Dioda Penyearah Gelombang Penuh

Dioda Daya dapat dihubungkan bersama untuk membentuk penyearah gelombang penuh yang mengubah tegangan AC menjadi tegangan DC berdenyut untuk digunakan dalam catu daya.

Dalam tutorial sebelumnya tentang Dioda daya sebagai penyearah setengah gelombang kita membahas cara mengurangi variasi riak atau tegangan pada tegangan DC langsung dengan menghubungkan kapasitor smoothing melintasi resistor beban.

Walaupun metode ini mungkin cocok untuk aplikasi berdaya rendah, metode ini tidak cocok untuk aplikasi yang membutuhkan tegangan supply DC yang “stabil dan mulus”.

Salah satu metode untuk memperbaiki ini adalah dengan menggunakan setiap setengah siklus dari tegangan input daripada setiap setengah siklus lainnya. rangkaian yang memungkinkan kita melakukan ini disebut Penyearah Gelombang Penuh.

Seperti rangkaian setengah gelombang, rangkaian penyearah gelombang penuh menghasilkan tegangan atau arus keluaran yang murni DC atau memiliki beberapa komponen DC tertentu.

Penyearah gelombang penuh memiliki beberapa kelebihan mendasar dibandingkan Penyearah Setengah Gelombang yang akan dibahas selanjutnya.

Tegangan output rata-rata (DC) lebih tinggi daripada setengah gelombang, output penyearah gelombang penuh memiliki riak yang jauh lebih sedikit dibandingkan dengan penyearah setengah gelombang yang menghasilkan bentuk gelombang output yang lebih halus.

Dalam rangkaian Penyearah Gelombang Penuh dua dioda sekarang digunakan, satu untuk setiap setengah dari siklus. Trafo belitan ganda dipakai, pada belitan sekundernya akan dibagi secara merata menjadi dua bagian dengan koneksi tengah yang disadap, (C).

Konfigurasi ini akan menghasilkan setiap dioda yang bekerja pada gilirannya pada saat terminal anodanya positif berkenaan dengan titik pusat trafo C menghasilkan output selama kedua setengah siklus, dua kali lipat untuk penyearah setengah gelombang sehingga 100% efisien seperti yang ditunjukkan di bawah ini.

Rangkaian Penyearah Gelombang Penuh

Rangkaian penyearah gelombang penuh terdiri dari dua dioda daya terhubung ke resistansi beban tunggal ( R_L ) dengan masing-masing dioda mengambil pada gilirannya untuk memasok arus ke beban.

Ketika titik A dari transformator adalah positif sehubungan dengan titik C, dioda D₁ berjalan dalam arah maju seperti yang ditunjukkan oleh anak panah.

Ketika titik B adalah positif (pada semester negatif dari siklus) sehubungan dengan titik C, dioda D₂ berjalan dalam arah maju dan arus yang mengalir melalui resistor R adalah dalam arah yang sama untuk kedua setengah siklus.

Karena tegangan output pada resistor R adalah jumlah fasor dari dua bentuk gelombang yang digabungkan, jenis rangkaian penyearah gelombang penuh ini juga dikenal sebagai rangkaian “dua fasa”.

Kita bisa melihat pengaruhnya cukup jelas jika kita menjalankan rangkaian di Simulator Rangkaian Partsim dengan kapasitor smoothing dilepas.

Simulasi Gelombang

Karena ruang antara masing-masing setengah gelombang yang dikembangkan oleh masing-masing dioda sekarang sedang diisi oleh dioda lainnya, tegangan output DC rata-rata melintasi resistor beban sekarang menjadi dua kali lipat dari rangkaian penyearah setengah gelombang tunggal dan sekitar 0.637V maks dari tegangan puncak, dengan asumsi tidak ada kerugian.

Di mana: V_MAX adalah nilai puncak maksimum dalam satu setengah dari belitan sekunder dan V_RMS adalah nilai rms.

Tegangan puncak dari bentuk gelombang output adalah sama seperti sebelumnya untuk penyearah setengah-gelombang asalkan masing-masing setengah dari belitan transformator memiliki nilai tegangan rms yang sama. Untuk mendapatkan output tegangan DC yang berbeda, rasio transformator yang berbeda dapat digunakan.

Baca Juga

Kelemahan utama dari jenis rangkaian penyearah gelombang penuh ini adalah bahwa transformator yang lebih besar untuk output daya yang diberikan diperlukan dengan dua belitan sekunder yang terpisah namun identik membuat jenis rangkaian penyearah gelombang penuh ini mahal dibandingkan dengan rangkaian setara “Penyearah Gelombang Penuh sistem Jembatan”.

Penyearah Gelombang Penuh sistem Jembatan

Jenis rangkaian lain yang menghasilkan bentuk gelombang keluaran yang sama dengan rangkaian penyearah gelombang penuh di atas, adalah Penyearah Gelombang Penuh sistem Jembatan. Jenis penyearah fase tunggal menggunakan empat dioda penyearah individu yang terhubung dalam konfigurasi “jembatan” loop tertutup untuk menghasilkan output yang diinginkan.

Kelebihan utama dari rangkaian sistem jembatan ini adalah tidak memerlukan transformator CT khusus, sehingga mengurangi ukuran dan biaya. Belitan sekunder tunggal terhubung ke satu sisi jaringan dioda bridge/jembatan dan beban ke sisi lainnya seperti yang ditunjukkan di bawah ini.

Rangkaian Penyearah Dioda Bridge/Jembatan

Keempat dioda berlabel D₁ ke D₄ tersebut diatur dalam “pasang seri” dengan hanya dua arus dioda berjalan selama setiap setengah siklus. Selama setengah siklus positif dari supply, dioda D1 dan D2 berjalan secara seri sedangkan dioda D3 dan D4 dibiaskan secara terbalik dan arus mengalir melalui beban seperti yang ditunjukkan di bawah ini.

Penyearah Gelombang Penuh Siklus Positif

Selama setengah siklus negatif dari supply, dioda D3 dan D4 berjalan secara seri, tetapi dioda D1 dan D2 beralih “OFF” karena mereka sekarang bias terbalik. Arus yang mengalir melalui beban adalah arah yang sama seperti sebelumnya.

Penyearah Gelombang Penuh Siklus Negatif

Karena arus yang mengalir melalui beban adalah searah, maka tegangan yang dikembangkan melintasi beban juga searah sama dengan untuk dua dioda penyearah gelombang penuh dioda sebelumnya, oleh karena itu tegangan DC rata-rata melintasi beban adalah 0.637V_max.

Namun pada kenyataannya, selama setiap setengah siklus arus mengalir melalui dua dioda, bukan hanya satu sehingga amplitudo tegangan output adalah dua penurunan tegangan (2*0.7 = 1.4V) kurang dari input V_MAX amplitudo. Frekuensi riak sekarang dua kali frekuensi supply (misalnya 100Hz untuk supply 50Hz atau 120Hz untuk supply 60Hz.)

Meskipun kita dapat menggunakan empat dioda daya individu untuk membuat penyearah jembatan gelombang penuh, komponen penyearah jembatan pra-dibuat tersedia “siap” dalam berbagai tegangan dan ukuran arus yang dapat disolder langsung ke papan rangkaian PCB atau dihubungkan dengan konektor sekop.

Gambar di sebelah kanan menunjukkan penyearah jembatan 1 fasa khas dengan satu sudut terputus. Sudut cut-off ini menunjukkan bahwa terminal terdekat dengan sudut adalah terminal positif atau +ve output atau timah dengan lead (diagonal) yang berlawanan menjadi lead output negatif atau -ve. Dua sadapan penghubung lainnya adalah untuk tegangan bolak-balik input dari belitan sekunder transformator.

Capacitor Smoothing (kapasitor penghalus)

Kita telah melihat pada bagian sebelumnya bahwa penyearah setengah-gelombang fasa tunggal menghasilkan gelombang output setiap setengah siklus dan bahwa tidak praktis untuk menggunakan tipe rangkaian ini untuk menghasilkan supply DC yang stabil.

Namun penyearah gelombang penuh jembatan, memberi kita nilai rata-rata DC yang lebih besar (0.637 Vmax) dengan riak yang kurang bertumpukan sementara bentuk gelombang keluaran dua kali dari frekuensi frekuensi supply input.

Kita dapat meningkatkan output DC rata-rata dari penyearah sementara pada saat yang sama mengurangi variasi AC dari output yang diperbaiki dengan menggunakan kapasitor smoothing untuk menyaring bentuk gelombang keluaran.

Kapasitor smoothing atau reservoir yang dihubungkan secara paralel dengan beban melintasi output dari rangkaian penyearah jembatan gelombang penuh meningkatkan tingkat output DC rata-rata lebih tinggi karena kapasitor bertindak seperti perangkat penyimpanan seperti ditunjukkan di bawah ini.

Rangkaian Penyearah Gelombang Penuh dengan Kapasitor Penghalus

Kapasitor smoothing mengubah output gelombang penuh penyearah menjadi tegangan output DC yang lebih halus. Jika sekarang kita menjalankan Simulasi Rangkaian Partsim dengan nilai yang berbeda dari kapasitor smoothing terpasang, kita dapat melihat efeknya pada bentuk gelombang keluaran yang diperbaiki seperti yang ditunjukkan.

Capacitor Smoothing (kapasitor penghalus) 5uF

Plot biru pada gelombang menunjukkan hasil menggunakan kapasitor smoothing 5.0uF di penyearah output. Sebelumnya tegangan beban mengikuti bentuk gelombang keluaran terkoreksi ke nol volt.

Di sini kapasitor 5uF dibebankan ke tegangan puncak dari pulsa DC output, tetapi ketika turun dari tegangan puncaknya kembali ke nol volt, kapasitor tidak dapat dilepaskan dengan cepat karena konstanta waktu RC dari rangkaian.

Ini menghasilkan kapasitor yang turun ke sekitar 3.6 volt, dalam contoh ini, menjaga tegangan melintasi resistor beban sampai kapasitor mengisi ulang sekali lagi pada kemiringan positif berikutnya dari pulsa DC.

Dengan kata lain, Kapasitor hanya memiliki waktu untuk melepaskan sebentar sebelum pulsa DC berikutnya mengisi ulang kembali ke nilai puncak. Dengan demikian, tegangan DC yang diterapkan pada resistor beban turun hanya sedikit. Tapi kita masih bisa meningkatkan ini dengan meningkatkan nilai kapasitor smoothing seperti yang ditunjukkan.

Capacitor Smoothing (kapasitor penghalus) 50uF

Di sini kita telah meningkatkan nilai kapasitor smoothing sepuluh kali lipat dari 5uF menjadi 50uF yang telah mengurangi riak meningkatkan tegangan discharge minimum dari sebelumnya 3.6 volt menjadi 7.9 volt.

Namun, dengan menggunakan Simulator Rangkaian Partsim kami telah memilih beban 1 kΩ untuk mendapatkan nilai-nilai ini, tetapi karena impedansi beban menurun, arus beban meningkat sehingga kapasitor melepaskan lebih cepat antara pengisian pulsa.

Efek dari memasok beban berat dengan kapasitor smoothing atau reservoir tunggal dapat dikurangi dengan menggunakan kapasitor yang lebih besar yang menyimpan lebih banyak energi dan melepaskan lebih sedikit antara pengisian pulsa.

Umumnya untuk rangkaian catu daya DC, kapasitor smoothing adalah jenis Aluminium Electrolytic yang memiliki nilai kapasitansi 100uF atau lebih dengan pulsa tegangan DC berulang dari penyearah yang mengisi kapasitor ke tegangan puncak.

Namun, ada dua parameter penting yang perlu dipertimbangkan ketika memilih kapasitor smoothing yang sesuai dan ini adalah Tegangan Kerja, yang harus lebih tinggi dari nilai output tanpa beban penyearah dan Nilai Kapasitansinya, yang menentukan jumlah riak yang akan muncul ditumpangkan di atas tegangan DC.

Nilai kapasitansi yang terlalu rendah dan kapasitor tidak banyak berpengaruh pada bentuk gelombang keluaran. Tetapi jika kapasitor smoothing cukup besar (kapasitor paralel dapat digunakan) dan arus beban tidak terlalu besar, tegangan output akan hampir sehalus DC murni. Sebagai pedoman umum, kami mencari untuk memiliki tegangan riak kurang dari 100mV dari puncak ke puncak.

Tegangan riak maksimum yang ada untuk rangkaian Penyearah Gelombang Penuh tidak hanya ditentukan oleh nilai kapasitor smoothing tetapi oleh frekuensi dan arus beban, dan dihitung sebagai:

Tegangan Riak Penyearah Jembatan

Dimana: I adalah arus beban DC dalam amp, ƒ adalah frekuensi riak atau dua kali frekuensi input dalam Hertz, dan C adalah kapasitansi dalam Farad.

Kelebihan utama dari penyearah gelombang penuh sistem jembatan adalah ia memiliki nilai riak AC yang lebih kecil untuk beban tertentu dan reservoir yang lebih kecil atau kapasitor smoothing dibandingkan penyearah setengah-gelombang yang setara.

Oleh karena itu, frekuensi dasar dari tegangan riak adalah dua kali lipat dari frekuensi supply AC (100Hz) di mana untuk penyearah setengah-gelombang itu persis sama dengan frekuensi supply (50Hz).

Jumlah tegangan riak yang ditumpangkan di atas tegangan supply DC oleh dioda dapat dihilangkan dengan menambahkan improved -filter (pi-filter) yang jauh lebih baik ke terminal output penyearah jembatan.

Jenis low pass filter terdiri dari dua kapasitor smoothing, biasanya dengan nilai yang sama dan sebuah choke atau induktansi di dalamnya untuk memperkenalkan jalur impedansi tinggi ke komponen riak bolak-balik

Alternatif lain yang lebih praktis dan lebih murah adalah dengan menggunakan IC regulator tegangan 3 terminal, seperti LM78xx (di mana “xx” berarti tingkat tegangan output) untuk tegangan output positif atau kebalikannya yang setara dengan LM79xx untuk negatif tegangan output yang dapat mengurangi riak lebih dari 70dB (Lembar Data) sambil memberikan arus output konstan lebih dari 1 amp.

Dalam tutorial berikutnya tentang Dioda, kita akan melihat Dioda Zener yang memanfaatkan karakteristik tegangan berakdown terbalik untuk menghasilkan tegangan output yang konstan dan tetap pada dirinya sendiri.