Rangkaian Dioda Penyearah Gelombang AC (Diode Rectifier)

Rangkaian Dioda Penyearah Gelombang AC (Diode Rectifier)

Penyearah / rectifier adalah pengubah sebuah tegangan arus listrik bolak-balik (AC) menjadi arus listrik searah (DC). Dalam mengubah tegangan AC menjadi DC ini diperlukan suatu komponen dimana komponen tersebut hanya memperbolehkan arus listrik mengalir hanya dari satu arah. Dan itu bisa diperoleh dari rangkaian dioda semikonduktor. Jenis penyearah yang paling sederhana adalah penyearah setengah gelombang. Hal ini berarti hanya setengah gelombang AC yang diperoleh oleh beban.

Rangkaian penyearah setengah gelombang

Untuk aplikasi daya yang sangat besar, penyearah setengah gelombang tidak mencukupi untuk melakukan tugasnya. Harmonisa penyearah gelombang keluaran yang sangat besar akan berakibat sulitnya penyaringan. Selain itu, sumber listrik AC memasok listrik ke beban hanya setengah setiap siklus penuh, yang berarti bahwa setengah kapasitasnya yang tidak terpakai. Penyearah setengah gelombang merupakan cara yang paling sederhana untuk mengurangi daya dari beban resistif. Seperti contoh berikut, sebuah saklar tukar mempunyai 2 posisi, dimana beban lampu akan menyala begitu terang pada posisi gelombang AC penuh dan akan menyala redup pada posisi setengah gelombang. Perhatikan gambar dibawah ini.

aplikasi penyearah setengah gelombang : lampu terang redup

Dalam posisi saklar “dim / redup”, lampu pijar hanya menerima setengah dari yang biasanya menerima satu gelombang AC penuh. Karena penyearah setengah gelombang pulsa listik yang begitu cepat, dan lebih cepat dari waktu filamen memanaskan dan mendinginkan, sehingga membuat lampu tidak berkedip. Dan hal ini hanya membuat filamen beroperasi dengan suhu yang lebih rendah dari biasanya. Sehingga memberikan output cahaya yang kurang atau redup.

Dan jika kita ingin menyearahkan listrik AC untuk mendapatkan penggunaan penuh kedua setengah siklus dari gelombang sinus. Maka konfigurasi penyearah yang berbeda harus digunakan. Dan sirkuit seperti ini disebut penyearah gelombang penuh. Dan dalam penyearah gelombang penuh ini digunakan transformator CT (Center Tapped) dan 2 buah dioda. seperti pada gambar di bawah ini.

penyearah gelombang penuh dengan trafo ct

Pada setengah siklus pertama, ketika polaritas sumber tegangan positif (+) diatas dan negatif(-) dibawah. Pada saat seperti ini hanya dioda atas yang mengalirkan arus (bias maju) sedangkan dioda yang dibawah memblokir (bias mundur). Dan hanya setengah gulungan sekunder trafo bagian atas yang membawa aliran arus selama setengah siklus ini. seperti pada gambar dibawah ini.

penyearah gelombang penuh dengan trafo ct pada input setengah siklus positif

Selama siklus berikutnya, polaritas AC berbalik. Sekarang dioda bagian lain (dioda bawah) yang mengalirkan arus (bias maju). Dan gulungan sekunder bagian bawah yang membawa arus selama setengah siklus ini. dan beban tetap melihat atau memperoleh setengah gelombang sinus dari polaritas yang sama dengan sebelumnya, yaitu positif diatas dan negatif dibawah. Lihat gambar dibawah.

penyearah gelombang penuh dengan trafo ct pada input setengah siklus negatif

Salah satu kelemahan dari penyearah gelombang penuh ini adalah perlunya transformator CT. Dan jika diterapkan pada rangkaian dengan daya yang tinggi. Berarti diperlukan transformator CT yang juga lebih besar dan biayanya pun juga pasti sangat mahal karena harga dari trafo CT yang mahal. Sehingga, ini mengakibatkan desain penyearah dengan trafo CT hanya terlihat pada aplikasi-aplikasi berdaya rendah atau kecil.

Polaritas pada beban di penyearah gelombang penuh dengan trafo CT ini dapat dibalik dengan mengubah arah dioda. Selanjutnya, dioda terbalik dapat disejajarkan dengan penyearah positif-ouput yang ada. dan hasilnya adalah dual-polaritas penyearah gelombang penuh dengan trafo CT. Coba lihat pada gambar dibawah berikut ini.

dua polaritas pada penyearah gelombang penuh versi CT(center tapped)

Dan desain yang lain dari penyearah gelombang penuh yang lebih populer atau lebih sering digunakan adalah dengan sistem jembatan gelombang penuh. Dimana pada desain penyearah sistem jembatan ini dibangun dengan 4 buah dioda. Seperti gambar dibawah ini.

penyearah gelombang penuh versi sistem jembatan

Arah aliran arus penyearah gelombang penuh sistem jembatan, pada setengah siklus positif dan setengah siklus negatif pada sumber gelombang AC dapat dilihat pada gambar dibawah ini. perhatikan terlepas dari polaritas input, arus mengalir dalam arah yang sama melalui beban. Ini berarti, setengah siklus negatif pada sumber merupakan setengah siklus positif pada beban. Pada penyearah gelombang penuh dengah sistem jembatan ini, arus mengalir melalui 2 dioda secara seri pada setengah siklus untuk kedua polaritas. Dan hal ini, akan menyebabkan tegangan jatuh sebanyak 2 kali untuk setiap setengah siklusnya. Dan jika pada dioda silikon berarti tegangan jatuhnya adalah 0,7 . 2 = 1,4 V . dan ini merupakan kerugian penyearah sistem jembatan bila dibandingkan dengan desain penyearah dengan transformator CT. Namun kerugian ini hanya menjadi masalah jika pasokan tegangan listrik yang sangat rendah.

penyearah gelombang penuh : aliran elektron pada setengah siklus positif

penyearah gelombang penuh : aliran elektron pada setengah siklus negatif

Untuk lebih mudah dalam hal mengingat ataupun memahami, maka tata letak semua dioda bisa diletakkan pada sikap horisontal, dan semua dioda menunjuk pada arah yang sama. Seperti gambar dibawah ini.

alternative layout penyearah gelombang penuh versi sistem jembatan

Salah satu keuntungan dalam mengingat tata letak penyearah yang seperti diatas ini adalah hal tersebut bisa dikembangkan dengan lebih mudah ke dalam versi polyphase(fasa yang lebih dari satu), seperti versi rangkaian penyearah gelombang penuh 3 phasa berikut ini.

penyearah gelombang penuh 3 fasa (poly phase)

Dalam penyearah gelombang penuh versi polyphase ini, pulsa fasa bergeser saling tumpang tindih, sehingga menghasilkan ouput tegangan DC yang jauh lebih “halus” bila dibandingkan dengan penyearah gelombang penuh versi satu fasa. Coba perhatikan gambar dibawah ini yang menunjukkan penyearah gelombang penuh dari AC 3 fasa.

gambar. AC 3 fasa dan hasil keluaran(output) penyearah gelombang penuh

Dalam setiap kasus penyearah, baik itu penyearah satu fasa(single phase) ataupun lebih(polyphase), jumlah tegangan AC yang bercampur dengan tegangan DC output penyearah disebut sebagai riak tegangan. Tegangan riak ini tidak diinginkan karena dalam kebanyakan kasus tujuan dari menyearahkan tegangan AC adalah untuk mendapatkan tegangan DC yang “murni ”. Pada tingkat daya yang tidak terlalu besar, tegangan riak ini dapat dikurangi dengan penyaringan atau filter. Dan filter yang digunakan pada umumnya adalah filter pasif LC.