Jelaskan cara kerja rangkaian penyearah setengah gelombang

Penyearah Setengah Gelombang (half wave rectifier) adalah sistem penyearah yang menggunakan satu blok dioda tunggal (bisa satu dioda atau banyak dioda yang diparalel) untuk mengubah tegangan dengan arus bolak-balik (AC) menjadi tegangan dengan arus searah (DC). Keluaran dari penyearah ini memiliki riak lebih besar dari penyearah gelombang penuh.

Prinsip kerja dari rangkaian ini adalah  memanfaatkan karakteristik dioda yang hanya bisa dilalui arus satu arah saja. Disebut penyearah setengah gelombang karena penyearah ini hanya melewatkan siklus positif dari sinyal AC. Rangkaian penyearah setengah gelombang banyak dipakai pada power supply dengan frekuensi tinggi seperti pada power supply SMPS dan keluaran transformator Flyback Televisi.

Penyearah sistem setengah gelombang kurang baik diaplikasikan pada frekuensi rendah seperti jala-jala listrik rumah tangga dengan frekuensi 50Hz. Hal ini disebabkan rangkaian akan membuang satu siklus sinyal AC dan mempunyai riak (ripple) yang besar pada keluaran tegangan DC-nya sehingga membutuhkan kapasitor yang besar.

Prinsip kerja Penyearah Setengah Gelombang

Contoh rangkaian penyearah setengah gelombang digambarkan pada ilustrasi gambar dibawah ini. Tegangan input dengan arus bolak-balik melewati satu dioda penyearah kemudian pada outputnya tampak melewatkan “gunung” dari sinyal sinus dan menghambat fase “lembah”-nya. Hal ini mengakibatkan keluaran dari penyearah jenis ini memiliki banyak riak (riple) dan membutuhkan kapasitor yang besar untuk meng-“halus”-kannya.

Perhitungan tegangan DC keluaran dari penyearah setengah gelombang mengacu pada kondisi saat fasa on dan off pada gelombang output. Pada saat fase positif, dioda menghantar sehingga tegangan keluaran saat itu sama dengan Vmax dari sinyal input. Kemudian saat fase negatif, dioda tidak menghantar sehingga tegangan keluaran pada fase ini sama dengan nol.

Baca Juga:  Jenis jenis Dioda: Pengertian Dan Cara Kerjanya

Berdasarkan kondisi diatas maka dapat dirumuskan bahwa besarnya tegangan output dari rangkaian penyearah adalah Vmax dibagi dengan π (pi). Dimana besarnya Vmax adalah tegangan puncak (V-peak) dari salah satu siklus sinyal AC. Atau sebesar 0.318Vmax. Dan jika dihitung dengan nilai RMS menjadi 0.318 kali √2 sama dengan 0.45Vrms.

Kelebihan dan Kekurangan Penyearah Setengah Gelombang

Penyearah setengah gelombang memiliki kelebihan dari segi rangkaian yang sangat simpel dan sederhana. Karena menggunakan satu dioda maka biaya yang dibutuhkan untuk rangkain lebih murah.

Kelemahan dari penyearah setengah gelombang adalah keluarannya memiliki riak (ripple) yang sangat besar sehingga tidak halus dan membutuhkan kapasitor besar pada aplikasi frekuensi rendah seperti listrik PLN 50Hz. Kelemahan ini tidak berlaku pada aplikasi power supply frekuensi tinggi seperti pada rangkaian SMPS yang mempunyai duty cycle diatas 90%.

Kelemahan lainnnya adalah kurang efisien karena hanya mengambil satu siklus sinyal saja. Artinya siklus yang lain tidak diambil alias dibuang. Ini mengakibatkan keluaran dari power  supply yang menggunakan penyearah ini memiliki daya yang lebih kecil.

Rangkaian Filter Kapasitor

Penggunaan kapasitor dapat mengurangi riak dari keluaran penyearah. Fungsi kapasitor disini menjaga level tegangan pada saat gelombang arah turun dengan mempertahankan energi yang disimpan saat arah naik.

Dengan menambahkan sebuah filter, akan mengkonversi arus searah menjadi lebih murni. Dalam penyearah setengah gelombang, sebuah kapasitor atau induktor digunakan sebagai filter untuk mengkonversi DC berdenyut ke DC murni.

Tegangan output yang dihasilkan oleh gelombang rectifier setengah tidak konstan dan bervariasi terhadap dengan waktu. Ini terjadi terutama jika sumber tegangan jala-jala listrik tidak stabil. Sedangkan dalam aplikasi praktis, kebutuhan akan tegangan suplai DC konstan sangat diperlukan.

Baca Juga:  Photodioda: Pengertian dan Cara Kerjanya

Dalam rangka untuk menghasilkan tegangan DC konstan tersebut, kita perlu menekan level riak pada tegangan DC sekecil mungkin. Hal ini dapat dicapai dengan menggunakan kapasitor filter atau induktor filter di sisi output. Pada rangkaian diatas, kita menggunakan filter kapasitor. Kapasitor ditempatkan di sisi output untuk menghaluskan DC berdenyut ke DC murni.

Faktor Riak

Arus searah (DC) yang dihasilkan oleh penyearah setengah gelombang bukan DC murni tapi DC berdenyut. Dalam output berdenyut DC sinyal, kita menemukan riak. Riak ini dalam output sinyal DC dapat dikurangi dengan menggunakan filter seperti kapasitor dan induktor.

Dalam rangka untuk mengukur berapa banyak riak yang ada di output DC sinyal kita menggunakan faktor yang dikenal sebagai faktor riak. Faktor riak dilambangkan dengan γ. Faktor riak memberitahu kita jumlah riak yang ada  pada output sinyal DC.

Faktor riak besar menunjukkan sinyal DC berdenyut tinggi sementara faktor riak rendah menunjukkan sinyal DC berdenyut rendah. Jika faktor riak sangat rendah maka itu menunjukkan bahwa arus output DC lebih dekat ke arus DC murni. Dalam kata sederhana, semakin rendah faktor riak halus sinyal DC output.

Faktor riak dapat didefinisikan secara matematis sebagai rasio nilai RMS komponen AC dari tegangan output ke komponen DC dari tegangan output.

Faktor riak = nilai RMS komponen AC dari tegangan output/komponen DC dari tegangan output

Faktor riak juga hanya didefinisikan sebagai rasio tegangan riak untuk tegangan DC

Faktor riak = rasio tegangan riak /tegangan DC

Faktor riak harus dijaga seminimal mungkin untuk membangun Penyearah yang baik.

Faktor riak diberikan sebagai

Akhirnya, kita mendapatkan nilai faktor riak sebesar:

γ = 1,21

Riak yang tidak diinginkan hadir dalam output bersama dengan tegangan DC adalah 121% dari besarnya DC. Ini menunjukkan bahwa setengah gelombang rectifier tidak efisien untuk dipakai pada konversi AC ke DC. Riak tinggi dalam setengah gelombang rectifier dapat dikurangi dengan menggunakan filter.

Baca Juga:  Reaktansi Induktif: Pengertian dan Rumusnya

Gambar ilustrasi : http://www.electronics-tutorials.ws

Sebagian materi dikutip dari: https://www.physics-and-radio-electronics.com/electronic-devices-and-circuits/rectifier/halfwaverectifier.html

Untuk mengubah arus bolak balik menjadi arus searah terdapat banyak cara yang dapat digunakan. Salah satu caranya yaitu membuat rangkaian penyearah setengah gelombang.

Penyearah arus setengah gelombang atau half wave rectification merupakan sistem penyearah arus dengan menggunakan satu blog dioda atau rectifier tunggal.

Dioda penyearah atau rectifier sendiri merupakan komponen elektronika yang memiliki fungsi untuk menyearahkan arus bolah-balik sehingga dapat merubah arus AC (Alternating Current) menjadi arus DC (Direct Current).

Penyearahan arus ini dapat terjadi karena pada komponen dioda hanya dapat dilalui dengan arus satu arah saja. Disebut dengan rangkaian penyearah setengah gelombang dikarenakan penyearah ini hanya terjadi di satu siklus saja dari signal tegangan AC yaitu pada pase positif.

Prinsip kerja rangkaian penyearah setengah gelombang

Contoh rangkaian penyearah setengah gelombang dapat digambarkan pada rangkaian di bawah ini :

Tegangan yang dihasilkan oleh generator listrik yang berbentuk tegangan bolak-balik akan dilewatkan melalui satu buah diode penyearah sehingga akan nampak bahwa tegangan output yang dihasilkan hanya pada satu fase saja yaitu pada saat fase positif dan pada saat fase negatif tegangannya akan dihilangkan.

Ketika generator listrik atau transformator memberikan tegangan pada saat fase positif, maka dioda penyearah akan dalam keadaan forward bias (bias maju) sehingga tegangan dari generator listrik atau transformator ini dapat melewati dioda penyearah dan tegangan ouput yang dihantarkan besarnya sama dengan tegangan inputnya. Sedangkan saat generator listrik atau transformator memberikan tegangan pada fase negatif, maka dioda penyearah akan dalam posisi reverse bias (bias mundur) sehingga tegangan dari generator listrik atau transformator ini akan ditahan atau tidak dapat  melewai dioda penyearah, akibatnya besar tegangan yang dikeluarkan pada fase ini tegangan output akan sama dengan nol volt.

Pada penyearah setengah gelombang ini akan memiliki banyak tegangan riak atau ripple sehingga membutuhkan kapasitor dengan kapasitas yang lebih besar untuk menghaluskan tegangan outputnya.

Kelebihan penyearahan setengah gelombang

Penyearahan setengah gelombang ini memiliki kelebihan yaitu bila dilihat dari segia rangkaian kelistrikannya akan lebih sederhana. Kemudian bila dilihat dari segi biaya, karena hanya menggunakan satu buah dioda maka biaya yang dibutuhkan untuk membuat rangkaian penyearah setengah gelombang ini akan lebih murah.

Kekurangan penyearah setengah gelombang

Pada rangkaian penyearah setengah gelombang ini memiliki kelemahan yaitu pada keluaran (output) memiliki tegangan riak atau ripple yang cukup besar sehingga tidak cukup halus dan membutuhkan kapasitor yang lebih besar pada frekuensi rendah.

Kelemahan lainnya adalah pada rangkaian setengah gelombang keluarannya kurang efisien karena hanya mengambil keluaran satu siklus saja, dan satu siklus lainnya yang tidak digunakan dibuang. Hal ini berakibat keluaran dari penyearah setengah gelombang akan memiliki daya yang lebih kecil.