Percobaan PENYEARAH GELOMBANG (Oleh : Sumarna, Lab-Elins, Jurdik Fisika FMIPA UNY) E-mail :
[email protected])
1. Tujuan 1). Mempelajari cara kerja rangkaian penyearah. 2). Mengamati bentuk gelombang keluaran. 3). Menyelidiki besar faktor riak dan regulasi tegangan.
2. Alat-alat Percobaan 1). Osiloskop/CRO 2). Voltmeter analog dan digital. 3). Papan rangkaian 4). Resistor, kapasitor, potensiometer, dioda, transformator 5). Kabel-kabel penghubung.
3. Dasar Teori Hampir semua peralatan elektronik memerlukan sumber tegangan searah untuk dapat bekerja. Alat-alat elektronik dengan daya yang relatif kecil dapat menggunakan batere atau aki. Tetapi untuk peralatan yang relatif memerlukan daya besar lebih baik digunakan sumber tegangan yang berasal dari PLN. Mengingat listrik dari PLN bolak-balik tentu saja memerlukan
rangkaian penyearah.
Komponen elektronik yang berfungsi sebagai penyearah tadi adalah dioda. Dioda mempunyai sifat dapat menghantarkan arus listrik hanya pada satu arah. Simbol dioda penyearah adalah sebagai berikut : (anoda)
A
K
22
(katoda)
Apabila kaki anoda (A) dihubungkan dengan kutub positif dan kaki katoda (K) dihubungkan dengan kutub negatif dari suatu sumber tegangan dc (atau tegangan A lebih positif dari pada tegangan K), maka arus dapat mengalir dan pada keadaan yang demikian dikatakan dioda terpanjar maju (foward bias). Pada pemasangan yang sebaliknya, anoda dihubungkan dengan
kutub negatif sedangkan katoda
dengan kutub positif, maka arus tidak dapat mengalir asalkan tidak melebihi batas tegangan dadalnya. Pemasangan yang demikian dikatakan dioda terpanjar mundur (reverse bias). Apabila sebuah dioda dipasang pada sumber tegangan bolak-balik, misalnya PLN (setelah melewati transformator step-down), maka oleh dioda tegangan itu akan diubah menjadi tegangan searah. Rangkaian penyearah sederhana dan bentuk keluarannya adalah sebagai berikut : Vi CT
Vo
R
Vi Masukan
Vo Keluaran
Vm 0
Vm π
2π
t
0
-Vm
π
2π
t
-Vm
Dari 0 sampai dengan π arus dapat diteruskan karena pada saat itu dioda terpanjar maju. Tetapi dari π hingga 2 π dioda terpanjar mundur, oleh karenanya arus tidak dapat mengalir. Rangkaian yang demikian tadi disebut sebagai rangkaian penyearah gelombang setengah (half wave rectifier). Jika masukannya (Vi) sebagai gelombang sinus, maka keluarannya dapat dituliskan : Vo = Vm sin ωt
untuk 0 < ωt < π
Vo = 0
untuk π < ωt < 2 π.
23
Suatu voltmeter dc analog dibuat sedemikian hingga simpangan jarumnya menunjukkan tegangan reratanya saja untuk masukan yang berupa gelombang sinus, dengan demikian tegangan yang terbaca pada voltmeter dc adalah : Vm
Vdc =
= Vrerata
(resistansi transformator dan dioda diabaikan). Sedangkan voltmeter ac analog mengukur tegangan rms (harga efektifnya) pada ujung-ujung sebelum disearahkan, dan tegangan yang terbaca adalah :
Vm
Vac =
2
= Veff
Penyearah yang sedikit lebih baik menggunakan dua buah dioda. Rangkaian ini dapat dipikirkan sebagai dua rangkaian penyearah gelombang setengah yang bekerja
secara
bergantian. Rangkaian demikian disebut sebagai rangkaian
penyearah gelombang penuh (full wave rectifier) yang skemanya dapat dilihat pada gambar berikut :
Vi CT
Vo
R
Vi Masukan
Vo Keluaran
Vm 0
Vm π
2π
t
0
-Vm
-Vm
24
π
2π
t
Jika ujung-ujung keluarannya dihubungkan dengan voltmeter dc, maka jarum voltmeter yang menunjukkan tegangan reratanya akan berharga :
Vdc =
2Vm
= Vrerata
(resistansi dari transformator dan dioda diabaikan). Tegangan keluaran yang dihasilkan oleh kedua rangkaian penyearah di atas belum rata, tetapi masih berbentuk gelombang sinus yang selalu positif (searah). Untuk mendapatkan tegangan keluaran yang lebih rata diperlukan suatu tapis (filter). Tapis yang paling sederhana adalah sebuah kapasitor yang dipasang paraleldengan ujung-ujung keluarannya. Ingat untuk kapasitor berkutub
cara
pemasangannya jangan sampai terbalik. Gambar rangkaian penyearah bertapis adalah sebagai berikut :
Vi CT
Vi Masukan
Vo Keluaran
Vm 0 -Vm
Vo
RL
C
Vm π
2π
t
0
Vr π
2π
t
-Vm
Mengingat sifat kapasitor (C) yang dapat diisi
muatan
maupun dikosongkan,
dengan terpasangnya C, tegangan keluaran (Vo) tidak segera turun meskipun tegangan masukan (Vi) sudah turun. Ini dikarenakan kapasitor memerlukan waktu untuk
mengosongkan muatannya. Sebelum tegangan kapasitor turun ke
nol,
tegangan kapasitor tersebut segera naik lagi oleh tegangan masukan. Dengan demikian sekecil apapun, tegangan keluaran belum rata sempurna, tetapi masih 25
terdapat riak (ripple). Besar
riak dinyatakan sebagai tegangan riak (Vr) yang
besarnya dapat dibuktikan secara teoritis sebagai :
Vr =
Vm fRLC
(untuk penyearah gelombang setengah)
Vr =
Vm 2 fRLC
(untuk penyearah gelombang penuh).
Tampak bahwa tegangan riak (Vr) makin kecil untuk nilai C yang semakin besar. Setelah melalui tapis, tegangan dc (Vdc) pada keluarannya dapat ditentukan, diukur ataupun dihitung. Besar tegangan dc tersebut tergantung pada R L, C, Vm , dan f. Dari gambar dapat ditentukan : Vdc = Vm -
1 2
Vr .
Ada beberapa besaran yang menunjukkan kualitas suatu penyearah dan 2 (dua) di antaranya adalah faktor riak (r) dan regulasi tegangan (R) yang masing-masing didefinisikan sebagai berikut r
=
R
=
Vr , rms Vdc Vo (tan pa RL ) Vo (dengan RL ) . Vo (dengan RL )
4. Langkah-langkah Percobaan Buatlah (set) agar papan rangkaian penyearah yang tersedia membentuk rangkaian seperti berikut : ke CRO
R mA
Vi PLN
CT
S1
S2 C1
trafo
26
S4
S3 C2
RL
Vo
Dengan R = 560 Ω atau 47 Ω, C1 = C2 = 47 μF/25V, dan RL = 10 kΩ. 1. Buatlah rangkaian penyearah gelombang setengah (S1 terbuka). Terlebih dahulu S2 dan S3 terbuka (filter belum digunakan). Dengan S4 tertutup, aturlah RL agar memberikan arus keluaran (mA) tertentu. Ukurlah Vr,rms , Vdc, RL, Idc dan gambarlah bentuk gelombang keluarannya. Selanjutnya ukur Vdc tanpa RL dengan cara membuka S4. 2. Seperti langkah 1 tetapi S2 tertutup. 3. Seperti langkah 1 tetapi S2 dan S3 tertutup. 4. Seperti langkag 1, 2 dan 3 tetapi untuk penyearah gelombang penuh dengan cara S1 tertutup. 5. Catatlah semua nilai komponen rangkaian yang digunakan.
5. Data Percobaan Sesuai dengan langkah-langkah percobaan di atas, maka data yang harus dicatat baik untuk rangkaian penyearah gelombang setengan maupun rangkaian penyearah gelombang penuh masing-masing adalah :
Jenis Filter Tanpa filter C1 C1, C2
Bentuk gelombang keluaran
Idc
27
Vr,rms
Vdc
RL
Vdc tanpa RL
