Tugas Pengaturan Mesin Listrik

DIODA RECTIFIER

Oleh :

KARTIKA DEWI

2209202005

PASCASARJANA TEKNIK ELEKTRO

FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI

INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOVEMBER

SURABAYA

2010

1

DIODA RECTIFIER

Penggunaan Power Electronic Converters (PECs) sebagai Pengerak saat ini

merupakan teknologi yang paling banyak digunakan dengan pangsa pasar yang

dinamis. Salah satu jenis PECs adalah type power electronic switches (PESs),

dimana diode sebagai jenis dari PESs Uncontrolled.

Dioda adalah komponen elektronika semikonduktor yang memiliki 1 buah

junction, sering disebut sebagai komponen 2 lapis (lapis N dan P) dan secara fisik

digambarkan :

Secara umum semua diode memiliki konstruksi dan prinsip kerja yang sama.

Semua diode terbentuk oleh sambungan PN yang secara fisik diode dikenali melalui

nama elektrodenya yang khas yaitu : anode dan katode. Diode dibedakan menurut

fungsinya, disini dalam refresentasi simbolik dilukiskan secara berbeda :

Jenis Dioda Fungsi Simbol

Rectifier Penyearah

Zener Regulator

LED Display

Fotodiode Sensor Cahaya

Schothly Saklar Kecepatan Tinggi

Tunnel Osilator

Varaktor Variabel Kapasitor

2

Gambar 1. Simbol Dioda

Karakteristik Arus dan Tegangan Dioda Ideal

Gambar 2(a) adalah simbol dari diode. Gambar 2(b) adalah karakteristik arus –

tegangan. Terminal positif dari dioda disebut anoda dan terminal negatif disebut

katoda. Jika tegangan negatif dipasangkan pada dioda, tidak ada arus yang

mengalir; dioda seperti hubung terbuka (gambar 2(c)). Keadaan ini disebut ‘reverse

biased’. Jika tegangan positif dipasangkan pada dioda, tidak ada penurunan

tegangan pada dioda; dioda seperti hubung singkat (gambar 2(d)). Keadaan ini

disebut ‘forward biased’.

Dioda Rectifier (Penyearah)

Kerja diode ini berdasarkan efek penyearahan, yaitu akan

melewatkan arus pada bias forward dan menahan arus pada bias

reverse. Rangkaian terdiri dari sebuah dioda dan sebuah resistor

(gambar 3(a)). Tegangan masukan vi adalah tegangan sinusoida

(gambar 3(b)). Selama setengah gelombang positif dari sinyal

masukan, dioda dalam keadaan forward biased. Penurunan

tegangan pada dioda kecil sekali, idealnya nol. Rangkaian

penggantinya seperti terlihat pada gambar 3(c). Tegangan keluaran

3

Gambar 2. Dioda ideal: (a) simbol rangkaian dioda; (b) karakteristik i – v; (c) rangkaian ekivalen arah ‘reverse’; (d) rangkaian ekivalen arah ‘forward’

sama dengan tegangan masukan. Selama setengah gelombang

negatif dari sinyal masukan, dioda tidak terhubung (reverse biased).

Rangkaian penggantinya seperti terlihat pada gambar 3(d).

Tegangan keluaran sama dengan nol. Tegangan keluaran terlihat

pada gambar 3(e).

4

Gambar 3 (a) Rangkaian penyearah. (b) Bentuk gelombang masukan. (c) Rangkaian ekivalen ketika vI ³ 0. (d) Rangkaian ekivalen ketika vI ≤ 0. (e) Bentuk gelombang keluaran.

Gambar 4. Diagram blok sebuah catu daya dc

Gambar (4) di atas adalah diagram blok dari rangkaian

penyearah dari tegangan jala-jala 120-V (rms) dengan frekuensi 60

Hz menjadi tegangan dc (biasanya antara 5 – 20 V) yang digunakan

untuk mencatu beban. Tegangan keluaran VOut yang dihasilkan

harus tetap konstan walaupun ada variasi pada catu ac dan pada

arus yang diperlukan oleh beban. Diagram blok terdiri dari:

1. Trafo daya.

2. Rangkaian penyearah dioda

3. Filter

4. Pengatur tegangan

Ada 2 tipe penyearahan Pada Dioda, yaitu:

1. Penyearah ½ gelombang (half wave rectifier)

Pada rangkaian ekivalen digunakan model dioda garis lurus.

5

Gambar 5. (a) penyearah setengah gelombang, (b) rangkaian ekivalen penyearah setengah gelombang, (c) karakteristik transfer rangkaian penyearah, (d) bentuk gelombang masukan dan keluaran, asumsikan ro << R

Dalam memilih dioda untuk penyearah ada dua parameter penting yang

harus diperhatikan:

a. Kemampuan dioda membawa arus, ditentukan oleh arus maksimum yang

mungkin di saat dioda terhubung.

b. Peak inverse voltage (PIV), ditentukan oleh tegangan terbalik maksimum

yang mungkin ada di antara terminal dioda.

PIV = Vs

Biasanya dipilih dioda yang mempunyai tegangan breakdown 50% lebih

besar dari PIV.

2. Penyearah gelombang penuh (full wave rectifier), ada dua

jenis :

a. CT (center tap)

Cara kerja:

Jika tegangan jala-jala pada lilitan primer positif, kedua sinyal yang

berlabel vS akan positif. D1 akan terhubung dan D2 akan reverse biased. Arus

6

Gambar 6. Penyearah gelombang penuh menggunakan trafo yang di-tap di tengah

mengalir pada D1 akan mengalir melalui R dan kembali ke tengah-tengah

lilitan sekunder. Rangkaian merupakan penyearah setengah gelombang.

Ketika tegangan jala-jala negatif, kedua sinyal yang berlabel vS akan

negatif. D1 akan ‘cut off’ dan D2 akan terhubung. Arus mengalir pada D2 akan

mengalir melalui R dan kembali ke tengah-tengah lilitan sekunder. Rangkaian

merupakan penyearah setengah gelombang. Catatan: arus yang mengalir

melalui R selalu mempunyai arah yang sama, jadi vO akan unipolar.

Untuk menghitung PIV:

Pada saat setengah siklus positif, D1 terhubung dan D2 ‘cut off’. Tegangan

pada katoda D2 adalah vO dan pada anoda –vS. Jadi tegangan balik pada

dioda D2 akan menjadi (vO + vS), yang akan mencapai nilai maksimum pada

harga (Vs – VD) dan vS akan mencapai puncak pada Vs, jadi:

PIV = 2 Vs – VD

b. Bridge (jembatan)

Cara kerja:

Pada setengah siklus positif sinyal masukan, vS positif, dan arus

mengalir melalui D1, resistor R, dan dioda D2, sedangkan D3 dan D4 dalam 7

Gambar 7. Penyearah jembatan (a) rangkaian (b) bentuk gelombang masukan dan keluaran

keadaan reverse biased. Dalam jalur ini ada dua dioda yang terhubung seri

sehingga vO akan lebih rendah dari vS sebanyak dua penurunan tegangan

dioda.

Pada setengah siklus negatif sinyal masukan, vS akan negatif,

sehingga –vS akan positif, dan arus mengalir melalui D3, R, dan D4,

sedangkan D1 dan D2 dalam keadaan reverse biased. Dengan catatan: pada

kedua kondisi, arus mengalir dengan arah yang sama, sehingga vO selalu

positif.

Untuk menghitung PIV, perhatikan rangkaian pada setengah siklus

positif. Tegangan balik pada dioda D3 dapat ditentukan pada loop yang

dibentuk oleh D3, R, dan D2:

vD3 (reverse) = vO + vD2 (forward)

Harga maksimum dari vD3 terjadi pada puncak vO, jadi:

PIV = Vs – 2 VD + VD = Vs – VD

I. Line Frequency Diode Rectifier

Block Diagram Dioda Rectifier dengan sebuah kapasitor pada

outputnya pada gambar berikut :

Dioda Rectifier dengan sebuah kapasitor pada outputnya disebut

juga sebagai penyearah puncak. Cara kerjanya adalah Sinyal

masukan vi adalah sinyal sinusoida dengan amplitudo Vp dan

asumsikan dioda adalah dioda ideal. vi positif → dioda terhubung

dan kapasitor terisi dan vO = vI. Keadaan ini berlangsung terus

sampai vI mencapai Vp. Setelah sinyal masukan mencapai puncak, vI

menurun, dioda dalam keadaan reverse biased, dan tegangan

keluaran tetap pada Vp. Harga ini akan tetap konstan, karena tidak

8

Gambar 8. Diode Rectifier Block Diagram

ada jalur untuk pengosongan kapasitor. Jadi rangkaian menghasilkan

tegangan keluaran sama dengan amplitudo sinyal masukan sinusoida. Hal

ini bisa kita dilahat pada gambar berikut :

a. Rectifier dengan Beban Resistor (R)

9

Gambar 9. (a) rangkaian sederhana yang menunjukkan efek dari kapasitor filter (b) bentuk gelombang masukan dan keluaran

Gambar 9. Basic rectifier with a load recintance

b. Rectifier dengan Beban R-L

Current continues to flows for a while even after the input

voltage has gone negative.

c. Rectifier dengan Load has a dc back-emf

10

Gambar 10 Basic rectifier with an inductive load

Arus akan mengalir (dioda conducting) jika Vs ≥ Vd untuk t1.

Sedangkan untuk t2 Vs = Vd arus tetap mengalir sampai kondisi t3

(adanya Induktansi Ls) dengan demikian Aon=Aoff.

Oleh karena itu jumlah rata-rata fluks yang dihasilkan oleh kumparan

kawat dalam satu waktu adalah :

Dimana Vd maksimum bernilai Vs dan arus (i) menjadi nol saat berada

pada kondisi cycle negatif dari Vs

d. Diode-Rectifier Bridge Analysis

• Gambar (11)c Merupakan ilustrasi tegangan positif saja saat Vs is positive,

D1 and D2 conduct.

vd=vs and id=is

When vs is negative, D3 and D4 conduct

11

Gambar 11 Basic rectifier with an internal dc Voltage

Gambar 12 Idealized diode bridge rectifiers with Ls = 0

vd= -vs and id= -is

• In both cases, the dc-side voltage and current waveforms are the same

• The average value of the dc output voltage

II. Harmonisa Arus

Idealnya bentuk gelombang tegangan dan arus yang tidak

mengandung harmonisa adalah gelombang yang hanya mempunyai

satu frekuensi dasar saja. (frekuensi 0 Hz untuk tegangan dan arus

DC, dan frekuensi 50/60 Hz untuk tegangan dan arus AC). Akan

12

Gambar 13 waveforms in the rectifiers of (a) fig. 12a and (b) fig 12b

tetapi, karena penggunaan beban non-linier, bentuk gelombang

tegangan dan arus listrik menjadi tidak sama. Parameter besarnya

harmonisa sering dinyatakan dengan THD (Total Harmonic

Distortion).

Dalam beberapa literatur menyebutkan dengan adanya

harmonisa pada jaringan, akan timbul arus netral yang besar. Hal ini

berakibat buruk dan membahayakan. Efek harmonisa pada sisi

beban (bagi pengguna listrik) adalah peralatan listrik menjadi rusak

dan cepat panas walaupun belum digunakan pada performa

maksimumnya.

Mengatasi Harmonisa Arus

Salah satu cara untuk mengurangi atau menghilangkan

harmonisa adalah dengan menggunakan filter pasif (filter L, C

maupun L dan C). Arus harmonisa akan mengalir pada reaktansi

yang lebih rendah. Dengan pemasangan C, arus dengan frekuensi

tinggi akan mengalir melalui  kapasitor  karena kapasitor memiliki

impedansi yang rendah pada frekuensi tinggi. Agar tegangan beban

bebas harmonisa, dipasang filter C yang paralel dengan beban.

Dengan menggunakan filter C ini semua riak arus dengan frekuensi

tinggi akan mengalir melewati kapasitor bukan ke beban. Filter L

biasanya dipasang secara seri terhadap beban. Dengan

menggunakan filter L, arus yang mengalir melalui L akan sulit

berubah berbanding lurus dengan besarnya L.

Untuk bisa merancang filter dengan baik, terlebih dahulu kita

harus bisa  menganalisis bentuk gelombangnya, besarnya riak

(gelombang selain fundamentalnya = jumlah komponen

harmonisanya) secara akurat.

13