebih banyak yaitu dengan menyusun sepasang penyearah yang diparalel dan trafo 3 fasa seperti ditunjukkan pada gambar 17. Lilitan sekunder yang di atas memiliki hubungan wye to wye (Y-Y) sehingga tegangan pada lilitan sekunder ini memiliki beda fasa 0o dengan tegangan primernya dan menghasilkan 6 pulsa DC dari rangkaian penyearahnya. Sedangkan lilitan sekunder yang di bawah memiliki hubungan wye to delta (Y-Δ) sehingga tegangan pada lilitan ini memiliki beda fasa sebesar 30o dengan tegangan pada lilitan primer dan lilitan sekunder yang atas. Dari rangkaian penyearah pada lilitan sekunder bawah ini juga menghasilkan 6 pulsa DC. Karena kedua lilitan primer ini (atas dan bawah) dirangkai paralel, maka jumlah pulsa output penyearahnya adalah 6 pulsa + 6 pulsa = 12 pulsa. Jadi, untuk satu siklus/periode tegangan AC 3 fasa, bisa menghasilkan tegangan output 12 pulsa DC. Lalu, apa keuntungan dari jumlah pulsa DC yang lebih banyak seperti ini? Tentu saja, semakin banyak pulsa DC yang dihasilkan, maka semakin halus tegangan DC output yang dihasilkan oleh penyearah tersebut.

Gambar 18 Rangkaian penyearah tiga fasa : 3 phase – 2 way – 12 pulse (3Ph2W12P)

okay guys!! laras sudah menjelaskan nih apa sih itu full wave rectifier, sekarang laras undur diri ya.

wassalamualaikum Wr.Wb