Penyearah Tegangan dengan Pengaturan Zener

Tegangan keluaran dari penyearah akan mengalami penurunan tegangan bila kita bebani. Kita dapat mencegah terjadinya hal ini sehingga kita peroleh penyearah yang tidak akan turun tegangan keluarannya jika kita bebani dengan batas-batas tertentu. Dengan menggunakan dioa zener maka tujuan tersebut akan dapat dicapai. Berikut gambar rangkaian penyearah dengan pengaturan zener :

Suatu penyearah dengan pengaturan tegangan, mempunyai tegangan keluaran yang tetap jika diberi beban arus dalam batas tertentu. Tanpa pengaturan, penurunan tegangan keluaran oleh arus beban terjadi karena penyearah mempunyai hambatan–dalam yang terdiri dari hambatan gulungan transformator dan hambatan-dalam dioda. Pada arus beban yang besar terjadi jatuh tegangan pada hambatan-dalam ini sehingga tegangan keluaran berkurang ( gambar A )

Nilai hambatan keluaran R0 dapat ditentukan dengan mengukur V0 sebagai fungsi aus beban IL. hal ini dapat dilihat pada lengkung pembebanan dalam gambar B. Kemiringan grafik lengkung pembebanan tak lain adalah hambatan keluaran R0.

Pengaturan tegangan dapat dibuat dengan menggunakan dioda Zener. Ini dilakukan seperti pada gambar C.


Dengan membuat Va lebih besar dari tegangan Zener, maka dioda Zener bekerja pada daerah dadal, sehingga tegangan keluaran tetap untuk berbagai nilai arus beban, selama Vbtidak kurang dari 12 V.

Dari gambar C., tampak




Persamaan di atas adalah persamaan garis beban untuk dioda Zener kita. Ini dilukiskan pada gambar D.



Gambar D. Garis Beban pada Catu Daya dengan Pengatur Zener

Tampaklah jika IL = 0, seluruh arus IS mengalir pada dioda. Pada keadaan ini dioda Zener menjadi panas sebab pada dioda terjadi lesapan daya sebesar PD = IS VZ. Kita harus pilih nilai IS agar lesapan daya ini tak melebihi kemampuan daya dioda Zener yang digunakan.

Penyearah Gelombang Penuh

Selama setengah siklus tegangan sekunder yang positif, dioda yang diatas mengalami pratengan balik: sehingga arus mengalir melalui dioda yang di atas, tahanan beban, dan setengah belitan yang di atas (Gb. *).

Selama setengah siklus yang negatif, arus mengalir melalui dioda yang di bawah, tahanan beban, dan setengah belitan yang di bawah (Gb. **).

Perhatikan bahwa dalam gb. * dan gb. ** tegangan beban mempunyai polaritas yang sama. Hal ini disebabkan karena arus mengalir melalui tahanan beban dari arah yang sama tanpa memperhatikan dioda mana yang mengahantar. Jadi, tegangan beban berbentuk sinyal gelombang penuh yang disearahkan seperti terlihat pada gambar berikut :


Penyearah gelombang penuh seperti dua penyearah gelombang setengah yang saling membelakang dengan satu penyearah menangani setengah siklus pertama dan yang lainnya menangani setengah siklus yang kedua. Karena adanya sambungan tengah pada belitan sekunder, masing-masing rangkaian dioda hanya menerima setengah gelombang sekunder. Bila dioda dianggap sempurna, ini berarti bahwa puncak tegangan keluar yang disearahkan adalah :

Menapis Gelombang Penuh
Cara lain untuk mengurangi riak ialah dengan menggunakan penyearah gelombang penuh atau penyearah jembatan ; jadi frekuensi riaknya 120 Hz sebagai pengganti 50 Hz. Dalam hal ini, kapasitor diisi dua kali lebih sering dan hanya mempunyai setengah waktu pembuangan (lihat gambar di bawah). Akibatnya, riak menjadi lebih kecil dan tegangan keluaran dc-nya lebih mendekati tegangan puncak.

Penyearah Setengah Gelombang

Pada setengah siklus tegangan sekunder yang positif, dioda mengalami prategangan maju untuk setiap tegangan-tegangan sesaat yang lebih besar daripada tegangan offset (0,7 V untuk Si dan 0,3 V untuk Ge). Ini menghasilkan tegangan lintas tahanan beban yang mendekati bentuk setengah gelombang sinus. Anggap dioda ideal, sehingga puncak tegangan yang disearahkan sama dengan puncak tegangan sekunder. Pada setengah siklus negative, dioda mengalami prategangan balik. Dengan mengabaikan arus bocor (yang sama dengan arus balik), arus beban menjadi nol ; inilah sebabnya mengapa tegangan beban jatuh menjadi nol di antara 180° dan 360°. Lihat gambar (115 V ac dan 60 Hz) berikut :



Hal penting yang patut diperhatikan tentang penyearah setengah gelombang adalah sebagai berikut : ia mengubah tegangan masuk ac menjadi tegangan dc yang berdenyut.Dengan kata lain, tegangan beban selalu positif atau nol, tergantung di setengah siklus yang mana tegangan bebab V berbeda. Dikatakan dengan cara lain, arus bebannya selalu mempunyai arah yang sama. Pengubahan dari ac ke dc ini dikenal sebagai penyearahan.

Isolator Pulsa (Optocoupler)

    Rangkaian  optocoupler berfungsi untuk  melindungi rangkaian kontrol apabila terjadi kesalahan atau gangguan pada rangkaian daya.Rangkaian optocoupler diperlihatkan pada
gambar 2.6 dibawah ini.

Penyearah Tanpa Beban

Rangkaian  tanpa  beban dengan pemasangan kapasitor  beserta  bentuk keluarannya diperlihatkan pada  gambar  8.7. Saat  sumber  tegangan  (masukan)  dihidupkan, satu diode  berkonduksi  dan keluaran  berusaha  mengikuti tegangan  transformator.Pada kondisi ini tiba-tiba tegangan kapasitor menjadi besar dan arus yang mengalir menjadi besar (dalam ini,  i = C dv / dt; dv / dt = ∞ ).   Saat masukan  membesar  keluaran  juga akan membesar, namun saat masukan menurun tegangan kapaasitor atau keluaran tidak mengalami  penurunan tegangan  karena tidak  ada  proses  penurunan tegangan.Dalam keadaan ideal ini, tegangan keluaran DC akan sama dengan tegangan puncak masukan dan akan ditahan untuk seterusnya.

Gambar 8.7 Penyearah tanpa beban : 

a) Rangkaian dengan tapis kapasitor

b) bentuk keluara

Beberapa implikasi dari anggapan ideal tersebut adalah:

i) Arus  dari transformr  tergantung  pada  hambatan kumparan  dan  mungkin

tergantung  pada  kemampuan  magnet  dari intinya,  sehingga  kemungkinan

tegangan keluarannya berubah-ubah.

ii) Diode bukan konduktor yang sempurna saat berpanjar maju,  untuk silikon

biasnya akan mengalami penurunan tegangan sekitar 0,6 sampai dengan 1,0

volt  dan  juga  bukan  merupakan  isolator  yang  sempurna  saat  berpanjar

mundur.

iii) Tegangan  kapasitor  biasanya meluruh, baik  karena adanya  penurunan  arus

yang  terambil melalui  beban  atau karena  terjadi  kebocoran  pada  kapasitor

sendiri atau pada diode.

Penyearah Keluaran Ganda

    Pada  berbagai  sistem  elektronik diperlukan  sumber  daya  dengan  keluaran  ganda

sekaligus, positif  dan  negatif terhadap referensi (tanah).  Salah satu bentuk rangkaian

penyearah gelombang penuh keluaran ganda diperlihatkan pada gambar 8.5.  Perhatikan

bahwa keluaran berharga sama tetapi mempunyai polaritas yang berkebalikan.

    Diode  D1 dan  D2  adalah  penyearah untuk bagian  keluaran positif.  Keduanya

dihubungkan dengan ujung transformer.  Diode D3 dan D4 merupakan penyearah untuk

keluaran  negatif.  Titik keluaran positif  dan negatif  diambil terhadap  CT  sebagai

referensi atau tanah.

    Misalkan pada  setengah periode  titik  atas  transformer  berharga  positif  dan

bagian bawah berharga negatif.  Arus mengalir lewat titik B melalui D4,RL2, RL1,D1

dan kembali  ke  terminal  A  transformator.Bagian  atas  dari  RL1 menjadi  positif

sedangkan bagian bawah  RL2 menjadi negatif.

    Pada  setengah  periode  berikutnya  titik  atas  transformer  berharga  negatif  dan

bagian bawah berharga positif.  Arus mengalir lewat titik A melalui D3,RL2,RL1,D2

    dan kembali  ke  terminal  B  transformator.  Bagian  atas  dari  RL1 tetap  akan positif sedangkan bagian bawah RL2 berpolaritas negatif.Arus  yang lewat RL1 dan RL2 mempunyai  arah  yang sama menghasilkan  tegangan keluaran bagian atas dan bagian bawah pada  RL1 dan RL2.

Penyearah Arus Ac Ke Dc

Rectifier (AC to DC adapter)
Hampir semua pembangkit listrik menghasilkan listrik dalam bentuk listrik arus bolak-balik (Alternating Current). Akan tetapi sebagian besar peralatan rumah tangga menggunakan energi listrik dalam bentuk listrik arus searah. Oleh karenanya kita memerlukan adapter arus atau penyearah. Rangkaian penyearah ini dibentuk dari rangkaian dioda.Penyearah ini berfungsi untuk melewatkan gelombang listrik dalam satu arah saja. Terdapat dua jenis rangkaian dioda sebagai penyearah, yaitu setengah gelombang dan gelombang penuh.
Half wave rectifier
Penyearah setengah gelombang dapat dibentuk dengan hanya merangkaikan sebuah dioda ke sumber tegangan bolak balik, seperti terlihat pada Gambar 1, sedangkan grafik sinyal masukan dan keluaran dapat dilihat pada Gambar 2.

Gambar 1. Rangkaian penyearah setengah gelombang.

Gambar 2. Sinyal masukan dan keluaran rangkaian penyearah setengah gelombang.

Dioda dalam rangkaian ini hanya melewatkan siklus positif dari sinyal masukan ( bagian a dan c) dan menahan siklus negatifnya (bagian b dan d). Sehingga sinyal keluaran berupa siyal sinus setengah gelombang saja.
Full wave rectifier
Terdapat dua cara untuk membentuk rangkaian penyearah gelombang penuh, yaitu dengan menggunakan rangkaian jembatan (Gambar 3) dan rangkaian center tap (Gambar 4). Sedangkan sinyal masukan dan keluaran dapat dilihat pada Gambar 5.

Gambar 3. Rangkaian penyearah gelombang penuh menggunakan jembatan dioda.

Gambar 4. Rangkaian penyearah gelombang penuh menggunakan center tap.

Gambar 5. Sinyal masukan dan keluaran dari rangkaian penyearah gelombang penuh.

Dalam rangkaian yang ditunjukan oleh Gambar 3, ketika sinyal masukan adalah bagian a, maka dioda nomor 2 dan 4 mendapatkan bias maju (1 dan 3 mendapatkan bias mundur), dengan arah arus R_L dari positif ke ground, sehingga bentuk tegangan output adalah bagian a. Sedangkan ketika sinyal masukan adalah siklus negatif, maka dioda 1 dan 3 mendapatkan bias maju (2 dan 4 mendapatkan bias mundur), dengan arah arus R_L dari positif ke ground, sehingga bentuk tegangan output adalah bagian b yang dibalik (tegangan R_Ladalah positif).

Untuk rangkaian seperti yang ditunjukan oleh Gambar 4, ketika Vin1 siklus positif (Vin2 adalah negatif), maka dioda 1 mendapatkan bias maju (dioda 2 mendapatkan bias mundur), dengan arah arus R_L adalah dari positif ke ground, sehingga bentuk tegangannya adalah bentuk a. Sedangkan ketika Vin1 siklus negatif (Vin2 adalah positif), maka dioda 2 mendapatkan bias maju (dioda 1 mendapatkan bias mundur), dengan arah arus beban yang masih tetap, sehingga bentuk tegangannya adalah bentuk b.

Filter Adding

Dengan bentuk gelombang tegangan keluaran seperti pada Gambar 3, maka tegangan DC-nya masih mengandung tegangan riak yang sangat besar, sehingga jika digunakan sebagai catu daya, akan mengganggu kinerja peralatan. Salah satu cara untuk mengurangi tegangan riak ini adalah dengan menambahkan rangkaian tapis RC seperti terlihat pada Gambar 6, dengan tegangan masukan dan keluaran seperti pada Gambar 7.

Gambar 6. Penambahan filter RC.

Gambar 7. Bentuk sinyal input dan output penyearah berfilter.

Tegangan keluaran dari penyearah ini memiliki tegangan riak yang lebih kecil jika dibandingkan dengan rangkaian sebelumnya. Karena ketika tegangan turun, maka muatan listrik yang tersimpan dalam kapasitor akan dilepaskan sehingga bentuk tegangannya turun lebih landai. Kemiringan penurunan ini tergantung pada besarnya R_L dan kapasitas Kapasitor. Semakin besar dua komponen ini maka tegangan akan semakin rata.