8 RANGKAIAN PENYEARAH

8.1 Pendahuluan
Peralatan kecil portabel kebanyakan menggunakan baterai sebagai sumber dayanya,
namun sebagian besar peralatan menggunakan sember daya AC 220 volt – 50Hz. Di
dalam peralatan tersebut terdapat rangkaian yang sering disebut sebagai adaptor atau
penyearah yang mengubah sumber AC menjadi DC. Bagian terpenting dari adaptor
adalah berfungsinya diode sebagai penyearah (rectifier). Pada bagian ini dipelajari
bagaimana rangkaian dasar adaptor tersebut bekerja.
8.2 Penyearah Diode Setengah Gelombang
Perhatikan rangkaian pada gambar 8.1-a, dimana sumber masukan sinusoida
dihubungkan dengan beban resistor melalui sebuah diode. Untuk sementara kita
menganggap keadaan ideal, dimana hambatan masukan sinusoida sama dengan nol dan
diode dalam keadaan hubung singkat saat berpanjar maju dan keadaan hubung terbuka
saat berpanjar mundur.
Besarnya keluaran akan mengikuti masukan saat masukan berada di atas “tanah”
dan berharga nol saat masukan di bawah “tanah” seperti diperlihatkan pada gambar 8.1-
b. Jika kita ambil harga rata-rata bentuk gelombang keluaran ini untuk beberapa
periode, tentu saja hasilnya akan positif atau dengan kata lain keluaran mempunyai
komponen DC.
Kita juga melihat komponen AC pada keluaran. Kita akan dapat mengurangai
komponen AC pada keluaran jika kita dapat mengusahakan keluaran positif yang lebih
besar, tidak hanya 50% seperti terlihat pada gambar 8.1-b..

Gambar 8.1 Penyearah setengah gelombang

Gambar 8.2 Rangkaian penyearah gelombang penuh
8.3 Penyearah Diode Gelombang Penuh
Terdapat cara yang sangat sederhana untuk meningkatkan kuantitas keluaran positip
menjadi sama dengan masukan (100%). Ini dapat dilakukan dengan menambah satu
diode pada rangkaian seperti terlihat pada gambar 8.2. Pada saat masukan berharga
negatif maka salah satu dari diode akan dalam keadaan panjar maju sehingga
memberikan keluaran positif. Karena keluaran berharga positif pada satu periode
penuh, maka rangkaian ini disebut penyearah gelombang penuh.
Pada gambar 8.2 terlihatbahwa anode pada masing-masing diode dihubungkan
dengan ujung-ujung rangkaian sekunder dari transformer. Sedangkan katode masingmasing
diode dihubungkan pada titik positif keluaran. Beban dari penyearah
dihubungkan antara titik katode dan titik center-tap (CT) yang dalam hal ini digunakan
sebaga referensi atau “tanah”.

Gambar 8.3 Keluaran dari penyearah gelombang penuh
Mekanisme terjadinya konduksi pada masing-masing diode tergantung pada
polaritas tegangan yang terjadi pada masukan. Keadaan positif atau negatif dari
masukan didasarkan pada referensi CT. Pada gambar 8.3 nampak bahwa pada setengah
periode pertama misalnya, v1 berharga positif dan v2 berharga negatif, ini
menyebabkan D1 berkonduksi (berpanjar maju) dan D2 tidak berkonduksi (berpanjar
mundur). Pada setengah periode ini arus D1 i mengalir dan menghasilkan keluaran yang
akan nampak pada hambatan beban.
Pada setengah periode berikutnya, v2 berharga positif dan v1 berharga negatif,
menyebabkan D2 berkonduksi dan D1 tidak berkonduksi. Pada setengah periode ini
mengalir arus D2 i dan menghasilkan keluaran yang akan nampak pada hambatan beban.
Dengan demikian selama satu periode penuh hambatan beban akan dilewati aris D1 i dan
D2 i secara bergantian dan menghasilkan tegangan keluaran DC.
8.4 Penyearah Gelombang Penuh Model Jembatan
Penyearah gelombang penuh model jembatan memerlukan empat buah diode. Dua
diode akan berkondusi saat isyarat positif dan dua diode akan berkonduksi saat isyara negatif. Untuk model penyearah jembatan ini kita tidak memerlukan transformator
yang memiliki center-tap.
Seperti ditunjukkan pada gambar 8.4, bagian masukan AC dihubungkan pada
sambungan D1-D2 dan yang lainnya pada D3-D4. Katode D1 dan D3 dihubungkan
degan keluaran positif dan anode D2 dan D4 dihubungkan dengan keluaran negatif
(tanah).
Misalkan masukan AC pada titik A berharga positif dan B berharga negatif,
maka diode D1 akan berpanjar maju dan D2 akan berpanjar mundur. Pada sambungan
bawah D4 berpanjar maju dan D3 berpanjar mundur. Pada keadaan ini elektron akan
mengalir dari titik B melalui D4 ke beban , melalaui D1 dan kembali ke titik A.
Pada setengah periode berikutnya titik A menjadi negatif dan titik B menjadi
positif. Pada kondisi ini D2 dan D3 akan berpanjar maju sedangkan D1 dan D4 akan
berpanjar mundur. Aliran arus dimulai dari titik A melalui D2, ke beban, melalui D3
dan kembali ke titik B. Perlu dicatat di sini bahwa apapun polaritas titik A atau B, arus
yang mengalir ke beban tetap pada arah yang sama.

Gambar 8.4 Penyearah gelombang penuh model jembatan
Rangkaian jembatan empat diode dapat ditemukan di pasaran dalam bentuk
paket dengan berbagai bentuk. Secara prinsip masing-masing bentuk mempunyai dua
terminal masukan AC dan dua terminal masukan DC.
8.5 Penyearah Keluaran Ganda
Pada berbagai sistem elektronik diperlukan sumber daya dengan keluaran ganda
sekaligus, positif dan negatif terhadap referensi (tanah). Salah satu bentuk rangkaian
penyearah gelombang penuh keluaran ganda diperlihatkan pada gambar 8.5. Perhatikan
bahwa keluaran berharga sama tetapi mempunyai polaritas yang berkebalikan.
Diode D1 dan D2 adalah penyearah untuk bagian keluaran positif. Keduanya
dihubungkan dengan ujung transformer. Diode D3 dan D4 merupakan penyearah untuk
keluaran negatif. Titik keluaran positif dan negatif diambil terhadap CT sebagai
referensi atau tanah.

Gambar 8.5 Penyearah keluaran ganda
Misalkan pada setengah periode titik atas transformer berharga positif dan
bagian bawah berharga negatif. Arus mengalir lewat titik B melalui D4, L2 R , L1 R , D1
dan kembali ke terminal A transformator. Bagian atas dari L1 R menjadi positif
sedangkan bagian bawah L2 R menjadi negatif.
Pada setengah periode berikutnya titik atas transformer berharga negatif dan
bagian bawah berharga positif. Arus mengalir lewat titik A melalui D3, L2 R , L1 R , D2
dan kembali ke terminal B transformator. Bagian atas dari L1 R tetap akan positif
sedangkan bagian bawah L2 R berpolaritas negatif. Arus yang lewat L1 R dan L2 R
mempunyai arah yang sama menghasilkan tegangan keluaran bagian atas dan bagian
bawah pada L1 R dan L2 R .
8.6 Tapis (Filter)
Pada prinsipnya yang diinginkan pada keluaran penyearah adalah hanya
komponen DC, maka perlu adanya penyaringan untuk membuang komponen AC.
Secara praktis kita dapat memasang sebuah kapasitor besar pada kaki-kaki beban,
karana kapasitor dapat bersifat hubung terbuka untuk komponen DC dan mempunyai
impedansi yang rendah untuk komponen AC.

Gambar 8.6 Arus beban sebagai fungsi dari tegangan keluaran untuk tapis-C dan tapis-L
Berdasarkan jenis komponen yang digunakan, tapis penyearah dapat
dikelompokkan menjadi dua. Kelompok pertama dilakukan dengan memasang
kapasitor atau disebut sebagai tapis kapasitor atau tapis masukan-C. Kelompok lain
dilakukan dengan memasang induktor atau kumparan disebut sebagai tapis induktif atau
tapis masukan-L. Keluaran tapis-C biasanya mengalami penurunan saat beban
meninggi. Sedangkan tapis-L cenderung mempertahankan keluaran pada harga yang
relatif konstan. Namun demikian tegangan keluaran tapis-L relatif lebih rendah
dibandingkan tapis-C. Gambar 8.6 memperlihatkan hubungan besarnya tegangan
keluaran sebagai fungsi dari arus beban untuk tapis-C dan tapis-L.
8.6.1 Tapis Kapasitor
Tapis kapasitor sangat efektif digunakan untuk mengurangi komponen AC pada
keluaran penyearah. Pertama akan kita lihat karakter kapasitor sebagai tapis dengan
memasang langsung pada keluaran penyearah tanpa memasang beban.
a. Penyearah Tanpa Beban
Rangkaian tanpa beban dengan pemasangan kapasitor beserta bentuk keluarannya
diperlihatkan pada gambar 8.7. Saat sumber tegangan (masukan) dihidupkan, satu
diode berkonduksi dan keluaran berusaha mengikuti tegangan transformator. Pada
kondisi ini tiba-tiba tegangan kapasitor menjadi besar dan arus yang mengalir menjadi
besar (dalam ini, i = C dv / dt; dv / dt = ¥ ). Saat masukan membesar keluaran juga
akan membesar, namun saat masukan menurun tegangan kapaasitor atau keluaran tidak
mengalami penurunan tegangan karena tidak ada proses penurunan tegangan. Dalam
keadaan ideal ini, tegangan keluaran DC akan sama dengan tegangan puncak masukan dan akan ditahan untuk seterusnya.

Gambar 8.7 Penyearah tanpa beban : a) Rangkaian dengan tapis kapasitor dan
b) bentuk keluaran
Beberapa implikasi dari anggapan ideal tersebut adalah:
i) Arus dari transformr tergantung pada hambatan kumparan dan mungkin
tergantung pada kemampuan magnet dari intinya, sehingga kemungkinan
tegangan keluarannya berubah-ubah.
ii) Diode bukan konduktor yang sempurna saat berpanjar maju, untuk silikon
biasnya akan mengalami penurunan tegangan sekitar 0,6 sampai dengan 1,0
volt dan juga bukan merupakan isolator yang sempurna saat berpanjar
mundur.
iii) Tegangan kapasitor biasanya meluruh, baik karena adanya penurunan arus
yang terambil melalui beban atau karena terjadi kebocoran pada kapasitor
sendiri atau pada diode.
b. Penyearah Setengah Gelombang Dengan Beban Dan Tapis Kapasitor
Pada gambar 8.8-a kita menambahkan sebuah kapasitor sebagai tapis pada penyearah
setengah gelombang. Pada setengah periode positif (1), diode berpanjar maju dan arus
mengalir dari B menuju A melewati C, beban dan diode. Kapasitor C akan dengan
cepat terisi seharga tegangan puncak masukan, pada saat yang sama arus juga mengalir
lewat beban. Arus awal yang mengalir pada diode biasanya berharga sangat besar
kemudian berikutnya akan mengalami penurunan (lihat gambar 8.8-b).

Gambar 8.8 Penyearah setengah gelombang dengan tapis kapasitor: a) Rangkaian
dasar dan b) bentuk isyarat masukan, tegangan diode, tegangan keluaran,
arus beban dan arus diode.
Pada saat masukan negatif (2) diode berpanjar mundur. Pada kondisi ini diode
tidak berkonduksi dan tegangan pada C akan dilucuti melalui hambatan L R . Hasilnya
berupa arus pelucutan yang mengalir lewat C dan L R . Dengan demikian walaupun
diode dalam kondisi tidak berkonduksi, resistor L R tetap mendapatkan aliran arus
pengosongan kapasitor tersebut. Akibatnya, tegangan pada L R akan tetap terjaga pada
harga yang relatif tinggi.
Proses pengosongan C terus berlanjut sepanjang periode negatif. Menjelang
akhir setengah periode negatif terjadi penurunan keluaran dengan harga RL V terendah
sebelum akhirnya periode positif berikutnya datang. Kemudian diode akan berpanjar
maju lagi dan C mengalami proses pengisian lagi. Dalam proses pengisian ini
diperlukan arus diode (Id ) yang lebih rendah. proses di atas akan terus berulang pada
periode positif dan negatif berikutnya.
Efektivitas kapasitor sebagai tapis tergantung pada beberapa faktor, diantaranya
adalah :
1. Kapasitas/ukuran kapasitor
2. Nilai beban RL yang dipasang
3. Waktu
Ketiga faktor tersebut mempunyai hubungan
T = R x C…………………………………………………(8.1)
dimana T adalah waktu dalam detik, R adalah hambatan dalam ohm dan C adalah
kapasitansi dalam farad. Perkalian RC disebut sebagai “konstanta waktu” merupakan
ukuran seberapa cepat tegangan dan arus tapis (kapasitor) merespon perubahan pada
masukan. Kapasitor akan terisi sampai sekitar 62,2% dari tegangan yang dekenakan
selama satu konstanta waktu. Demikian saat dikosongkan selama satu konstanta waktu,
maka tegangan kapasitor akan turun sebanyak 62,2%. Untuk mengisi kapasitor sampai
penuh diperlukan waktu sekitar 5 kali konstanta waktu.
Tapis kapasitor seperti pada gambar 8.8 akan terisi dengan cepat selama periode
positif pertama. Namun kecepatan pengosongan C akan sangat tergantung pada harga
L R . Jika L R berharga rendah proses pengosongan akan berlangsung dengan cepat,
sebaliknya jika L R berharga besar proses pengosongan akan berlangsung lebih lambat.
Tapis yang baik adalah jika proses pengosongan berlangsung lambat sehingga V RL mengalami sedikit perubahan. Tapis-C akan bekerja dengan baik jika L R berharga relatif tinggi. Jika L R berharga rendah, yaitu jika penyearah mengalami pembebanan yang terlalu berat, maka tegangan “riak” (ripple) akan lebih nampak pada keluarannya