Rangkaian Penyearah (Rectifier Circuit)

 

Rectifier : AC to DC converters

Rangkaian penyearah atau rectifier circuit adalah rangkaian listrik untuk mengubah listrik ac (bolak-balik) menjadi listrik dc (searah), atau disebut ac to dc converters. Perubahan daya listrik menggunakan rectifier ini sangat banyak aplikasinya, terutama pada peralatan elektronika kantor dan rumah tangga, banyak keperluan konversi dari 220 Vac menjadi tegangan dc pada nilai tertentu, beberapa diantaranya adalah sebagai berikut:

 

1. Power adaptor, seperti pada sistem charging hp dan laptop

2. Sistem charging baterai pada mobil dan sepeda motor

3. Sistem charging baterai pada PLTS dan PLTB

4. Penyearah dalam rangkaian internal lampu LED

5. Power supply dc, seperti pada panel kontrol sistem dan mesin industri

6. Dan lain-lain, hingga pada aplikasi transmisi tegangan tinggi dc (HVDC)

 

Pada artikel kali ini, kami akan membahas tentang rangkaian penyearah (rectifier circuit), dan untuk selanjutnya untuk memudahkan penamaan, kami hanya akan menyebutnya sebagai rectifier. Rectifier memiliki banyak variasi rangkaian dan penggunaan komponen elektronika daya tertentu, akan tetapi, yang paling umum adalah menggunakan komponen dioda sebagai penyearah, dengan 4 jenis rangkaian, yaitu half-wave rectifier, full-wave rectifier, three-phase half-wave rectifier dan three-phase full-wave rectifier. Berikut kami jelaskan semuanya dengan terperinci, namun, apabila kalian belum memiliki dasar pengetahuan tentang karakteristik sebuah dioda, sebaiknya kalian membaca terlebih dahulu artikel kami sebelumnya tentang komponen elektronika daya.

 

Half-Wave Rectifier

 

Berikut adalah skema dasar rangkaian half-wave rectifier dan bentuk tegangan serta arus output yang dihasilkan. Sebagai penjelasan prinsip kerja, perhatikan bahwa V_S adalah tegangan input, kemudian rangkaian terdiri dari sebuah dioda dan sebuah beban berupa resistor (R). V_O adalah tegangan output pada terminal beban, dan I_O adalah arus output yang melewati beban.

 

Rangkaian dasar half-wave rectifier

Output dc half-wave rectifier

Pada saat tegangan input V_S bernilai positif, maka dioda akan menerima tegangan positif, sehingga dioda akan bertindak seperti saklar yang tertutup, dan menghasilkan tegangan dan arus output berbentuk sama dengan inputnya (positif). Sedangkan pada saat tegangan input bernilai negatif, dioda akan menerima tegangan negative dan bertindak seperti saklar yang terbuka, sehingga rangkaian terputus dan tegangan dan arus output menjadi nol. Karena output akan menjadi selalu positif seperti gambar diatas, maka terbentuklah tegangan dan arus searah atau dc pada output dari rangkaian rectifier tersebut.

 

Namun, output dari rectifier jenis ini berkualitas sangat buruk, karena tegangan dc yang dihasilkan sangat fluktuatif (tidak cukup konstan atau rata). Tegangan dan arus output tersebut memiliki ripple factor sebesar 121%, yang berarti tegangan dc yang dihasilkan mengandung komponen ac (ripple) yang lebih besar dibandingkan komponen dc nya sendiri. Output dc ini masih memiliki komponen ac 60 Hz dan semuanya merupakan harmonik.Oleh karena kualitas output yang buruk, rectifier ini memerlukan filter yang cukup baik pada sisi output untuk meratakan tagangan dc yang dihasilkan.

 

Full-Wave Rectifier

 

Skema rangkaian full-wave rectifier yang umum digunakan ada 2 jenis, yang pertama adalah center tap transformer rectifier dan yang kedua adalah full bridge rectifier. Jenis yang pertama menggunakan sebuah transformer center tap dan dua buah dioda. Berikut adalah skema rangkaian dan tegangan output yang dihasilkanya.

 

Rangkaian center tap trafo rectifier

Output dc center tap trafo rectifier

Perhatikan bahwa V_S dan I_S adalah tegangan dan arus sumber, berbentuk ac sinusoidal. Kemudian V_O dan I_O adalah tegangan dan arus output berbentuk dc (polaritas tidak berubah atau searah). Prinsip kerjanya, pada saat tegangan dan arus sumber bernilai positif, maka V₁ pada output trafo bernilai positif, sehingga diode D₁ akan mendapat tegangan positif dan bertindak sebagai saklar tertutup, sehingga menghasilkan V_O positif yang nilai maksimalnya adalah sama dengan V₁. Pada saat yang sama, V₂ pada output trafo akan bernilai negative, sehingga diode D₂ medapatkan tegangan negative dan bertindak sebagai saklar terbuka, sehingga V₂ tidak memberikan dampak pada output V_O dan I_O.

 

Lalu, pada saat V_S bernilai negative, terjadi sebaliknya, V₁ akan bernilai negative dan V₂ bernilai positif, D₁ akan bertindak sebagai saklar terbuka dan D₂ akan bertindak sebagai saklar tertutup, sehingga V₁ tidak memberikan dampak pada V_O, dan V_O akan bernilai positif dengan nilai maksimal sebesar V₂. Maka terbentuklah tegangan dan arus dc pada output rangkaian.

 

Rangkaian full-wave rectifier yang kedua adalah full bridge rectifier, yang menggunakan empat buah diode, dengan skema dan bentuk output sebagai berikut.

 

Rangkaian full-bridge rectifier

Output dc full-bridge rectifier

Dapat kita lihat, bentuk gelombang rangkaian full bridge rectifier sama persis dengan rangkaian center tap transformer rectifier. Yang membedakan adalah, tegangan puncak V_O paling besar adalah sama dengan V_S. Untuk prinsip kerjanya, ketika V_S bernilai positif, maka D₁ dan D₄ akan mendapat tegangan forward (positif), sehingga bertindak sebagai saklar yang tertutup, sehingga menimbulkan tegangan V_O pada output. Pada saat yang sama, D₂ dan D₃ mendapatkan tegangan reverse (negative), sehingga bertindak sebagai saklar terbuka dan tidak memberikan dampak pada output. Sebaliknya, pada saat V_S bernilai negative, D₂ dan D₃ akan menutup dan menghasilkan tegangan dan arus output pada rangkaian, sedangkan D₁ dan D₄ akan terbuka dan tidak memberikan dampak pada rangkaian.

 

Dari segi kualitas daya, bentuk gelombang output full wave rectifier jauh lebih halus dibandingkan dengan half wave rectifier, dimana ripple factor nya baik menggunakan rangkaian center tap trafo maupun full brigdge adalah 48,2%. Output dc ini masih memiliki komponen ac 120 Hz beserta harmoniknya.

 

3 Phase Half-Wave Rectifier

 

Secara prinsip kerja, 3 phase half-wave rectifier sama persis dengan rangkaian half-wafe rectifier 1 phase seperti yang sudah kami jelaskan. Namun, karena tegangan sumbernya adalah 3 phase (U, V, W), maka digunakan juga 3 buah diode untuk masing masing phase (D₁, D₂, dan D₃). Berikut adalah skema rangkaian dan tegangan dc output yang dihasilkan. Gelombang berwarna biru tipis adalah gelombang tegangan input (U, V, W), dan gelombang berwarna biru tebal adalah bentuk tegangan dc output.

 

Rangkaian 3 phase half-wave rectifier

Output dc 3 phase half-wave rectifier

Kualiatas tegangan dc yang dihasilkan dari rangkaian 3 phase half-wave rectifier lebih baik dan lebih halus dibandingkan kedua jenis rectifier sebelumnya, yaitu sebesar 18,3%. Output dc ini masih memiliki komponen ac 180 Hz beserta harmoniknya.

 

3 Phase Full-Wave Rectifier

 

Secara prinsip kerja, 3 phase full-wave rectifier sama persis dengan rangkaian half-wafe rectifier 1 phase (full-bridge circuit) seperti yang sudah kami jelaskan. Namun, karena tegangan sumbernya adalah 3 phase (U, V, W), maka digunakan juga 6 buah diode untuk masing masing phase (D₁, D₂, D₃, D₄, D₅, dan D₆). Berikut adalah skema rangkaian dan tegangan dc output yang dihasilkan. Gelombang berwarna biru adalah gelombang tegangan input (U, V, W), dan gelombang berwarna merah adalah bentuk tegangan dc output.

 

Rangkaian 3 phase full-wave rectifier

Output dc 3 phase full-wave rectifier

Kualiatas tegangan dc yang dihasilkan dari rangkaian 3 phase full-wave rectifier adalah yang terbaik jika dibandingkan dengan semua jenis rectifier sebelumnya, yaitu hanya sebesar 4,2%. Output dc ini masih memiliki komponen ac 360 Hz beserta harmoniknya.

 

Filter Pada Rangkaian Rectifier

 

Dikarenakan output tegangan dc dari semua rangkaian rectifier yang telah kita bahas masih memiliki komponen ac (ripple), maka kita dapat mengatasi masalah tersebut dengan penggunaan low-pass filters. Ada 2 jenis filter yang sering digunakan, yang pertama adalah menggunakan kapasitor yang terpasang parallel dengan terminal output (beban), dan yang kedua adalah menggunakan inductor yang dipasang seri dengan terminal output (beban). Penggunaan kapasitor parallel (shunt capasitor) berfungsi untuk meratakan perubahan nilai tegangan dc output. Sedangkan penggunaan inductor seri berfungsi untuk meratakan perubahan nilai arus dc output.

 

Pada aplikasi suplai mesin listrik dc, lebih umum menggunakan filter berupa inductor yang terpasang seri, dan unit filter ini sering pula dikenal dengan nama choke. Hal ini dikarenakan mesin listrik lebih membutuhkan bentuk arus yang halus. Berikut adalah contoh rectifier dengan filter inductor seri (L) dan bentuk gelombang dc yang dihasilkannya (arus I_O rata).

 

Rangkaian rectifier dengan filter inductor seri

Output arus dc menggunakan filter inductor seri

Sedangkan pada aplikasi charging system, suplai lampu LED, dan sejenisnya, lebih umum digunakan filter shunt capasitor, karena pada kasus kondisi tersebut lebih dibutuhkan bentung tegangan yang halus. Berikut adalah contoh rectifier dengan filter shunt capasitor (C_d) dan bentuk gelombang dc yang dihasilkannya (tegangan V_O menjadi lebih rata).

 

Rangkaian rectifier dengan filter shunt capasitor

Output tegangan dc menggunakan filter shunt capasitor

Demikian pembahasan dari kami mengenai rangkaian penyearah (rectifier circuit). Semoga bermanfaat dan mencerahkan. Bila ingin diskusi lebih jauh, silahkan tinggalkan komentar kalian.

 

Penulis : ER

 

Share this post