BAB II TEORI DASAR

BAB II TEORI DASAR II.1 Arus AC dan DC

Sebelum masuk ke materi utama yaitu rangkaian penyearah, baikya kita membahas dulu tentang perbedaan antara arus AC dan arus DC lalu kemudian masuk ke materi utama. Karena pada pembahasan rangkaian penyearah tidak lepas dari arus AC dan DC, dan juga karena fungsi utama rangkaian penyearah adalah menyearahkan arus, yang tadinya arus AC kemudian disearahkan ke arus DC

Banyak orang awam yang masih beranggapan bahwa arus listrik AC maupun DC itu sama-sama memiliki kutub negatif (-) dan Positif (+). Suatu contoh misalnya ketika hendak memperbaiki instalasi listrik rumah 1 fasa jalur kabel yang dites dengan tespen bisa menyala itu adalah kutub positif sedangkan lainnya adalah negatif atau ground. Padahal arus listrik rumahan yang biasa kita gunakan adalah jenis arus bolak balik (AC). Jadi yang ada adalah jalur fasa (Phase), netral dan arde (ground). Kemudian ada juga yang pernah mengatakan kalau arus DC itu yang tidak bisa menyetrum sedangkan arus AC yang bisa menyetrum. Padahal yang namanya arus listrik kalau dipegang sudah pasti nyetrum meskipun tidak sampai berbahaya.

II.1.1 Sejarah Arus Listrik AC dan Arus Listrik DC

Pada jaman sekarang penggunaan listrik sangat melekat pada masyarakat, bahkan listrik seolah menjadi bagian yang penting untuk kehidupan, rasanya sangat terganggu bila arus listrik sedang terjadi gangguan, bahkan bila ditiadakannya listrik akan terjadi protes keras.

Hampir seluruh kegiatan manusia selalu dibarengi dan dibantu oleh alat elektronik yang menggunakan listrik, dari mulai memasak, penerangan, mencuci, menghangat air dan hampir seluruh alat bantu manusia yang ada dirumah bertenaga listrik. Bila disebut energi listrik

adalah energi yang sangat penting bagi manusia rasanya sangatlah benar, karena memang terbukti dengan kebutuhan listrik pada masyarakat

Sejarah awal ditemukannya listrik adalah oleh seorang cendikiawan Yunani yang bernama Thales, yang mengemungkakan fenomena batu ambar yang bila digosok-gosokkan akan dapat menarik bulu sebagai fenomena listrik. Kemudian setelah bertahun-tahun semenjak ide Thales dikemukakan, baru kemudian muncul lagi penapat-pendapat serta teori-teori baru mengenai listrik seperti yang diteliti dan dikemukakan oleh William Gilbert, Joseph priestley, Charles De Coulomb, Andre Ampere, Michael Farraday, Oersted, dll.

Dari nama-nama ilmuan terbaik dibidang kelistrikan diatas, terdapat nama yang paling diingat, paling berpengaruh yang memiliki jasa dan merupakan perintis dalam hal penelitian mengenai magnet dan listrik, Ialah Michael Faraday yang kemudian dijuluki sebagai “Bapak listrik”.

Belajar bagaimana memproduksi dan menggunakan listrik tidak mudah. Pada tahun 1800, Alessandro Volta, seorang ilmuwan Italia, membuat penemuan besar, yang dinamakan “tumpukan volta”, metode praktis pertama untuk memproduksi listrik. Tumpukan volta dibuat dengan menumpuk piringan tembaga dan cakram seng secara berselingan dengan potongan kertas karton yang dicelupkan kedalam air garam dan ditempatkan diantara kedua piringan tersebut. Tumpukan tersebut mampu menghasilkan arus listrik. Penemuan ini diakui sebagai baterai pertama yang menghasilkan arus listrik secara konsisten dan dapat diandalkan. Hal ini untuk menghormati Volta bahwa kita mengukur tegangan baterai dalam volt. Akhirnya, sumber yang aman dan dapat diandalkan listrik tersedia, sehingga mudah bagi para ilmuwan untuk mempelajari listrik.

Terinspirasi dari Alessandro Volta ketika menemukan baterai pertama, Michael Faraday mengikuti kontruksi tumpuka volta dengan menggunakan 7 uang logam yang kemudian Ia tumpukkan dengan 7

lembar seng serta 6 lembar kertas yang dibasahi air garam. Dari eksperimen ini Faraday kemudian mengemukakan magnesium sulfat.

Selanjutnya Michael Faraday membuat sebuah alat yang dapat menghasilkan rotasi elektromagnetik setelah mengkaji lebih lanjut punlikasi dari Oersted tentang elektromagnetik yang merupakan cikal bakal ditemukannya listrik oleh faraday. Alat yang diciptakan Michael Faraday ini bernama Homopolar Motor. Dalam alat ini terjadi sebuah gerakan berputar terus menerus, gerakan ini ditimbulkan dari gaya lingkaran magnet yang mengelilingi kawat yang panjang hingga kedalam larutan merkuri dan didalam larutan tersebut sudah terdapat magnet, sehingga kawat akan terus berputar jika dialiri listrik yang berasal dari sebuah baterai. Dari percobaan itu Faraday menemukan sebuah motor listrik pertama di dunia yang menggunakan listik sebagai tenaga penggeraknya. Tentu saja menurut standar sekarang motor listrik milik faraday belum ada apa-apanya karena menghasilkan listrik dengan jumlah yang kecil, tetapi Faraday menemukan metode pertama menghasilkan listrik melalui gerakan dalam medan magnet.

Hampir 40 tahun berlalu sebelum generator DC dibangun oleh Thomas Alva Edison di Amerika. Pada tahun 1878 Joseph Swan, seorang ilmuan inggris, menemukan filamen lampu pijar dan setahun kemudian Edison membuat penemuan yang sama di Amerika. Swan dan Edison kemudian mendirikan perusahaan bersama untuk memproduksi lampu pijar praktis yang pertama.

Pada tahun 1882, Edison menggunakan generator DC untuk menyediakan energy listrik untuk menerangi laboratoriumnya dan kemudian untuk menerangi jalan pertama di kota New York. Untuk beberapa lama generator DC yang menjadi pasokan listrik utama di Amerika dan Inggris. Meskipun Edison yakin tentang manfaat DC untuk

menghasilkan listrik, ilmuan lain di Amerika dan Eropa membuktikan DC memiliki banyak kekurangan.

Setelah keberhasilan Edison, hadir Nicola Tesla yang merupakan pekerja di perusahaan Edison. Nicola Tesla seorang jenius, penemu berbagai aplikasi yang berkaitan dengan listrik. Sebut saja lampu neon, remote control, dan masih banyak lainnya. Banyak penemuannya yang baru terasa kegunaannya puluhan tahun kemudian. Saking jeniusnya, banyak yang memitoskan sebagian rancangan temuan Nikola Tesla disembunyikan oleh pemerintah AS karena takut ditemukan pihak musuh (Jerman saat itu). Bahkan Hollywood pernah memakai namanya untuk suatu penemuan mesin listrik pengcopy mahkluk hidup dalam film “The Prestige (2006)”.

Temuannya yang masih banyak membuat orang kagum karena ditemukan puluhan tahun yang lalu adalah gelombang mikro dan lampu neon. Pada Expo Fair 1893 di Chicago, Tesla mendemonstrasikan lampunya yang dapat dipegang dan bersinar lebih terang dari lampu Edison. Itulah dasar dari lampu neon. Apa yang ditemukan Tesla merupakan dasar untuk lampu hemat energi yang dikembangkan seratus tahun kemudian.

Nikola Tesla dilahirkan di kota Smiljan pada 10 Juli 1856 sebagai keturunan Serbia, Smiljan sekarang, berada di wilayah Kroasia. Kepandaiannya mengantarkan Tesla bekerja pada perusahaan Thomas Alva Edison di Perancis, dan kemudian ditarik ke Amerika Serikat.

Tesla hanya setahun bekerja pada Edison. Ia keluar dari perusahaan Edison karena Edison ingkar janji, tak membayar gaji yang dijanjikannya sebesar $50.000. Ia kemudian bergabung dengan Westinghouse, seorang pesaing Edison. Ibarat langit dan bumi dengan Edison, Westinghouse adalah seorang gentleman yang selalu memegang janji. Mereka menjadi

partner yang sempurna, dan kerjasama Tesla dengan Westinghouse menghasilkan banyak temuan menakjubkan.

Di awal penggunaan listrik, arus searah (Direct Current atau DC) mendominasi distribusi listrik di Amerika Serikat. Arus listrik DC merupakan pilihan Edison dimana perusahaannya, General Electric, mendominasi penjualan peralatan listrik. Arus listrik DC merupakan arus listrik yang fleksibel karena dapat menyalakan alat listrik dengan voltase rendah ataupun tinggi. Di samping itu, arus listrik DC dapat disimpan dalam sebuah baterei.

Namun demikian arus listrik DC memiliki kelemahan. Generator listrik harus berada paling jauh 1,61 km dari pengguna listrik. Jika tidak, ada kecenderungan voltase akan drop karena besarnya gesekan antara listrik dengan konduktornya. Oleh sebab itu, di setiap area dibutuhkan generator listrik tersendiri. Di samping itu, arus listrik DC tidak mudah diubah voltasenya sehingga setiap voltase harus dihasilkan oleh satu generator listrik tersendiri. Misalnya diperlukan listrik dengan tiga voltase berbeda maka harus disediakan tiga generator listrik yang menghasilkan voltase berbeda. Oleh sebab itu, kabel yang membawa listrik tersebut memiliki diameter lebih dari 10 cm karena membawa listrik berbagai voltase. Dan biaya untuk hal ini tentu sangat mahal.

Ketika masih jadi pegawai Edison, Tesla sudah memperingatkan kelemahan DC ini dan mengusulkan arus listrik AC (Alternating Current). Namun Edison menolaknya dan mengatakan ide itu absurd. Arus listrik AC memang tidak dapat disimpan dalam batere dan tidak sefleksibel arus listrik DC dalam menyediakan voltase yang berbeda. Arus listrik AC hanya menghasilkan listrik bervoltase tunggal dan tinggi pula. Namun kelemahan ini dapat ditanggulangi dengan transformator, begitu penjelasan Tesla, Tapi Edison tidak merima ide dari Tesla.

Setelah keluar dari perusahaan Edison, Tesla membawa idenya ke Westinghouse. Oleh Westinghouse, ide Tesla diterima dan dipraktikkan pada Expo Fair 1893 di Chicago. Hasilnya sukses besar. Arus Listrik AC ternyata dapat diwujudkan dengan ongkos yang murah meriah. Arus listrik AC memang diciptakan untuk mengatasi kelemahan arus listrik DC. Lokasi generator listrik penghasil arus listrik AC dapat disimpan lebih jauh dari dari pengguna. Di samping itu, arus listrik AC hanya memerlukan satu generator saja. Ketika sampai ke pengguna, penurunan voltase diserahkan pada transformator yang kecil dan murah. Jadi tidak memerlukan banyak generator untuk menghasilkan berbagai voltase. Oleh sebab itu, transmisi listrik AC hanya membutuhkan kabel yang jauh lebih kecil dan biaya yang juga jauh lebih kecil.

Saat itu, diyakini air terjun Niagara dapat menghasilkan listrik dalam jumlah besar. Perusahaan Niagara Falls Power Company (NFPC) mengadakan tender untuk memproduksi listrik dari jeram Niagara untuk kota Buffalo, kota terdekat dengan jeram Niagara. NFPC tentu tidak gegabah memilih 19 proposal yang dikirim perusahaan listrik termasuk milik Edison dan Westinghouse (rekan bisnis Tesla). Jelas, Edison menggunakan metode DC dan Westinghouse menggunakan metode AC dengan mesin yang patennya dimiliki Tesla.

Dan akhirnya diputuskan metode arus listrik AC yang menang. Pertimbangannya adalah biaya yang lebih murah, suksesnya Westinghouse menyediakan listrik untuk Expo Fair 1893 di Chicago, juga banyaknya peralatan listrik yang dibuat untuk arus listrik AC oleh Westinghouse.

Sebelum pemenang diumumkan, Tesla mengatakan bahwa jeram Niagara tidak hanya dapat menghasilkan listrik untuk kota Buffalo, tapi juga untuk seluruh wilayah timur AS, asal menggunakan AC sebagai metode penghasil listrik. Tentu saja kondisi waktu itu berbeda dengan

kondisi sekarang dimana wilayah timur AS Konsumsi listriknya luar biasa besarnya.

Kemenangan Westinghouse dan Tesla membuat berang Edison. Edison tahu, dengan kemenangan ini Westinghouse akan ditunggu oleh berbagai proyek distribusi listrik. Berarti uang jutaan dollar melayang dari tangannya. Akhirnya Edison melakukan kampanye hitam, menuduh arus listrik AC tidak aman bagi manusia. Edison mengumumkan bahwa hewan peliharaan seperti kucing dan anjing, ataupun hewan ternak seperti sapi maupun kuda dapat mati kalau kena aliran listrik AC. Selanjutnya, ia juga membuat film dokumenter bagaimana seekor gajah sirkus yang sebelumnya telah membunuh 3 orang dieksekusi mati dengan menggunakan listrik AC. Alih-alih ingin kampanye hitam, justru film Edison ini memicu ide pembuatan kursi listrik untuk mengeksekusi terpidana mati.

Perang arus listrik baru berhenti setelah Edison mengaku menyesal tidak mendengarkan ide Tesla sebelumnya. Akhirnya perusahaan Edison, General Electric, mau memproduksi alat listrik yang menggunakan arus listrik AC. Dapat dimaklumi mengapa Edison tidak faham dengan ide Tesla. Edison adalah penemu ulung, namun pendidikannya kurang karena tidak menyelesaikan sekolah dasar resminya, dan pengetahuannya berkembang karena otodidak. Hal itu menyebabkan Edison tidak mampu membaca rumusan matematika yang kompleks. Padahal ide Tesla dapat difahami jika memiliki ketrampilan menggunakan matematika.

Sekarang penggunaan arus listrik AC sudah mendunia. Metode arus listrik DC benar-benar ditinggalkan untuk listrik bervoltase tinggi. Terakhir tercatat kota Stockholm di akhir 1970an mengakhiri penggunaan DC. Sedangkan di AS, generator listrik DC terakhir ditutup tahun 2007. Sekarang pengguna arus listrik DC dapat menggunakannya melalui

converter atau umum disebut adaptor. Sampai saat ini arus listrik DC tetap dipakai untuk alat listrik bervoltase rendah seperti radio dan mainan.

Tapi cerita belum selesai. Perkembangan teknologi selanjutnya memungkinkan munculnya High Voltage Direct Current (HVDC) untuk mengatasi kelemahan AC. HVDC memungkinkan listrik disalurkan dengan lebih efisien dibanding metode AC karena dapat mengalirkan listrik lebih jauh. Aplikasinya digunakan untuk menyalurkan listrik melalui kabel bawah laut. Bayangkan jika panjangnya 80,46 km, maka dengan memakai AC setiap 16,1 km harus dibangun penguat listrik di bawah air.

Penemuan hebat Tesla yang lain adalah mobil listrik. Mobil listrik temuan Tesla tidak menggunakan baterai, tetapi menggunakan ether yang terdapat di udara. Proyek mobil listrik ini dilaksanakan pada tahun 1931, dibiayai oleh Pierce Arrow dan Westinghouse. Namun ciptaan Tesla ini disabotase oleh J.P. Morgan, J.D. Rocefeller dan Henry Ford. Rockefeller memberangus mobil listrik Tesla, karena jika mobil tak lagi memerlukan gasoline, maka perusahaan minyaknya, Standard Oil Company akan bangkrut. Adapun Henry Ford membekap mobil listrik Tesla, karena perusahaannya memproduksi mesin-mesin mobil yang menggunakan gasoline.

Pada masa tuanya, Tesla ditinggalkan oleh sahabat-sahabat dekatnya yang sudah lebih dulu meninggal. Tesla hampir terlupakan oleh dunia. Menjelang akhir hidupnya, ia banyak menghabiskan waktu dengan memberi makan burung merak di Bryant Park, Fifth Avenue. Tesla meninggal pada 7 Januari 1943.

Tesla tak pernah menikah dan tidak memiliki ahli waris. Ia juga tidak meninggalkan surat wasiat. Maka setelah ia meninggal, semua karya tulis dan penemuan-penemuannya diambil oleh FBI dan dibawa ke Washington City dalam klasifikasi top secret. Penemuan-penemuannya

dikemudian hari menjadi dasar pembuatan senjata massal yang dikembangkan oleh Pentagon.

II.1.2 Pengertian Arus Searah atau DC (Direct Current)

Arus DC (Direct Current) adalah arus listrik yang mengalir secara konstan atau tetap, yang setiap terminal memiliki polaritas sama. Arus DC mengalir dari suatu titik yang energi potensialnya tinggi menuju ke titik lain yang energi potensialnya lebih rendah.

Arus Searah biasanya banyak digunakan pada rangkaian elektronika dengan tegangan rendah. Contoh sumber arus DC adalah Solar Cell (pembangkit listrik tenaga surya), Baterai, aki dan sebagainya. Listrik DC adalah listrik yang “original”, artinya listrik dasar yang dapat dihasilkan dari sumber-sumber susunan material alam.

Muatan-muatan listrik yang terjadi akibat adanya gesekan pada dua jenis material adalah muatan listrik yang berbentuk arus listrik DC. Berkumpulnya muatan listrik yang terjadi di awan hingga mencapai jutaan volt dan kemudian menjadi sambaran petir adalah muatan listrik yang berbentuk arus listrik DC juga, dan setiap baterai yang disusun dari beberapa bahan kimiawi tertentu selalu menghasilkan listrik dalam bentuk arus listrik DC, tidak ada baterai yang menghasilkan tegangan listrik AC secara langsung, begitu pun beberapa jenis hewan yang mampu mengeluarkan tegangan listrik dari tubuhnya, adalah tegangan listrik DC.

Arus DC tidak dikenal istilah frekuensi. Tegangan DC selamanya tetap, jika tegangan itu berpotential positif maka seterusnya positif dan jika tegangan itu berpotential negatif maka seterusnya negatif tanpa ada perubahan-perubahan yang bersifat periodik. Gambaran kurvanya adalah lurus sebagaimana digambarkan berikut ini :

Gambar II.1 kurva frekuensi pada arus DC

 Pada gambar (1) tampak bahwa tegangan terus menerus sebesar +3V selama waktu t.

 Pada gambar (2) tampak bahwa tegangan terus menerus sebesar -3V selama waktu t.

 Pada gambar (3) terlihat bahwa antara titik +3V dan titik nol Volt terdapat tegangan DC sebesar 3V, dan antara titik nol Volt dan titik -3V terdapat tegangan DC sebesar 3V juga, maka antara titik +3V dan titik -3V terdapat tegangan DC sebesar 6V.

Arus DC dikenal polaritas positif (+) atau negatif (-) yang dalam penerapannya tidak boleh terbalik-balik. DC banyak digunakan untuk sumber tenaga (power supply) berdaya kecil, seperti perangkat-perangkat elektronik portabel, Handphone, starter motor DC pada kendaraan, dan lain-lain. Sangat jarang penggunaan DC untuk kelistrikan rumah tangga karena faktor kesulitan transfer daya yang lebih sulit dibanding sistem AC.

Arus DC adalah sistem tegangan rendah, dan tidak bisa dinaikkan tegangannya secara langsung dengan trafo, sehingga untuk transfer daya yang besar diperlukan kabel-kabel hantaran yang besar pula karena arusnya besar.

Kalaupun arus DC digunakan untuk kelistrikan rumah tangga, maka arus DC itu merupakan sistem kelistrikan dengan penghasil energi listrik sendiri (dari solar-cell atau generator listrik tenaga angin) dan merupakan sistem kelistrikan energi terbatas.

II.1.3 Pengertian Arus Bolak balik AC (Alternating Current)

Arus bolak-balik (Alternating Current) adalah arus listrik di mana besarnya dan arahnya arus berubah-ubah secara bolak-balik. Berbeda dengan arus searah di mana arah arus yang mengalir tidak berubah-ubah dengan waktu. Bentuk gelombang dari listrik arus bolak-balik biasanya berbentuk gelombang sinusoida, karena ini yang memungkinkan pengaliran energi yang paling efisien. Namun dalam aplikasi-aplikasi spesifik yang lain, bentuk gelombang lain pun dapat digunakan, misalnya bentuk gelombang segitiga (triangular wave) atau bentuk gelombang segi empat (square wave).

Secara umum, listrik bolak-balik berarti penyaluran listrik dari sumbernya (misalnya PLN) ke kantor-kantor atau rumah-rumah penduduk. Namun ada pula contoh lain seperti sinyal-sinyal radio atau audio yang disalurkan melalui kabel, yang juga merupakan listrik arus bolak-balik. Di dalam aplikasi-aplikasi ini, tujuan utama yang paling penting adalah pengambilan informasi yang termodulasi atau terkode di dalam sinyal arus bolak-balik tersebut.

Arus listrik AC akan membentuk suatu gelombang yang dinamakan sinusoida. Di Indonesia menerapkan listrik bolak-balik dengan frekuensi 50Hz. Tegangan standar yang diterapkan di Indonesia adalah 220 Volt untuk Listrik 1 Fasa. Sumber Arus bolak balik (AC) contohnya adalah Generator AC baik dengan PLTA, PLTU, PLTD dan sebagainya.

Gambar II.2 arus AC

 Pada gambar (II.2) tampak bahwa tegangan AC tidak terus menerus selalu positif atau terus menerus negatif, melainkan beubah yaitu pada puncak gelombang betegangan positif (+) kemudian pada dasar gelombang bertegangan negative (+)

II.1.4 Penggunaan dan Perbandingan arus AC dan DC

Arus DC biasanya banyak dipakai pada rangkaian elektronika seperti mencatu daya jam dinding, speaker aktif, Handphone, Komputer dan sebagainya, sedangkan arus AC banyak digunakan untuk mensupplay semua kebutuhan listrik dirumah, namun yang murni menggunakan arus AC seperti kipas angin, blender, pompa air, setrika, solder dan sebagainya yang jelas menggunakan motor listrik maupun elemen pemanas dan lainnya.

Perlu kita tahu pada Televisi maupun PC sebenarnya arus yang masuk melalui kabel steker adalah arus AC kemudian dirubah menjadi arus DC. Selain dirubah menjadi arus searah, juga diturunkan dengan menggunakan trafo step down maupun dengan rangkaian regulator AC matic. Itulah mengapa penggunaan baterai bisa diganti dengan adaptor atau power supply DC. Sehingga arus AC yang 220 Volt bisa menjadi

12Volt DC atau yang lainnya. Untuk lebih jelas tentang pengubahan arus, akan dibahan di materi selanjutnya. Untuk lebih jelas, berikut tabel pembeda antara arus AC dan arus DC

Tabel II.1 perbandingan arus AC dan arus DC

Arus bolak balik (AC) Arus searah(DC) Jumlah energi

yang bisa dilakukan

Aman untuk mentransfer pada jarak yang panjang dan dapat memberikan lebih

banyak kekuatan.

Tegangan DC tidak dapat melakukan perjalanan sangat jauh

karena akan mulai kehilangan energi. Penyebab dari arah aliran elektron Perputaran magnet sepanjang kawat

Magnet stabil sepanjang kawat.

Frekuensi Frekuensi arus bolak-balikadalah 50Hz atau 60Hz tergantung pada negara.

Frekuensi arus searah adalah nol Arah _{mengalir dalam rangkaian}Berbalik arah ketika Mengalir dalam satu_{arah rangkaian} Arus besarnya arus bervariasi_{terhadap waktu} Besarnya arus tetap_{terhadap waktu}

Aliran elektron bergantian – maju danArah Elektron terus mundur.

Elektron bergerak terus dalam satu arah atau

‘maju’. Diperoleh dari Generator arus bolak balik Sel atau batere

Parameter passive Impedansi Hambatan

Faktor daya Antara 0 dan 1 Selalu 1

Jenis Sinusoidal, trapesium,_{segitiga, Segiempat.} Murni atau pulse II.2 Rangkaian Penyearah

Peralatan kecil portabel kebanyakan menggunakan baterai sebagai sumber dayanya,namun sebagian besar peralatan menggunakan sember daya AC 220 volt - 50Hz. Didalam peralatan tersebut terdapat rangkaian yang sering disebut sebagai adaptor atau penyearah yang mengubah sumber AC menjadi Di Bagian terpenting dari adaptor adalah berfungsinya diode sebagai

penyearah (rectifier). Pada bagian ini dipelajari bagaimana rangkaia dasar adaptor tersebut bekerja.

Penyearah gelombang (rectifier) adalah bagian dari power supply / catu daya yang berfungsi untuk mengubah sinyal tegangan AC (Alternating Current) menjadi tegangan DC (Direct Current). Komponen utama dalam penyearah gelombang adalah dioda yang dikonfiguarsikan secara forward bias. Dalam sebuah power supply tegangan rendah, sebelum tegangan AC tersebut di ubah menjadi tegangan DC maka tegangan AC tersebut perlu di turunkan menggunakan transformator stepdown. Ada 3 bagian utama dalam penyearah gelombang pada suatu power supply yaitu, penyearah gelombang / rectifier (dioda), penurun tegangan (transformer), dan filter (kapasitor). II.3 Jenis – Jenis Rangkaian Penyearah

Pada dasarnya konsep penyearah gelombang dibagi dalam 2 jenis yaitu, Penyearah setengah gelombang dan penyearah gelombang penuh. Namun selain dua konsep penyearah tersebut, terdapat pula rangkaian penyearah dengan filter untuk menyaring arus yang masuk pada rangkaian. II.3.1 Penyearah setengah gelombang

Penyearah setengah gelombang (half wave rectifier) adalah sistem penyearah yang menggunakan satu blok dioda tunggal (bisa satu dioda atau banyak dioda yang diparalel) untuk mengubah tegangan dengan arus bolak-balik (AC) menjadi tegangan dengan arus searah (DC). sinyal. Prinsip kerja penyearah setengah gelombang memanfaatkan karakteristik dioda yang hanya bisa dilalui arus satu arah saja. Disebut penyearah setengah gelombang karena penyearah ini hanya melewatkan siklus positif dari sinyal AC.

Rangkaian penyearah setengah gelombang banyak dipakai pada power supply dengan frekuensi tinggi seperti pada power supply SMPS dan keluaran transformator Flyback Televisi. Sistem penyearah setengah

gelombang kurang baik diaplikasikan pada frekuensi rendah seperti jala-jala listrik rumah tangga dengan frekuensi 50Hz karena membuang satu siklus sinyal AC dan mempunyai riak (rippe) yang besar pada keluaran tegangan DC-nya sehingga membutuhkan kapasitor yang besar. Berikut gambar rangkaian penyearah setengah gelombang:

Gambar II.3 rangkaian penyearah setengah gelombang

Penyearah setengah gelombang (half wave rectifer) hanya menggunakan 1 buah dioda sebagai komponen utama dalam menyearahkan gelombang AC. Prinsip kerja dari penyearah setengah gelombang ini adalah mengambil sisi sinyal positif dari gelombang AC dari transformator. Pada saat transformator memberikan output sisi positif dari gelombang AC maka dioda dalam keadaan forward bias sehingga sisi positif dari gelombang AC tersebut dilewatkan dan pada saat transformator memberikan sinyal sisi negatif gelombang AC maka dioda dalam posisi reverse bias, sehingga sinyal sisi negatif tegangan AC tersebut ditahan atau tidak dilewatkan seperti terlihat pada gambar sinyal output penyearah setengah gelombang berikut:

Gambar II.4 output penyearah setengah gelombang

Formulasi yang digunakan pada penyearah setengah gelombang sebagai berikut.

Vavg=Vm

πR ………..………...

(1)

Dimana :

Vavg = Tegangan rata-rata Vm = tegangan puncak R = hambatan

Perhitungan tegangan DC keluaran dari penyearah setengah gelombang mengacu pada kondisi saat fasa on dan OFF pada gelombang output. Pada saat fase positif, dioda menghantar sehingga tegangan keluaran saat itu sama dengan Vmax dari sinyal input. Kemudian saat fase negatif, dioda tidak menghantar sehingga tegangan keluaran pada fase ini sama dengan nol.

Gambar II.5 output penyearah setengah gelombang

Berdasarkan kondisi diatas maka dapat dirumuskan bahwa besarnya tegangan output dari penyearah setengah gelombang adalah Vmax dibagi dengan π (pi). Dimana besarnya Vmax adalah tegangan puncak (V-peak) dari salah satu siklus sinyal AC. Atau sebesar 0.318Vmax. Dan jika dihitung dengan nilai RMS menjadi 0.318 kali √2 sama dengan 0.45Vrms.

Vdc=Vmax

π =0,318Vmax=0,45Vms ……..………….(2) Dimana:

Vdc = Tegangan DC

Vmax = tegangan maksimum

Rangkaian penyearah setengah gelombang ini memiliki kelemahan pada kualitas arus DC yang dihasilkan. Arus DC rata-rata yang dihasilkan dari rangkaian ini hanya 0,318 dari arus maksimum-nya, jika dituliskan dalam persaman matematika adalah sebagai berikut;

IAV = 0,318.IMAX………(3)

Ket:

Iav = Arus Rata-Rata Imax = Arus maksimum

Oleh sebab itu rangkaian penyearah setengah gelombang lebih sering digunakan sebagai rangkaian yang berfungsi untuk menurunkan daya pada suatu rangkaian elektronika sederhana dan digunakan juga sebagai demodulator pada radio penerima AM.

Penyearah setengah gelombang memiliki kelebihan dari segi rangkaian yang sangat simpel dan sederhana. Karena menggunakan satu dioda maka biaya yang dibutuhkan untuk rangkain lebih murah.

Kelemahan dari penyearah setengah gelombang adalah keluarannya memiliki riak (rippe) yang sangat besar sehingga tidak halus dan membutuhkan kapasitor besar pada aplikasi frekuensi rendah seperti listrik PLN 50Hz. Kelemahan ini tidak berlaku pada aplikasi power supply frekuensi tinggi seperti pada rangkaian SMPS yang mempunyai duty cycle diatas 90%.

Kelemahan penyearah setengah gelombang lainnnya adalah kurang efisien karena hanya mengambil satu siklus sinyal saja. Artinya siklus yang lain tidak diambil alias dibuang. Ini mengakibatkan keluaran dari penyearah setengah gelombang memiliki daya yang lebih kecil.

II.3.2 Penyearah Gelombang Penuh 4 dioda

Penyearah Gelombang Penuh (Full wave Rectifier) Penyearah gelombang penuh dapat dibuat dengan 2 macam yaitu, menggunakan 4 dioda dan 2 dioda. Untuk membuat penyearah gelombang penuh dengan 4 dioda menggunakan transformator non-CT seperti terlihat pada gambar berikut:

Gambar II.6 rangkaian pemyearah gelombang penuh 4 dioda

Prinsip kerja dari penyearah gelombang penuh dengan 4 dioda diatas dimulai pada saat output transformator memberikan level tegangan sisi positif, maka D1, D4 pada posisi forward bias dan D2, D3 pada posisi reverse bias sehingga level tegangan sisi puncak positif tersebut akan di leawatkan melalui D1 ke D4. Kemudian pada saat output transformator memberikan level tegangan sisi puncak negatif maka D2, D4 pada posisi

forward bias dan D1, D2 pada posisi reverse bias sehingan level tegangan sisi negatif tersebut dialirkan melalui D2, D4. Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada grafik output berikut.

Gambar II.7 output penyearah gelombang penuh II.3.3 Penyearah Gelombang Penuh dengan transformator CT

Penyearah gelombang dengan 2 dioda menggunakan tranformator dengan CT (Center Tap). Rangkaian penyearah gelombang penuh dengan 2 dioda dapat dilihat pada gambar berikut :

Gambar II.8 rangkaian penyearah gelombang penuh 2 dioda

Prinsip kerja rangkaian penyearah gelombang penuh dengan 2 dioda ini dapat bekerja karena menggunakan transformator dengan CT. Transformator dengan CT seperti pada gambar diatas dapat memberikan

output tegangan AC pada kedua terminal output sekunder terhadap terminal CT dengan level tegangan yang berbeda fasa 180°. Pada saat terminal output transformator pada D1 memberikan sinyal puncak positif maka terminal output pada D2 memberikan sinyal puncak negatif, pada kondisi ini D1 pada posisi forward dan D2 pada posisi reverse. Sehingga sisi puncak positif dilewatkan melalui D1. Kemnudian pada saat terminal output transformator pada D1 memberikan sinyal puncak negatif maka terminal output pada D2 memberikan sinyal puncak positif, pada kondisi ini D1 posisi reverse dan D2 pada posisi forward. Sehingga sinyal puncak positif dilewatkan melalui D2. Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada gambar output penyearah gelombang penuh berikut.

Gambar II.9 output penyearah gelombang penuh

Formulasi pada penyearah gelombang penuh sebagai berikut. Vavg=2Vn

π ……..………..…….

(4)

Dimana:

Vavg = Tegangan rata-rata Vn = jumlah tegangan II.4 Komponen rangkaian penyearah

Setelah mengetahui jenis-jenis dari rangkaian penyearah, baiknya kita mengetahui komponen-komponen yang berperan penting dalam rangkaian penyearah itu sendiri, mulai dari dioda, kapasitor, maupun transformator. II.4.1 Dioda

Dioda berasal dari kata Di = dua dan Oda = elektroda atau dua elektroda, dimana elektroda-elektrodanya tersebut adalah “anoda” yang berpolaritas positif dan “katoda” yang berpolaritas negatif. Dioda adalah perangkat elektronik semikonduktor yang pertama. Penemuan kristal meluruskan kemampuan dibuat oleh fisikawan Jerman Ferdinand Braun pada tahun 1874. Dioda semikonduktor pertama, yang disebut dioda kumis kucing , dikembangkan sekitar 1906, terbuat dari kristal mineral seperti galena. Hari ini kebanyakan dioda terbuat dari silikon, tetapi lain semikonduktor seperti germanium kadang-kadang digunakan.

Dioda adalah Komponen Elektronika Aktif yang terbuat dari bahan semikonduktor dan mempunyai fungsi untuk menghantarkan arus listrik ke satu arah tetapi menghambat arus listrik dari arah sebaliknya. Oleh karena itu, Dioda sering dipergunakan sebagai penyearah dalam Rangkaian Elektronika. Dioda pada umumnya mempunyai 2 Elektroda (terminal) yaitu Anoda (+) dan Katoda (-) dan memiliki prinsip kerja yang berdasarkan teknologi pertemuan p-n semikonduktor yaitu dapat mengalirkan arus dari sisi tipe-p (Anoda) menuju ke sisi tipe-n (Katoda) tetapi tidak dapat mengalirkan arus ke arah sebaliknya.

Ada beberapa jenis dioda, misalnya dioda Zener, LED, photo diode, dioda varactor, dan lainnya. Tetapi dalam rangkaian penyearah maka dioda yang dibahas terkhusus kepada dioda penyearah. Dioda penyearah adalah jenis dioda yang terbuat dari bahan Silikon yang berfungsi sebagai penyearah arus dari arus bolak-balik (AC) ke arus searah (DC). Secara umum dioda ini disimbolnya:

Gambar II.10 Kaki-kaki dioda yaitu kaki katoda ditandai dengan garis pada ujungnya

II.4.2 Transformator

Transformator atau sering disingkat dengan istilah Trafo adalah alat yang memindahkan tenaga listrik antar dua rangkaian listrik atau lebih melalui induksi elektromagnetik. Transformator adalah suatu alat listrik yang dapat mengubah taraf suatu tegangan AC ketaraf yang lain. Maksud dari pengubahan taraf tersebut diantaranya seperti menurunkan Tegangan AC dari 220VAC ke 12 VAC ataupun menaikkan Tegangan dari 110VAC ke 220 VAC. Transformator atau Trafo ini bekerja berdasarkan prinsip Induksi Elektromagnet dan hanya dapat bekerja pada tegangan yang berarus bolak balik (AC). Transformator memegang peranan yang sangat penting dalam pendistribusian tenaga listrik. Transformator menaikan listrik yang berasal dari pembangkit listrik PLN hingga ratusan kilo Volt untuk di distribusikan, dan kemudian Transformator lainnya menurunkan tegangan listrik tersebut ke tegangan yang diperlukan oleh setiap rumah tangga maupun perkantoran yang pada umumnya menggunakan Tegangan AC 220V.

Transformator bekerja berdasarkan prinsip induksi elektromagnetik. Tegangan masukan bolak-balik yang membentangi primer menimbulkan fluks magnet yang idealnya semua bersambung dengan lilitan sekunder. Fluks bolak-balik ini menginduksikan gaya gerak listrik (ggl) dalam lilitan sekunder. Jika efisiensi sempurna, semua daya pada lilitan primer akan dilimpahkan ke lilitan sekunder.

Berikut ini adalah gambar bentuk dan simbol Transformator :

Gambar II.11 Transformator

Sebuah transformator yang sederhana pada dasarnya terdiri dari 2 lilitan atau kumparan kawat yang terisolasi yaitu kumparan primer dan kumparan sekunder. Pada kebanyakan transformator, kumparan kawat terisolasi ini dililitkan pada sebuah besi yang dinamakan dengan Inti Besi (Core). Ketika kumparan primer dialiri arus listrik AC maka akan menimbulkan medan magnet atau fluks magnetik disekitarnya. Kekuatan Medan magnet tersebut dipengaruhi oleh besarnya arus listrik yang dialirinya. Semakin besar arus listriknya semakin besar pula medan magnetnya. Fluktuasi medan magnet yang terjadi di sekitar kumparan pertama (primer) akan menginduksi GGL (Gaya Gerak Listrik) dalam kumparan kedua (sekunder) dan akan terjadi pelimpahan daya dari kumparan primer ke kumparan sekunder. Dengan demikian, terjadilah pengubahan taraf tegangan listrik baik dari tegangan rendah menjadi tegangan yang lebih tinggi maupun dari tegangan tinggi menjadi tegangan yang rendah.

Sedangkan Inti besi pada Transformator atau Trafo pada umumnya adalah kumpulan lempengan-lempengan besi tipis yang terisolasi dan ditempel berlapis-lapis dengan kegunaanya untuk mempermudah jalannya Fluks Magnet yang ditimbulkan oleh arus listrik kumparan serta untuk mengurangi suhu panas yang ditimbulkan.

Beberapa bentuk lempengan besi yang membentuk Inti Transformator tersebut diantaranya seperti :

 E – I Lamination  E – E Lamination  L – L Lamination  U – I Lamination

Dibawah ini adalah Fluks pada Transformator :

Gambar II.12 fluks transformator

Rasio lilitan pada kumparan sekunder terhadap kumparan primer menentukan rasio tegangan pada kedua kumparan tersebut. Sebagai contoh, 1 lilitan pada kumparan primer dan 10 lilitan pada kumparan sekunder akan menghasilkan tegangan 10 kali lipat dari tegangan input pada kumparan primer. Jenis Transformator ini biasanya disebut dengan Transformator Step up. Sebaliknya, jika terdapat 10 lilitan pada kumparan primer dan 1 lilitan pada kumparan sekunder, maka tegangan yang dihasilkan oleh Kumparan Sekunder adalah 1/10 dari tegangan input pada Kumparan Primer. Transformator jenis ini disebut dengan Transformator Step down.

Ada banyak jenis transformator lainnya, tetapi pada percobaan rangkaian penyearah yang dilakukan, transformator step down dan transformator jenis CT-lah yang menjadi alat yang digunakan dan juga yang menjadi fokus pada pembahasan pada materi laporan ini. Berikut adalah pembahasan tentang transformator step down dan transformator CT:

II.2.2.a Tansformator step down

Seperti yang sudah dijelaskan diatas, transformator step down berfungsi untuk menurunkan tegangan, misalnya dari tegangan 220VAC diturunkan ke tegangan 110VAC.

Dan juga sudah diterangkan bahwa pada transformator step down terdapat 10 lilitan pada kumparan primer dan 1 lilitan pada kumparan sekunder, maka tegangan yang dihasilkan oleh Kumparan Sekunder adalah 1/10 dari tegangan input pada Kumparan Primer. Berikut adalah lambing transformator step down.

Gambar II.13 trafo step down

Ketika sebuah transformator step down dialiri oleh tegangan listrik 220V(jaringan PLN) pada bagian primer, maka kumparan primer yang telah dikelilingi oleh inti besi akan timbul electromagnet, gaya electromagnet ini akan muncul seiring perubahan garis gaya magnet yang ditimbulkan oleh arus AC. Karena garis gaya magnet inilah timbul

lah gaya gerak lisrik pada kumparan sekunder Transformator. Jumlah gaya gerak listrik yang akan timbul pada kumparan sekunder tergantung jumlah lilitan dan diameternya.

Pada perancangan rangkaian elektronika, sebuah tranformator step down harus didesain sesuai dengan kebutuhan beban, ketika arus yang dibutuhkan oleh beban lebih besar dari arus output yang dikeluarkan oleh transformator step down, maka hal ini akan berbahaya untuk komponen transformator step down itu sendiri. Selain dapat menimbulkan panas yang berlebihan pada kumparan inti besinya, hal tersebut juga dapat menyebabkan kerusakan pada transformator.

Oleh karena itulah, kebanyakan sebuah adaptor AC ke DC yang memiliki kualitas baik biasanya dilengkapi dengan rangkaian regulator tegangan dan proteksi arus terhadap beban lebih, selain outputnya bebas dari tegangan rippe, juga terlindungi dari arus beban yang lebih, karena ketika hal itu terjadi, secara otomatis rangkaian proteksi akan bekerja dan sumber catu terhadap beban akan terputus.

Meskipun fungsi dasar transformator step down hanya satu yaitu menurunkan tegangan, namun kegunaannya sangat banyak. Misalnya saja power supply yang menggunakan trafo step down, kegunaannya bisa dipakai untuk hampir semua perangkat elektronika seperti amplifier, radio, charger gadged, booster antena Televisi, dan lain-lain. II.2.2.b Transformator Center tab (CT)

Transformator CT adalah transformator yang mempunyai dua gulungan sekunder yang sama terhubung secara seri. Dengan kata lain Transformator yang mempunyai gulungan sekunder yang di-tap (dibuat terminal sambungan) tepat pada titik tengah gulungannya, itulah sebabnya ada sebutan “center-tap” yang berarti “tap tengah”.

Gambar II.14 Trafo CT

Pada gambar diperlihatkan sebuah transformator dengan gulungan sekunder sebanyak (misalnya) 50 gulungan untuk menghasilkan tegangan 50V, maka tap tengahnya (CT) dibuat tepat pada gulungan ke-25. Dengan demikian dari A ke CT akan terdapat tegangan AC sebesar 25V (sesuai jumlah gulungannya) dan dari CT ke B juga terdapat tegangan AC 25V. Secara keseluruhan, dari A ke B tegangannya adalah sebesar 50V. Jadi, apabila A dianggap titik nol Volt, maka CT akan menjadi titik 25V, dan B menjadi titik 50V. Karena itu transformator nol Volt yang mempunyai titik-titik tegangan 25V dan 50V bisa difungsikan sebagai transformator CT 2x25V. Begitu pun sebaliknya, jika yang diinginkan adalah justeru transformator nol-Volt biasa dengan tegangan 50V maka bisa didapatkan dari transformator CT dengan mengambil dari dua titik yaitu A dan B (25V + 25V).

Transformator CT diperlukan ketika hendak membuat power-supply untuk rangkaian-rangkaian penguat OCL atau rangkaian lain yang memerlukan suplai tegangan simetrik. Transformator CT juga diperlukan untuk penyearahan gelombang penuh dengan arus yang maksimal.

Yang membedakan trafo CT ini dengan trafo biasa adalah adanya titik center tap yang bersifat sebagai ground pada lilitan sekunder trafo CT. Untuk lebih mudahnya, jika pada trafo biasa yang mempunyai spesifikasi tegangan primer 220VAC dan rasio lilitan 10:1 maka akan menghasilkan tegangan sekunder sebesar 22VAC pada kedua ujung lilitan sekundernya.

Untuk lebih jelas perhatikan gambar transformator berikut ini.

Gambar II.15 frekuensi dan lilitan pada trafo CT

Titik center tap adalah titik tengah lilitan sekunder pada trafo CT yang dihubungkan keluar lilitan dan bersifat sebagai sebagai ground. Jadi, semisal terdapat 10 lilitan kawat pada bagian sekundernya maka diantara lilitan ke-5 dan ke-6 dihubungkan pada sebuah kawat yang terhubung keluar lilitan.

Gambar II.16 lilitan

Tegangan sekunder yang dihasilkan oleh trafo CT ini ada 2 macam, mempunyai amplitudo yang sama namun saling berlawanan fasa, masing2 sebesar 11VAC atau setengah dari tegangan sekunder pada trafo biasa seperti contoh diatas. Tegangan sekunder trafo CT ini diukur dari salah satu ujung lilitan terhadap titik center tap-nya.

Dalam perancangan sebuah power supply, jenis transformator step down yang dipakai biasanya berhubungan dengan penentuan jenis

penyearah yang akan digunakan. Untuk jenis trafo biasa dibutuhkan penyearah jembatan dioda (dioda bridge) yang dapat dibuat dari 4 dioda. Sedangkan untuk jenis trafo CT hanya dibutuhkan penyearah dengan menggunakan 2 dioda saja.

Gambar II.17 rangkaian CT

Bentuk Gelombang Input, Arus Input dan Arus Pada Beban Penyearah Gelombang Penuh Center Tap (CT)

Gambar II.18 gelombang CT

Dengan demikian, D1 dan D2 hidupnya bergantian. Namun karena arus i1 dan i2 melewati tahanan beban (RL) dengan arah yang sama, maka iL menjadi satu arah. Rangkaian penyearah gelombang penuh ini merupakan gabungan dua buah penyearah setengah gelombang yang hidupnya bergantian setiap setengah siklus, sehingga

arus maupun tegangan rata-ratanya adalah dua kali dari penyearah setengah gelombang, yaitu :

Idc=21m

π ≅0,636 A……….……….…….

(5) Dan;

Vdc=Idc. RL=2ℑ. RL

π ………….………

(6)

Apabila harga Rf jauh lebih kecil dari RL, maka Rf bisa diabaikan, sehingga:

Vdc=2vm

m ≅0,636Vm ……...……….………... (7)

Ket:

Idc = Arus DC RL = Tahanan beban

Tegangan puncak inverse yang dirasakan oleh dioda adalah sebesar 2Vm. Pada saat siklus positip, dimana D1 sedang hidup (ON) dan D2 sedang mati (OFF), maka jumlah tegangan yang berada pada dioda D2 yang sedang OFF tersebut adalah dua kali dari tegangan sekunder trafo. Sehingga PIV untuk masing-masing dioda dalam rangkaian penyearah dengan trafo CT adalah:

PIV=2Vm………..………(8) Dimana:

PIV = tegangan puncak balik II.4.3 Kapasitor

Kapasitor adalah suatu alat yang dapat menyimpan energi di dalam medan listrik, dengan cara mengumpulkan ketidakseimbangan internal dari muatan listrik. Kondensator memiliki satuan yang disebut Farad dari nama

Michael Faraday. Kondensator juga dikenal sebagai "kapasitor", namun kata "kondensator" masih dipakai hingga saat ini. Pertama disebut oleh Alessandro Volta seorang ilmuwan Italia pada tahun 1782 (dari bahasa Itali condensatore), berkenaan dengan kemampuan alat untuk menyimpan suatu muatan listrik yang tinggi dibanding komponen lainnya. Kebanyakan bahasa dan negara yang tidak menggunakan bahasa Inggris masih mengacu pada perkataan bahasa Italia "condensatore", bahasa Perancis condensateur, Indonesia dan Jerman Kondensator atau Spanyol Condensador.

Dalam rangkaian penyearah kondensator atau kapasitor berfungsi sebagai filter. Filter (Tapis) Dalam Penyearah Gelombang (Rectifier) berfungsi untuk mendapatkan tegangan output searah yang rata dari rangkaian rectifier. Tujuan dari penyearahan adalah memperoleh arus searah. Dalam penyearah, kita tidak memperoleh arus searah murni melainkan arus searah yang berubah secara periodik, jadi arus searah ini mengandung komponen arus bolak-balik. Variasi tegangan ini disebut riak tegangan. Riak tegangan pada penyearah gelombang penuh lebih kecil dari riak tegangan pada penyearah setengah gelombang. Untuk lebih memperkecil riak tegangan ini digunakan filter yang bertugas untuk meloloskan komponen searah dan mencegah komponen bolak-balik.

Dengan menambahkan kapasitor paralel dengan beban R pada rangkaian penyearah setengah gelombang, maka riak tegangan akan sangat ditekan. Sebagaimana kita ketahui, kapasitor dapat menyimpan energi. Pada saat tegangan sumber naik, kapasitor akan terisi sampai mencapai tegangan maksimum. Pada saat tegangan sumber menurun, kapasitor akan melepaskan energi yang disimpannnya melalui beban (karena pada saat ini dioda tidak konduksi). Dengan demikian beban akan tetap memperoleh aliran energi walaupun dioda tidak konduksi. Selanjutnya bila dioda konduksi lagi, kapasitor akan terisi dan energi yang tersimpan ini akan dilepaskan lagi pada waktu dioda tidak konduksi; dan demikian

seterusnya. Filter semacam ini tentu saja dapat pula digunakan pada penyearah gelombang penuh.

Seperti yang telah kita ketahui bentuk Tegangan DC murni adalah rata tanpa rippe, tetapi untuk power supply dengan input transformator (trafo), sinyal DC yang dihasilkan oleh rangkaian dioda penyearah masih berbentuk rippe yang sangat besar. Untuk mendapatkan sinyal tegangan DC yang rata (low rippe), maka perlu dipasang kapasitor sebagai filter (smoothing) sehingga rippe tegangan yang dihasilkan akan sangat kecil sekali mendekati sinyal DC murni. Kapasitor yang umum digunakan sebagai filter rippe adalah jenis Elektrolit Kondensator (ELKO), yang juga menjadi focus pembahasan pada materi laporan ini.

Kondensator elektrolit atau Electrolytic Condenser (sering disingkat Elco) adalah kondensator yang biasanya berbentuk tabung, mempunyai dua kutub kaki berpolaritas positif dan negatif, ditandai oleh kaki yang panjang positif sedangkan yang pendek negatif atau yang dekat tanda minus (-) adalah kaki negatif. Nilai kapasitasnya dari 0,47 µF (mikroFarad) sampai ribuan mikroFarad dengan voltase kerja dari beberapa volt hingga ribuan volt.

Berbagai macam lambang gambar untuk Kapasitor Elektrolit pada skema elektronika :

Gambar II.19 kapasitor dan lambangnya II.4.3.a Kapasitor sebagai fiter dalam rangkaian penyearah

Penyearah gelombang dengan filter adalah rangkaian penyearah yang disertai dengan kapasitor, karena kapasitor dengan sifatya yang hanya bisa dilewati oleh arus searah dan sebaliknya, menghalangi arus bolak-balik.

Tegangan yang dihasilkan oleh Rectifier belum benar-benar Rata seperti tegangan DC pada umumnya, oleh karena itu diperlukan Kapasitor yang berfungsi sebagai Filter (Penyaring) untuk menekan riple yang terjadi pada proses penyearahan Gelombang AC. Kapasitor yang umum dipakai adalah Kapasitor jenis ELCO (Electrolyte Capacitor) seperti yang sudah dijelaskan pada materi kapasitor diatas.

Gambar II.20 rangkaian dan output penyearah

Ada dua hal Penting yang harus diperhatikan saat memilih kapasitor yang akan digunakan sebagai filter yaitu tegangan kerja yang harus lebih tinggi dari tegangan supply dan nilai kapasitansi yang menentukan besar rippe yang dihasilkan pada tegangan DC.Semakin kecil nilai kapasitansi maka tidak terlalu berpengaruh terhadap perubahan rippe DC yang dihasilkan, dan sebaliknya semakiin besar nilai kapasitansi maka rippe DC akan semakin halus mendekati DC murni.

Besarnya rippe tegangan DC yang dihasilkan dari sebuah rangkaian power supply trafo ditentukan oleh besarnya nilai filter kapasitor, arus beban dan frekuensi, sehingga untuk menghitung nilai kapasitor dapat digunakan persamaan seperti dibawah ini:

Vrippe = Iload/(FxC) ……….………..(9) dimana :

V = tegangan rippe, I = arus beban, F = Frekuensi dan C = nilai kapasitansi

Filter (Tapis) Dalam Penyearah Gelombang (Rectifier) berfungsi untuk mendapatkan tegangan output searah yang rata dari rangkaian rectifier. Tujuan dari penyearahan adalah memperoleh arus searah. Dalam penyearah, kita tidak memperoleh arus searah murni melainkan arus searah yang berubah secara periodik, jadi arus searah ini mengandung komponen arus bolak-balik. Variasi tegangan ini disebut riak tegangan. Riak tegangan pada penyearah gelombang penuh lebih kecil dari riak tegangan pada penyearah setengah gelombang. Untuk lebih memperkecil riak tegangan ini digunakan filter yang bertugas untuk meloloskan komponen searah dan mencegah komponen bolak-balik.

Dengan menambahkan kapasitor paralel dengan beban R pada rangkaian penyearah setengah gelombang, maka riak tegangan akan sangat ditekan. Sebagaimana kita ketahui, kapasitor dapat menyimpan energi. Pada saat tegangan sumber naik, kapasitor akan terisi sampai mencapai tegangan maksimum. Pada saat tegangan sumber menurun, kapasitor akan melepaskan energi yang disimpannnya melalui beban (karena pada saat ini dioda tidak konduksi). Dengan demikian beban akan tetap memperoleh aliran energi walaupun dioda tidak konduksi. Selanjutnya bila dioda konduksi lagi, kapasitor akan terisi dan energi

yang tersimpan ini akan dilepaskan lagi pada waktu dioda tidak konduksi; dan demikian seterusnya. Filter semacam ini tentu saja dapat pula digunakan pada penyearah gelombang penuh.

Gambar II.21 rangkaian penyearah dengan filter

Gambar diatas memperlihatkan rangkaian penyearah setengah gelombang dengan filter kapasitor. Jika v = Vmsinωt, Pada waktu dioda konduksi, kapasitor terisi sampai tegangan maksimum. Pada waktu v menurun tegangan sumber menjadi lebih kecil dari tegangan kapasitor dan dioda tidak konduksi, vC = vR. Kapasitor melepaskan muatannya melalui R dan selama pelepasan muatan ini, kita mempunyai loop tertutup RC seri. Untuk loop ini berlaku :

VR=VC Ri_R=r=R

₍

−i_C

₎

=−RCdvc dt → RC

dvc

dt +vc = 0……(10) persamaan diferensial ini memberikan :

dcc vc=

−1

RCdt → Invc= −1

RCt+K=¿vc K1e

−(1/RC)t _...….(11) Dimana:

VR = tegangan pada Resistor VC = tegangan pada kapasitor RC = hambatan pada kapasitor I = arus

Nilai K₁ ditentukan oleh nilai awal tegangan kapasitor yaitu pada saat ia mulai melepaskan energinya yang hampir sama besar dengan tegangan maksimum yang dicapai sesaat sebelum dioda berhenti konduksi, yaitu V_m . Jadi vc = V_me−(

1

RC)t Dioda akan kembali konduksi

manakala v > vC . Maka tegangan pada R adalah : pada waktu dioda konduksi :

VR=vc=V_msinωtv ………..……….(12) pada waktu dioda tak konduksi :

_VR=VC=V me

−

(

1

RC

)

t_V ………...…….. (13)

Dimana:

VR = tegangan pada resistor VC = tegangan kapasitor

Dengan menambahkan kapasitor, riak tegangan dapat diperkecil. Kita dapat melihat bahwa tegangan kapasitor menurun sebesar ΔvC . Penurunan tegangan ini menunjukkan adanya pelepasan muatan sebesar CΔvC dan ini sama dengan jumlah muatan yang ditransfer melalui R dalam selang waktu (T-ΔT), yaitu sebesar Ias(T-ΔT). Dengan relasi ini kita dapat memperkirakan besarnya C yang diperlukan untuk membatasi riak tegangan (membatasi ΔvC ).

∆ qc=C ∆ vc=I_as(T−∆ T)≈ I_asT ……….…..(14)

¿>C=IasT ∆ vc=

I_as f ∆ vc=

V_as

Rf ∆ vc ………. ………..(15)

Dimana:

F = frekuensi I = arus

∆ T = perubahan waktu T = periode

V = tegangan

Besarnya nilai frekuensi untuk rangkaian penyearah gelembong penuh adalah sama dengan frekeunsi input dari trafo 50Hz atau 60Hz, dan untuk penyearah dioda bridge adalah dua kali lipat frekuensi input 100Hz (untuk frekuensi input 50Hz) atau 120Hz (untuk frekuensi input 60Hz).

Untuk mendapatkan rippe tegangan DC yang sangat halus dan sangat mendekati murni, dapat dipakai rangkaian filter π (filter pi) atau low-pass filter yang terdiri dari 2 buah kapasitor nilai yang sama dan sebuah induktor (lilitan) yang dipasang diantara kapasitor.

Gambar II.22 Filter π II.5 Osiloskop

Pada percobaan rangkaian penyearah, kita tidak lepas dari alat ukur elektronika yang berfungsi untuk memroyeksikan gelombang sinyal listrik atau biasa disebut osiloskop. Untuk penjelasan lebuh jelas Osiloskop adalah alat ukur Elektronik yang dapat memetakan atau memproyeksikan sinyal listrik dan frekuensi menjadi gambar grafik agar dapat dibaca dan mudah

dipelajari. Dengan menggunakan Osiloskop, kita dapat mengamati dan menganalisa bentuk gelombang dari sinyal listrik atau frekuensi dalam suatu rangkaian Elektronika. Pada umumnya osiloskop dapat menampilkan grafik Dua Dimensi (2D) dengan waktu pada sumbu X dan tegangan pada sumbu Y.

Osiloskop dilengkapi dengan tabung sinar katode. Peranti pemancar elektron memproyeksikan sorotan elektron ke layar tabung sinar katode.Sorotan elektron membekas pada layar. Suatu rangkaian khusus dalam osiloskop menyebabkan sorotan bergerak berulang-ulang dari kiri ke kanan. Pengulangan ini menyebabkan bentuk sinyal kontinyu sehingga dapat dipelajari.

Osiloskop banyak digunakan pada industri-industri seperti penelitian, sains, engineering, medikal dan telekomunikasi. Saat ini, terdapat 2 jenis Osiloskop yaitu Osiloskop Analog yang menggunakan Teknologi CRT (Cathode Ray Tube) untuk menampilkan sinyal listriknya dan Osiloskop Digital yang menggunakan LCD untuk menampilkan sinyal listrik atau gelombong.

Semua alat ukur elektronik bekerja berdasarkan sampel data, semakin tinggi sampel data, semakin akurat peralatan elektronik tersebut. Osiloskop, pada umumnya juga mempunyai sampel data yang sangat tinggi, oleh karena itu osiloskop merupakan alat ukur elektronik yang mahal. Jika sebuah osiloskop mempunyai sampel rate 10 Ks/s (10 kilo sample/second = 10.000 data per detik), maka alat ini akan melakukan pembacaan sebanyak 10.000 kali dalam sedetik. Jika yang diukur adalah sebuah gelombang dengan frekuensi 2500 Hz, maka setiap sampel akan memuat data 1/4 dari sebuah gelombang penuh yang kemudian akan ditampilkan dalam layar dengan grafik skala XY.

Gambar II.23 Osiloskop

Selain fitur-fitur dasarnya, kebanyakan Osiloskop juga dilengkapi dengan alat pengukuran yang dapat mengukur Frekuensi, Amplitudo dan karakteristik gelombang sinyal listrik. Secara umum, Osiloskop dapat mengukur karakteristik yang berbasis Waktu (Time) dan juga karakteristik yang berbasis tegangan (Voltage).

Ga mbar II.24 Output osiloskop

Besarnya rippe tegangan DC yang dihasilkan dari sebuah rangkaian power supply trafo ditentukan oleh besarnya nilai filter kapasitor, arus beban dan frekuensi, sehingga untuk menghitung nilai kapasitor dapat digunakan persamaan seperti dibawah ini:

Vrippe = Iload/(FxC) ……….………..(9) dimana :

V = tegangan rippe, I = arus beban, F = Frekuensi dan C = nilai kapasitansi

Filter (Tapis) Dalam Penyearah Gelombang (Rectifier) berfungsi untuk mendapatkan tegangan output searah yang rata dari rangkaian rectifier. Tujuan dari penyearahan adalah memperoleh arus searah. Dalam penyearah, kita tidak memperoleh arus searah murni melainkan arus searah yang berubah secara periodik, jadi arus searah ini mengandung komponen arus bolak-balik. Variasi tegangan ini disebut riak tegangan. Riak tegangan pada penyearah gelombang penuh lebih kecil dari riak tegangan pada penyearah setengah gelombang. Untuk lebih memperkecil riak tegangan ini digunakan filter yang bertugas untuk meloloskan komponen searah dan mencegah komponen bolak-balik.

Dengan menambahkan kapasitor paralel dengan beban R pada rangkaian penyearah setengah gelombang, maka riak tegangan akan sangat ditekan. Sebagaimana kita ketahui, kapasitor dapat menyimpan energi. Pada saat tegangan sumber naik, kapasitor akan terisi sampai mencapai tegangan maksimum. Pada saat tegangan sumber menurun, kapasitor akan melepaskan energi yang disimpannnya melalui beban (karena pada saat ini dioda tidak konduksi). Dengan demikian beban akan tetap memperoleh aliran energi walaupun dioda tidak konduksi. Selanjutnya bila dioda konduksi lagi, kapasitor akan terisi dan energi

yang tersimpan ini akan dilepaskan lagi pada waktu dioda tidak konduksi; dan demikian seterusnya. Filter semacam ini tentu saja dapat pula digunakan pada penyearah gelombang penuh.

Gambar II.21 rangkaian penyearah dengan filter

Gambar diatas memperlihatkan rangkaian penyearah setengah gelombang dengan filter kapasitor. Jika v = Vmsinωt, Pada waktu dioda konduksi, kapasitor terisi sampai tegangan maksimum. Pada waktu v menurun tegangan sumber menjadi lebih kecil dari tegangan kapasitor dan dioda tidak konduksi, vC = vR. Kapasitor melepaskan muatannya melalui R dan selama pelepasan muatan ini, kita mempunyai loop tertutup RC seri. Untuk loop ini berlaku :

VR=VC Ri_R=r=R

₍

−i_C

₎

=−RCdvc dt → RC

dvc

dt +vc = 0……(10) persamaan diferensial ini memberikan :

dcc

vc= −1

RCdt → Invc= −1

RCt+K=¿vc K1e

−(1/RC)t _...….(11)

Dimana:

VR = tegangan pada Resistor VC = tegangan pada kapasitor RC = hambatan pada kapasitor I = arus

Nilai K₁ ditentukan oleh nilai awal tegangan kapasitor yaitu pada saat ia mulai melepaskan energinya yang hampir sama besar dengan tegangan maksimum yang dicapai sesaat sebelum dioda berhenti konduksi, yaitu V_m . Jadi vc = V_me−(

1

RC)t Dioda akan kembali konduksi

manakala v > vC . Maka tegangan pada R adalah : pada waktu dioda konduksi :

VR=vc=V_msinωtv ………..……….(12) pada waktu dioda tak konduksi :

_VR=VC=V

me −

(

1

RC

)

t_V ………...……..

(13)

Dimana:

VR = tegangan pada resistor VC = tegangan kapasitor

Dengan menambahkan kapasitor, riak tegangan dapat diperkecil. Kita dapat melihat bahwa tegangan kapasitor menurun sebesar ΔvC . Penurunan tegangan ini menunjukkan adanya pelepasan muatan sebesar CΔvC dan ini sama dengan jumlah muatan yang ditransfer melalui R dalam selang waktu (T-ΔT), yaitu sebesar Ias(T-ΔT). Dengan relasi ini kita dapat memperkirakan besarnya C yang diperlukan untuk membatasi riak tegangan (membatasi ΔvC ).

∆ qc=C ∆ vc=I_as(T−∆ T)≈ I_asT ……….…..(14) ¿>C=IasT

∆ vc= I_as f ∆ vc=

V_as

Rf ∆ vc ………. ………..(15)

Dimana:

F = frekuensi I = arus

∆ T = perubahan waktu T = periode

V = tegangan

Besarnya nilai frekuensi untuk rangkaian penyearah gelembong penuh adalah sama dengan frekeunsi input dari trafo 50Hz atau 60Hz, dan untuk penyearah dioda bridge adalah dua kali lipat frekuensi input 100Hz (untuk frekuensi input 50Hz) atau 120Hz (untuk frekuensi input 60Hz).

Untuk mendapatkan rippe tegangan DC yang sangat halus dan sangat mendekati murni, dapat dipakai rangkaian filter π (filter pi) atau low-pass filter yang terdiri dari 2 buah kapasitor nilai yang sama dan sebuah induktor (lilitan) yang dipasang diantara kapasitor.

Gambar II.22 Filter π II.5 Osiloskop

Pada percobaan rangkaian penyearah, kita tidak lepas dari alat ukur elektronika yang berfungsi untuk memroyeksikan gelombang sinyal listrik atau biasa disebut osiloskop. Untuk penjelasan lebuh jelas Osiloskop adalah alat ukur Elektronik yang dapat memetakan atau memproyeksikan sinyal listrik dan frekuensi menjadi gambar grafik agar dapat dibaca dan mudah

dipelajari. Dengan menggunakan Osiloskop, kita dapat mengamati dan menganalisa bentuk gelombang dari sinyal listrik atau frekuensi dalam suatu rangkaian Elektronika. Pada umumnya osiloskop dapat menampilkan grafik Dua Dimensi (2D) dengan waktu pada sumbu X dan tegangan pada sumbu Y.

Osiloskop dilengkapi dengan tabung sinar katode. Peranti pemancar elektron memproyeksikan sorotan elektron ke layar tabung sinar katode.Sorotan elektron membekas pada layar. Suatu rangkaian khusus dalam osiloskop menyebabkan sorotan bergerak berulang-ulang dari kiri ke kanan. Pengulangan ini menyebabkan bentuk sinyal kontinyu sehingga dapat dipelajari.

Osiloskop banyak digunakan pada industri-industri seperti penelitian, sains, engineering, medikal dan telekomunikasi. Saat ini, terdapat 2 jenis Osiloskop yaitu Osiloskop Analog yang menggunakan Teknologi CRT (Cathode Ray Tube) untuk menampilkan sinyal listriknya dan Osiloskop Digital yang menggunakan LCD untuk menampilkan sinyal listrik atau gelombong.

Semua alat ukur elektronik bekerja berdasarkan sampel data, semakin tinggi sampel data, semakin akurat peralatan elektronik tersebut. Osiloskop, pada umumnya juga mempunyai sampel data yang sangat tinggi, oleh karena itu osiloskop merupakan alat ukur elektronik yang mahal. Jika sebuah osiloskop mempunyai sampel rate 10 Ks/s (10 kilo sample/second = 10.000 data per detik), maka alat ini akan melakukan pembacaan sebanyak 10.000 kali dalam sedetik. Jika yang diukur adalah sebuah gelombang dengan frekuensi 2500 Hz, maka setiap sampel akan memuat data 1/4 dari sebuah gelombang penuh yang kemudian akan ditampilkan dalam layar dengan grafik skala XY.

Gambar II.23 Osiloskop

Selain fitur-fitur dasarnya, kebanyakan Osiloskop juga dilengkapi dengan alat pengukuran yang dapat mengukur Frekuensi, Amplitudo dan karakteristik gelombang sinyal listrik. Secara umum, Osiloskop dapat mengukur karakteristik yang berbasis Waktu (Time) dan juga karakteristik yang berbasis tegangan (Voltage).

Ga mbar II.24 Output osiloskop