Modul 03: Catu Daya

Modul 03: Catu Daya
Dioda, Penyearah Gelombang, dan Pembebanan
Reza Rendian Septiawan
February 11, 2015
Dalam dunia elektronika, salah satu komponen
yang paling penting adalah catu daya. Sebagian
besar komponen dan peralatan elektronik membutuhkan catu daya dari sumber arus searah. Sedangkan sumber arus yang diberikan oleh perusahaan
listrik merupakan sumber arus bolak-balik. Oleh
karena itu dibutuhkan suatu rangkaian penyerah
tegangan yang dapat mengubah dari sumber tegangan bolak-balik (alternating current, AC) menjadi
sumber arus searah (direct current, DC). Dalam
praktikum kali ini kita akan belajar tentang cara
mendesain catu daya yang dapat mengubah dari
arus AC menjadi arus DC.
1
arus pada satu arah saja [1]. Terdapat banyak jenis
dioda, namun kali ini kita akan membahas tentang
dioda sambungan p-n. Seperti namanya, dioda ini
merupakan sambungan dari semikonduktor tipe p
dan semikonduktor tipe n. Kedua tipe semikonduktor tersebut berbeda akibat pengaruh tipe pengotor
(doping) yang berbeda. Pada semikonduktor tipe
p, doping membuat material semikonduktor membuat kekosongan elektron, memberikan pembawa
muatan positif tambahan (hole). Pada semikonduktor tipe n, material semikonduktor memiliki
pembawa muatan positif tambahan (elektron) akibat dari penambahan doping. Ilustrasi dari dioda
dapat dilihat pada Gambar 1.
Alat dan Komponen
1. Osiloskop
2. Multimeter
3. Signal generator
4. Catu daya AC
5. Catu daya DC
6. Kabel jumper
7. Rangkaian penyearah gelombang
Gambar 1: (a) Dioda yang merupakan sambungan material semikonduktor tipe p dan n
memiliki depletion region, (b) lambang dari
dioda dengan tanda panah menunjukkan arah
aliran arus (bukan aliran elektron), dan (c)
ilustrasi dioda di dunia nyata (diambil dari
http://www.allaboutcircuits.com/vol 3/chpt 3/1.html).
8. Dioda
9. Dioda zener
2
2.1
Teori Singkat
Dioda
Di daerah sambungan antara kedua material,
Dioda merupakan komponen elektronik yang ter- akan terdapat daerah kekosongan pembawa mubuat dari semikonduktor yang dapat melewatkan atan yang bernama depletion region. Akibat dari
1
Modul 03: Catu Daya
halaman 2
seimbangnya jumlah antara pembawa muatan positif dengan pembawa muatan negatif. Pada kondisi tanpa diberikan beda tegangan, daerah deplesi
tersebut cukup tebal sehingga bersifat insulator.
Saat diberikan tegangan panjar maju (forwardbias), medan listrik yang timbul dari tegangan eksternal tersebut akan mendorong elektron untuk
mengalir menuju hole dan membuat daerah deplesi
menipis. Semakin tinggi beda tegangan eksternal
akan membuat daerah deplesi semakin tipis. Saat
daerah deplesi tersebut sudah tidak ada, maka arus
akan dapat mengalir dengan bebas.
Gambar
3:
Ilustrasi
kondisi
reverse-bias
(diambil
dari
http://electronics.howstuffworks.com/led1.htm).
Gambar
2:
Ilustrasi
kondisi
forward-bias
(diambil
dari
http://electronics.howstuffworks.com/led1.htm).
Namun saat diberikan tegangan panjar mundur
(reverse-bias), masing-masing pembawa muatan
akan tertarik menjauhi daerah deplesi, membuat
daerah deplesi menjadi semakin besar dan menghalangi elektron dari sumber eksternal untuk dapat mengalir melewati dioda. Saat tegangan panjar
mundur tersebut sudah sangat besar, akan membuat dioda tersebut mengalami breakdown.
Karakterisasi dari dioda dapat dilakukan dengan membuat kurva I-V dari dioda tersebut. Contoh kurva karakterisasi I-V dari dioda dapat dilihat
pada Gambar 4.
Dari kurva karakterisasi dioda dapat dilihat
bahwa mula-mula besarnya arus yang mengalir
adalah nol saat beda tegangannya nol. Saat beda Gambar
4:
Contoh
kurva
karakteristegangan pada kondisi panjar-maju bertambah, tik dari I-V dioda silikon.
(diambil dari
pada awalnya arus yang dapat mengalir melewati http://www.allaboutcircuits.com/vol 3/chpt 3/1.html).
dioda sangat kecil. Namun ada satu kondisi saat
beda tegangan sudah melampaui suatu batas membuat arus yang mengalir tiba-tiba dapat melonjak
dengan sangat cepat. Beda tegangan saat arus
dapat meningkat dengan sangat cepat dinamakan
FI-5283: Rangkaian Analog dan Digital
Modul 03: Catu Daya
halaman 3
tegangan potong. Setiap tipe dioda memiliki nilai
tegangan potong yang berbeda-beda. Sebagai contohnya, dioda yang terbuat dari silikon memiliki
nilai tegangan potong di sekitar 0.7 V , sedangkan
dioda yang terbuat dari germanium memiliki nilai tegangan potong berkisar di 0.3 V . Saat kita
memberikan tegangan panjar-mundur, arus yang
diteruskan oleh dioda sangatlah kecil sampai pada
titik jenuh dari dioda dan dioda akan mengalami
kondisi breakdown. Saat telah mengalami kondisi
tersebut maka dioda akan rusak. Namun ada jenis
dioda yang memang didesain untuk bekerja di area
breakdown tersebut, yaitu dioda zener.
Untuk mengetahui karakteristik dari dioda bisa
dilakukan dengan menggunakan rangkaian uji
dioda seperti tampak pada Gambar 5.
2.2
2.2.1
Rangkaian
bang
Penyearah
Gelom-
Penyearah setengah gelombang
Rangkaian penyearah setengah gelombang seperti
yang ditunjukkan pada Gambar 6 hanya akan
meneruskan bagian gelombang yang positif, sedangkan bagian gelombang yang negatif akan tertahan.
Gambar 6: Rangkaian penyearah setengah gelombang.
2.2.2
Penyearah gelombang penuh
Pada rangkaian penyearah gelombang penuh, untuk trafo CT, dibutuhkan dua buah dioda yang
akan menyearahkan bagian gelombang positif dan
Gambar 5: Rangkaian untuk menguji karakter I-V negatif secara bergantian. Rangkaian penyearah
gelombang penuh dapat dilihat pada Gambar 7.
dari dioda.
Berdasarkan Gambar 5, untuk membuat kurva
karakterisasi dari dioda kita harus mengukur beda
tegangan antara ujung-ujung dioda (VD = Vab )
dengan arus yang mengalir melalui dioda (ID ). Besarnya arus yang mengalir pada rangkaian dapat dihitung dengan mengukur besarnya tegangan antara
kedua kaki hambatan RL (Vbc ). Dengan mengetahui hubungan tersebut, maka kita dapat menge- Gambar 7:
penuh.
tahui besarnya arus Id dari persamaan berikut:
Vcc
Rangkaian penyearah gelombang
= Vab + Vbc
= V D + ID RL
VD
Vcc
= −
+
RL
RL
2.2.3
Penyearah gelombang dengan tapis
Walaupun dengan menggunakan penyearah gelombang penuh, bentuk gelombang keluaran dari
rangkaian penyearah masih belum baik karena
Persamaan (1) merupakan persamaan garis dengan masih belum stabil (masih terdapat osilasi). Unkemiringan − R1L . Garis ini dinamakan garis beban tuk membuat hasil keluarannya menjadi lebih stadioda. Perpotongan garis tersebut dengan kurva bil maka digunakanlah kapasitor untuk membantu
karakteristik dioda menyatakan arus dan tegangan menyimpan energi listrik saat keluarannya berada
dioda.
pada area gelombang turun. Rangkaian seperti
ID
FI-5283: Rangkaian Analog dan Digital
(1)
Modul 03: Catu Daya
halaman 4
ini dinamakan rangkaian penyerah gelombang dengan tapis. Rangkaian penyearah gelombang dengan
tapis dapat dilihat pada Gambar 8.
Gambar 9: Rangkaian penyearah gelombang dengan tapis dan regulator zener.
3
Gambar 8: Rangkaian penyearah gelombang dengan tapis.
Kualitas dari rangkaian penyearah dapat dinyatakan dengan peak-to-peak ripple ratio (pprr) yang
secara matematis dapat dituliskan sebagai berikut:
pprr =
Vrpp
V̄DC
(2)
dengan
Vp
π
dimana Vp adalah tegangan puncak dan Vrpp
adalah tegangan riak. Untuk rangkaian setengah
gelombang, tegangan riak memiliki hubungan sebagai berikut:
V̄DC =
Vrpp
1
=
Vp
f RL C
(3)
Sedangkan untuk rangkaian penyearah gelombang
penuh, tegangan riak dapat dihitung dengan menggunakan persamaan berikut:
Vrpp =
2.2.4
1
Vp
2f RL C
(4)
Penyearah gelombang dengan tapis
dan regulator zener
Biasanya tegangan keluaran dari rangkaian tapis
akan mengalami jatuh tegangan bila mendapatkan
pembebanan yang tinggi. Untuk mencegah terjadinya jatuh tegangan tersebut biasanya rangkaian perlu ditambahkan oleh diode zener untuk
meregulasikan tegangan keluaran dari rangkaian.
Rangkaian untuk penyearah gelombang dengan
tapis dan regulator zener dapat dilihat pada Gambar 9.
FI-5283: Rangkaian Analog dan Digital
3.1
Percobaan
Karakteristik Dioda (Opsional)
1. Susun rangkaian seperti pada Gambar 5.
2. Atur nilai Vcc mulai dari 0 − 5 V dengan kelipatan kenaikan nilai voltase sebesar 0.2 V .
3. Ukur dan catat nilai Vab dan Vbc untuk setiap
nilai Vcc .
4. Lakukan langkah yang sama untuk polaritas
dioda yang dibalik.
3.2
Penyearah Setengah Gelombang
1. Susun rangkaian seperti pada Gambar 6.
2. Amati dan catat keluaran dengan osiloskop
dan multimeter.
3. Gambarkan juga bentuk sinyal keluaran yang
tampak pada osiloskop.
4. Ulangi langkah percobaan untuk polaritas
dioda yang dibalik.
3.3
Penyearah Gelombang Penuh
1. Susun rangkaian seperti pada Gambar 7.
2. Berikan pembebanan dengan menggunakan resistor.
3. Ukurlah besarnya resistansi dari resistor yang
digunakan.
4. Amati bentuk sinyal tegangan pada titik-titik
a, b, dan c terhadap titik ground.
Modul 03: Catu Daya
5. Lakukan pengukuran tegangan dan arus untuk
nilai beban yang berbeda-beda. Buatlah kurva
pembebanannya.
3.4
Penyearah Gelombang dengan
Tapis
1. Tambahkan kapasitor pada rangkaian sebelumnya sehingga rangkaian menjadi tampak
seperti pada Gambar 8.
2. Catat besarnya tegangan riak pada setiap pengukuran.
3. Ulangi percobaan untuk beberapa nilai pembebanan yang berbeda dan buat kurva pembebanannya.
Referensi
[1] Sutrisno, Elektronika Teori dan Penerapannya
Jilid 1, 1986, Penerbit ITB.
FI-5283: Rangkaian Analog dan Digital
halaman 5