Pikir dan Rasa

cogito ergo sum

Archive for the ‘Components’ Category

Penyearah gelombang penuh jembatan Graetz

with one comment

UPDATE Nov 2016

Pembaruah tulisan ini dan penambahan gambar simulasi sakelar dengan LTspice sudah saya unggah di situs yang baru: https://sunupradana.info/pe/2016/11/01/penyearah-gelombang-penuh-jembatan-graetz/ .


Pada artikel/tulisan sebelumnya, kita telah mencoba memahami pensaklaran sebagai aksi dasar dari kerja komponen di elektronika daya. Dari pemahaman itu kita mencoba mempelajari diode sebagai perwujudan sakelar elektronik. Lalu sebelum belajar bagaimana upaya penyearahan, kita belajar terlebih dahulu masukan yang akan kita searahkan, dalam hal ini yaitu tegangan A.C. dan kita belajar parameter yang penting dari gelombang sinus. Lalu kita berkenalan dengan penggunaan sebuah diode sebagai penyearah setengah gelombang (half wave rectifier).

Kali ini kita akan membahas tentang konfigurasi dasar dari penyearah gelombang penuh (full-wave rectifier) dalam bentuk jembatan Graetz (Graetz bridge).

[Untuk memudahkan proses membaca, disarankan untuk membuka halaman ini dalam dua tab atau dua window(jendela). Supaya mudah untuk membaca keterangan dan membandingkan dengan / mengamati gambar. Agar tidak bolak-balik melakukan scroll.]

Tulisan ini dan tulisan lain dalam seri ini disusun dengan mode fail safe, artinya memang ditujukan terutama bagi yang ingin belajar secara mandiri. Dengan bemikian kadang-kadang bagi mereka yang sudah paham, akan terasa agak panjang. Silahkan skim and scan 🙂 .

BENTUK FISIK

Sebelum mempelajari cara kerja dan melakukan analisis dasar, kita berkenalan dulu dengan bentuk fisik dari komponen jembatan diode yang telah cukup banyak dijual umum di pasaran.


Gambar 1. Contoh bentuk fisik komponen penyearah
jembatan diode (sumber:Wikipedia).


Gambar 2. Contoh fisik komponen komersial bridge rectifier (sumber:WestFlorida components).

Sebelum adanya komponen jembatan diode yang sudah diringkas dalam satu package, konfigurasi jembatan diode ini dibangun dari komponen diode diskrit. Cara seperti ini masih bisa dipergunakan hingga saat ini, misalnya karena alasan harga atau ketersediaan komponen.


Gambar 3. Penyearah jembatan
diode dari komponen diode diskrit (tunggal), (sumber:Wikipedia).

OPERASI DASAR

Berikutnya untuk memahami cara kerja komponen/konfigurasi jembatan diode ini, kita mulai dengan memperhatikan seksama animasi berikut. Luangkan waktu beberapa saat untuk benar-benar memperhatikan pergantian siklus dan diode yang aktif pada tiap saat itu.


Gambar 4. Animasi operasi dasar Graetzr bridge rectifier
, (sumber:Wikipedia).


Gambar 5. Setengah siklus positif dari penyearah jembatan gelombang penuh, Graetzr bridge rectifier
, (sumber:Wikipedia).

Pada Gambar 5, bisa kita lihat operasi Graetz bridge rectifier saat setengah siklus positif sumber tegangan A.C., yaitu dalam gambar ini saat jalur arus di bagian atas sedang bernilai lebih positif jika dibandingkan dengan jalur arus yang di bawahnya. Jalur arus yang memiliki tegangan yang lebih positif itu diberi warna merah, sedang yang lebih negatif berwarna biru.

Dalam gambar itu saat jalur sumber di bagian atas lebih positif dari jalur di bawahnya, diode pada bagian kiri atas pola diamond (berlian) akan aktif. Diode akan menghantar seperti sakelar tertutup, dan pada Gambar 5 itu semua yang aktif dalam potensi listrik positif diberi warna merah. Sedangkan bagian rangkaian yang berpotensi lebih negatif diberi warna biru. Jika terminal terhubung dengan beban maka arus listrik dari sumber akan melewati diode (yang diberi tanda warna merah) ke beban dan kembali ke sumber melalui jalur yang diberi tanda pembeda berupa warna biru. Diode kanan bawah pola berlian itu diberi penanda beda dengan warna biru. Diode biru itu menjadi jalur pulang arus listrik dari beban menuju sumber catu daya.


Gambar 6. Setengah siklus negatif dari penyearah jembatan gelombang penuh, Graetzr bridge rectifier
, (sumber:Wikipedia).

Kondisi yang digambarkan pada Gambar 6 berkebalikan dari kondisi yang digambarkan pada Gambar 5. Polaritas tegangan pada terminal sumber terbalik, yang di atas sekarang lebih negatif dari yang di bawah. Pada kondisi ini semua diode yang tadi aktif pada situasi di Gambar 5 akan mati (off, tidak bekerja). Sebaliknya diode yang tadinya tidak aktif, maka pada situasi ini akan aktif. Dalam gambar terlihat diode yang aktif berwarna merah (arus untuk polaritas tegangan yang lebih positif) dan berwarna biru (arus untuk polaritas tegangan yang lebih negatif).

Salah satu ciri yang menonjol pada rangkaian  jembatan diode ini adalah bahwa dari sisi terminal beban, polaritas tegangan akan tetap sama, tidak berubah. Pergantian terus-menerus, periodik, dari polaritas sumber tegangan arus bolak-balik tidak berpengaruh pada polaritas tegangan beban. Ciri lainnya yang lebih ringan (trivia) adalah bentuk lambang diagram yang berupa berlian (diamond) yang iconic yang terkenal itu. Ciri ini sebenarnya tidak merupakan keharusan, baik dalam diagram maupun dalam perwujudannya. Bentuk tidaklah mengikat sepanjang koneksi antar node-nya tetap.


Gambar 7. Bentuk lain diagram koneksi beserta warna aktifasinya, Graetzr bridge rectifier
, (sumber:Wikipedia).

OPERASI DASAR


Gambar 8. Konfigurasi dasar simulasi dan pengukuran riil penyearah jembatan
diode rangkaian terbuka.

Di Gambar 8, semua node diberi tanda secara eksplisit untuk memudahkan (n1, n2, n3, n4). Pada konfigurasi ini perlu diperhatikan bahwa titik common sebagai acuan pengukuran (lazim juga disebut gnd, ground) adalah node di sisi sumber tegangan AC. Node gnd adalah juga node n3 di rangkaian ini. Semua pengukuran dengan DSO di kanal satu (CH1) dan kanal dua (CH2) akan dibandingkan nilainya dengan node ini.


Gambar 9. Hasil simulasi rangkaian pada Gambar 8.

Di Gambar 8, node n3 dipakai sebagai titik acuan (common) bagi perhitungan level tegangan di semua node di satu saat yang sama. Hasilnya tampak di Gambar 9, tegangan di node n1; V(n1) dapat menjadi panduan pembanding visual bagi semua gelombang hasil pengukuran lainnya.

Saat tegangan di n1 memasuki fase siklus nilai tegangan lebih positif terhadap nilai tegangan di n3 (yang dipakai sebagai acuan, common, gnd), begitu pun nilai tegangan di n4. Di node n4, saat yang sama, nilai tegangannya juga lebih positif daripada nilai tegangan di n3 yang dipakai sebagai acuan. Dengan begitu kita bisa melihat bahwa tegangan n4 mengikuti trend nilai tegangan yang sama dengan n1 pada setengah siklus positif n1 (kurva biru). Sedangkan nilai tegangan di n2 akan mengikuti trend nilai tegangan n1 di setengah siklus negatif (kurva pink). Hal ini akan lebih mudah dipahami nanti dengan penggunaan beban resistor. Pada bagian ini yang lebih penting mengetahui pergantian polaritas pada pasangan node sumber seperti yang diungkap pada Gambar 8 dan Gambar 9, tidak mengubah polaritas di node n2 dan n4. Sekali lagi artinya polaritas tegangan di n2 dan n4, tetap.


Gambar 10.Pengujian dengan DSO konfigurasi rangkaian seperti pada Gambar 8.


Gambar 11. Hasil dari proses uji (Gambar 10), #1 n1, #2 n4, #3 n2.

Gelombang pada Gambar 11 adalah hasil pengujian diode bridge riil sebagaimana yang diperlihatkan pada Gambar 10. Ground dari DSO (oscilloscope) dihubungkan dengan salah satu keluaran transformer. Untuk mempermudah pengujian mengikuti pengaturan penamaan node seperti pada Gambar 8. Point nomor satu di Gambar 11, adalah kurva gelombang sinus di n1, ini sama seperti kurva pada Gambar 9. Kurva yang diberi tanda nomor dua adalah hasil pengukuran pada n4, kebetulan foto pada Gambar 10 tepat menggambarkan konfigurasi probe saat pengambilan nilai tegangan di node ini. Keluaran terminal positif dari komponen diode bridge (n4) sama polanya dengan hasil simulasi di Gambar 9. Karena DSO yang dipergunakan hanya memiliki dua kanal, maka kurna no 3 sebenarnya adalah tampilan hasil penyimpanan dari pengukuran sebelumnya. Dalam uji ini kurva no 3 adalah tegangan di node n2, terminal negatif dari diode bridge. Hasilnya juga sesuai dengan hasil simulasi pada Gambar 9.


Gambar 12. Anotasi lebih rinci dari Gambar 11.

Di Gambar 12, anotasi no 1 menggambarkan saat node n1 berada dalam setengah siklus positif (tegangannya lebih positif dari node acuan n3). Pada setengah siklus positif itu tegangan di n4 juga positif, ditunjukkan dengan anotasi no 2. Sedangkan no 3 menunjukkan bahwa pada setengah siklus positif itu tegangan di n2 mendekati nol. Sebaliknya pada setengah siklus negatif tegangan di n4 mendekati nol dan tegangan di n2 (anotasi no 6) bernilai negatif terhadap n3 seperti tegangan di n1 pada saat itu.


Gambar 13. Konfigurasi uji diode bridge CH1 untuk n4 dan CH2 untuk n2.


Gambar 14. Hasil uji diode bridge (Gambar 13), CH1 (kuning)  untuk n4 dan CH2 (cyan) untuk n2.


Gambar 15. Konfigurasi simulasi dan pengujian dengan node n2 sebagai acuan.


Gambar 16. Hasil pengujian dengan node n2 sebagai acuan.


Gambar 17. Pengenal diode untuk simulasi dan pengujian, D1, D2, D3, D4.

Konfigurasi rangkaian pada Gambar 15, memiliki kesamaan dengan rangkaian pada Gambar 8. Perbedaannya adalah pada Gambar 15, terdapat resistor 200 Ohm (2 x 100 Ohm, 5 Watt di rangkaian uji) dan node yang dipergunakan sebagai acuan adalah n2 dan bukan lagi n3. Hasil simulasi terlihat pada Gambar 16, tegangan antara n1 terhadap n3 masih bisa disimulasikan dengan menggunakan cara pengukuran diferensial. Kita bisa melihat bahwa untuk rentang 20 mS (satu siklus penuh gelombang sinus 50 Hz), satu siklus sinus masukan menghasilkan dua pulsa (two pulse). Ini berbeda dengan penyearah setengah-gelombang yang hanya menghasilkan satu pulsa setiap satu siklus penuh gelombang sinus masukan. Dengan demikian pada full wave bridge rectifier ini baik setengah siklus positif maupun setengah siklus negatif dari input akan menghasilkan keluaran di sisi DC.

Kita bisa membandingkan kurva hasil simulasi pada Gambar 16,  V(n1,n3) dengan V(n4), dan pada saat yang sama dengan V(n1) dan V(n3).  Misalnya dapat dilihat bahwa V(n4) berasal dari gabungan V(n1) dengan V(n3). Pada Gambar 16, pulsa pertama pada V(n4) berasal dari V(n1). Pulsa ini berasal dari diode D1 (Gambar 17) yang aktif bersama diode D2, sedangkan D3 dan D4 dalam keadaan off. Ini terjadi saat V(n1,n3) berada dalam setengah siklus positif.

Pulsa kedua pada V(n4), yaitu dari 10 mS sampai 20 mS, merupakan “sumbangan” dari V(n3) karena D3 dan D4 menjadi aktif (on) pada saat V(n1,n3) berada dalam setengah siklus negatif. Pada saat ini D1 dan D2 dalam keadaan mati (off). Pola yang sama berlangsung berulang terus menerus (periodik) selama kondisi prasyarat terpenuhi.


Gambar 18. Bentuk lain penyusunan diode diskrit dari penyearah gelombang penuh, Graetzr bridge rectifier
, (sumber:Wikipedia).

PENGUKURAN RANGKAIAN


Gambar 19. Foto test bed untuk menguji hasil simulasi pada komponen riil.


Gambar 20. Kurva hasil uji; #1:V(n4), #2:V(n1), #3:V(n3).

Semua kurva pada Gambar 20 adalah perbandingan pengukuran dengan node n2 sebagai acuan. Konfigurasi pengujian sama dengan konfigurasi pada Gambar 15. Karena pengukuran dilakukan dengan menggunakan DSO yang hanya memiliki dua kanal maka fasilitas Ref dipergunakan untuk menyimpan dan menampilkan kurava gelombang ketiga, (dalam Gambar 20 adalah kurva #3).  Kurva #1 menunjukkan V(n4), tegangan kaki positif pada komponen diode bridge. Kurva #2 menunjukkan V(n1), tegangan pada salah satu sumber AC. Kurva #3 menunjukkan V(n3), tegangan pada salah satu sumber AC yang berbeda dari yang diukur dan menghasilkan kurva #2. Sekedar untuk memudahkan pengenalan, dapat ditetapkan kurva #2 adalah hasil pengukuran pada  terminal fasa pada/dari trafo sedangkan kurva #3 adalah hasil pengukuran pada terminal 0 (nol) pada trafo.


Gambar 21. Kurva hasil uji; #4:V(n4), #5:V(n1), #6:V(n3), dengan base yang diatur sama.

Gambar di atas sebenarnya tidak berbeda jauh dengan Gambar 20, perbedaannya hanyalah posisi vertikal dari kurva #5 dan #6 telah dibuat sama (satu level). Dengan begitu saya harapkan akan lebih mudah untuk membayangkan bahwa kurva #4 sebenarnya terdiri dari kurva #5 dan #6.


Gambar 22. Setup untuk menguji komponen riil dengan fasilitas MATH di DSO.


Gambar 23. Kurva hasil pengukuran pada Gambar 22.

Setup pada Gambar 22 masih mengikuti setup pada Gambar 15, tanpa R2. Pada uji kali ini fasilitas penyimpanan kurva pada DSO (REF) tidak lagi dipergunakan. Yang dipakai adalah fasilitas MATH, sehingga dua hasil pengukuran bisa langsung ditambahkan. Dari gambar 22 dan 23, CH1 dipergunakan untuk mengukur n3 sedangkan CH2 dipergunakan untuk mengukur n1. Kurva #1 adalah hasil perhitungan langsung, penambahan CH1 dengan CH2. Dari gambar 20, 21 dan 23 kita bisa yakin bahwa tegangan yang terukur pada kaki positif jembatan diode (node n4) adalah hasil dari penjumlahan tegangan pada masing-masing terminal/kaki fasa masukan tegangan arus bolak-balik, dengan titik acuan (pembanding)  adalah terminal negatif pada kaki jembatan diode  (n2).


Gambar 24. Dua siklus penuh gelombang masukan memberikan empat pulsa keluaran pada penyearah jembatan.


Gambar 25. Pengukuran satu pulsa keluaran penyearah menggunakan manual cursor.


Gambar 26. Pengukuran frekuensi pulsa keluaran penyearah Graetz menggunakan auto cursor.


Gambar 27. Nilai Vmax pada tegangan keluaran.


Gambar 28. Nilai Vtop pada tegangan keluaran.


Gambar 29. Visualisasi nilai Vpp pada tegangan keluaran.


Gambar 30. Visualisasi nilai Vmean pada tegangan keluaran.


Gambar 31. Visualisasi nilai Vrms pada tegangan keluaran.


Gambar 32.
Panduan untuk memahami definisi parameter pada pengukuran pada DSO.


Gambar 33. Parameter pengukuran tegangan pada CH1
DSO, tegangan keluaran penyarah jembatan.


Gambar 34. Parameter pengukuran pada tegangan masukan
penyarah jembatan.

PERSAMAAN RATA-RATA (AVG, Average)


Gambar 35. Persamaan Vavg untuk penyearah gelombang penuh

Dari hasil simulasi dan pengukuran pada rangkaian riil yang telah dilakukan, diketahui bahwa penyearah jembatan Graetz akan memberikan tegangan keularan baik pada setengah siklus positif maupun negatif dari tegangan masukan. Karena itu pada persamaan #1 dan #2 di Gambar 35, perhitungan untuk mencari nilai rata-rata menggunakan satu satu siklus penuh (setengah siklus positif dan setengah siklus negatif)


Gambar 36. Perhitungan untuk nilai Vavg

Dari uji persamaan seperti yang terlihat pada Gambar 36, kita bisa mendapatkan persamaan sederhana dengan pembulatan. Persamaan nilai rata-rata yang didapat untuk penyerah gelombang penuh mudah ditebak ternyata nilainya dua kali dari nilai rata-rata pada penyerah setengah gelombang.

Vavg bridge full-wave = 0.637 x Vinput_peak.


Gambar 37. Subtitusi Vpeak dengan Vrms.

Vavg bridge full-wave = 0.900 x Vinput_rms.

Sebagai contoh, jika tegangan puncak pada sisi suplai adalah 17.6 V maka,
Vavg bridge full-wave = 0.637 x 17.6 = 11.211 = 12.1 Volt.
Atau jika menggunakan nilai rms dari suplai sebesar 12 V maka ,
Vavg bridge full-wave = 0.900 x 12.0 = 10.80 = 10.8 Volt.
Sebagaimana pada penyearah setengah gelombang, setidaknya ada dua faktor yang harus diperhatikan pada perhitungan. Pertama adalah adanya jatuh tegangan pada diode, semakin banyak diode dalam rangkaian maka akan semakin banyak jatuh tegangan dan ketidakidealan lainnya yang berkaitan dengan adanya komponen fisik dalam rangkaian. Kedua, bahwa semua persamaan yang dipergunakan berasal dari asumsi bahwa masukan dari catu daya adalah tegangan AC dengan bentuk gelombang sinus yang ideal. Padahal kenyataannya tidaklah demikian, seperti yang terlihat dari hasil pengukuran di oscilloscope.


PERSAMAAN RMS (root mean square)


Gambar 38. Perhitungan untuk mendapatkan persamaan rms dari penyearah gelombang penuh.


Gambar 39. Pengujian dan penyederhanaan untuk mendapatkan nilai rms dari penyearah gelombang penuh.

Pada Gambar 38 dan Gambar 39, hasil perhitungan memberikan informasi bahwa ternyata nilai rms untuk penyearah gelombang penuh sama dengan nilai rms untuk perhitungan satu siklus penuh dari gelombang sinus ideal. Artinya untuk nilai efektif, rms, kondisi polaritas positif atau negatif tidak memberikan perbedaan pada beban resistor. Efek panas yang dihasilkan sama saja antara keluaran penyearah gelombang penuh berupa tegangan DC maupun tegangan suplai dengan gelombang sinus, selama keduanya memiliki nilai rms yang sama.

maj rev 2

 

Written by sunupradana

January 2, 2015 at 3:26 pm

Kutipan datasheet 1N4001 sampai 1N4007

with one comment

Berikut adalah contoh kutipan beberapa parameter penting dari diode 1N4001 sampai 1N4007:

 

 

 

 

 

 

Written by sunupradana

January 2, 2015 at 6:13 am

Mencari nilai resistor paralel

leave a comment »

Sering kita memerlukan suatu nilai resistansi tertentu untuk suatu aplikasi. Tetapi kadang-kadang nilai itu tidak bisa kita dapatkan pada resistor, misalnya karena resistor yang tersedia tidak cocok atau bahkan memang nilai itu bukanlah nilai standar.

Kita bisa menghitung secara manual dengan trial and error, atau kita bisa mempergunakan bantuan perangkat lunak untuk membantu secara otomatis. Berikut adalah daftar link yang di halaman situsnya terdapat program untuk membantu kita melakukan perhitungan untuk mendapatkan beberapa alternatif kombinasi serial maupun paralel untuk nilai ekivalen yang kita perlukan.

  1. http://www.sengpielaudio.com/calculator-parallel.htm
  2. http://mustcalculate.com/electronics/resistorfinder.php
  3. http://www.qsl.net/in3otd/parallr.html
  4. http://sim.okawa-denshi.jp/en/rercal.php
  5. http://www.daycounter.com/Calculators/Parallel-Resistor-Combination-Calculator.phtml

Semoga bermanfaat.

Written by sunupradana

December 27, 2014 at 9:58 am

Uji penyulutan SCR

with one comment

Dokumentasi awal pengenalan operasi SCR dengan menggunakan dua sumber DC.

[rilis preview v 2]

46731477


57255983

pic03

pic04.png

pic08

pic07

pic09

pic10


LED dipergunakan sebagai beban pada sisi anode dengan aliran arus sebesar 16.99 mA. Tegangan catu daya sebesar 7 VDC, tegangan penyulut sebesar 1.8 VDC dengan arus sebesar 4.68 mA. Tegangan gate ke cathode sebesar 0.754 VDC.



Sumber catu daya  sebesar 7.1 VDC, SCR dalam kondisi off. Tidak ada tegangan dan arus penyulutan pada gate. Tegangan antara anode dan cathode dari SCR sebesar 5.03 VDC.


Sumber catu daya  sebesar 7.1 VDC, SCR dalam kondisi off, hanya ada arus kecil sebesar 0.03 mA. Tegangan punyulutan di kaki gate sebesar 1.6 VDC dengan arus sebesar 4.61 mA. Tegangan antara anode dan cathode dari SCR sebesar 4.82 VDC. Teganan antara kaki gate ke kaki katode sebesar 0.607 VDC. Katode terhubung langsung dengan terminal negatif sumber (return / common / gnd).


Sumber catu daya  sebesar 7.1 VDC, SCR dalam kondisi on, arus mengalir sebesar 17.57 mA menyalakan LED. Tegangan punyulutan di kaki gate sebesar 1.8 VDC (terhadap gnd yaitu terminal negatif sumber) dengan arus sebesar 4.72 mA. Katode terhubung langsung dengan terminal negatif sumber (return / common / gnd).
Tegangan antara anode dan cathode dari SCR sebesar 0.75 VDC.
Teganan antara kaki gate ke kaki katode sebesar 0.750 VDC.


Sumber catu daya  sebesar 7.1 VDC, SCR dalam kondisi tetap on, arus mengalir sebesar 16.82 mA menyalakan LED. Tegangan punyulutan di kaki gate dimatikan. Tegangan antara anode dan cathode dari SCR sebesar 0.92 VDC. Tegangan antara kaki gate ke kaki katode sebesar 0.673 VDC.

Komponen SCR dapat tetap dalam keadaan on walaupun sumber tegangan penyulutan sudah dimatikan.  Hal ini terjadi karena setelah melampaui batas arus threshold untuk latching, maka SCR akan tetap on tanpa arus penyulutan di gate selama arus utama yang mengalir antara anode ke katode tetap berada di atas ambang batas holding current.


Menurut Littelfuse:

Principal Current − Generic term for the current through the collector junction (the current through main terminal 1 and main terminal 2 of a Triac or anode and cathode of an SCR)

Holding Current (I H ) − Minimum principal current required to maintain the Thyristor in the on state

Latching Current (I L ) − Minimum principal current required to maintain the Thyristor in the on state immediately after the switching from off state to on state has occurred and the triggering signal has been removed

v 0.1.a
v 0.2
v 0.3

update berikut …

Written by sunupradana

December 22, 2014 at 5:04 am

Posted in Components, Electrical, Electronics

Tagged with , ,

Belajar Menggunakan Diode

with 5 comments

Setelah sebelumnya meninjau tentang switch (sakelar) sebagai sebuah awalan dalam usaha memahami kerja (dan menggunakan) komponen sakelar elektronik berbasis semikonduktor, maka kali ini kita meninjau sejenak tentang diode. Melanjutkan dengen diode penting agar upaya belajar kita berlangsung secara sistematis.

Namun karena keterbatasan waktu pada saat saya menulis artikel ini, maka saya tidak membahas detail tentang diode. Pembaruan (update) akan menyusul kemudian. Sudah cukup banyak tutorial tentang diode yang saya lihat sendiri beredar di Internet. Beberapa yang bagus yang berbasis html akan saya urutkan tautannya (link) di bawah ini. Setelah membaca dan berusaha memahaminya, anda bisa kembali lagi ke halaman ini untuk melanjutkan membaca dan menghubungkan dasar teori yang sudah anda peroleh dengan apa yang akan saya ungkapkan, berurutan di sini.

  1. What is an Ideal Diode?
  2. Sparkfun diodes tutorial
  3. Semiconductor Basics
  4. Tutorial: Electronic Circuits-Diodes/Transistors/FETs, Renesas Engineer School
  5. PN Junction Theory
  6. PN Junction Diode
  7. The Signal Diode
  8. Power Diodes and Rectifiers
  9. Full Wave Rectifier
  10. The Zener Diode (opsional untuk bahasan di artikel ini)
  11. Basics: Introduction to Zener Diodes (opsional untuk bahasan di artikel ini)
  12. The Light Emitting Diode
  13. Diode Tutorial
  14. Wikipedia: Diode
  15. p–n diode
  16. Diode modelling

Berikut adalah gambar karakteristik arus dan tegangan (I-V characteristic) yang ideal dari sebuah diode. Tentu saja komponen ideal ini tidak ada. Namun gambar ini membantu kita untuk lebih memahami dasar kerja sebuah komponen diode.

Gambar di atas adalah gambar dari artikel pada Wikipedia, yaitu p–n diode. Masih dari artikel yang sama kita maju selangkah lagi dengan memperhatikan gambar-gambar berikut:

Gambar di atas memberikan informasi seolah-olah terdapat sebuah sumber tegangan pelawan di dalam komponen diode, sehingga berbeda dengan sakelar ideal, diode memerlukan sejumlah tegangan maju untuk mengatasi tegangan pelawan tersebut.

Pada gambar berikut di bawah ini terlihat bahwa ketidakidealan diode bisa diperlihatkan dengan lebih baik jika ditambahkan resistor pada model.

Adanya kemiringan (gradient / slope) membuat grafik di atas semakin mendekati keadaan yang sesungguhnya pada komponen fisik (riil) diode. Dalam tulisan ini nanti akan saya sertakan gambar yang diperoleh dari DSO.

Pada gambar berikut diperlihatkan grafik yang “maju” selangkah lagi menuju (mendekati) bentuk grafik karakteristik arus-tegangan pada komponen real diode (komponen diode riil). Grafik ini sudah menggambarkan adanya karakteristik arus-tegangan diode pada saat polaritas tegangannya terbalik, lengkap dengan kondisi breakdown.

 

 

Gambar berikut masih dari situs Wikipedia, menggambarkan bahwa kita bisa membagi unjuk karakteristik arus-tegangan diode ke dalam tiga bagian. Hal ini untuk memudahkan pembahasan. Semoga gambar berikut dapat menyegarkan ingatan anda:

Berikut adalah gambar suatu rangkaian (circuit) yang juga akan diwujudkan dalam praktik yang dokumentasinya saya sertakan di tulisan ini. Sumber Wikipedia.org:

 

SIMULASI

Setelah menyegarkan kembali karakteristik diode dengan menggunakan grafik, maka tahap berikutnya adalah melakukan simulasi dengan perangkat lunak (software). Ini bertujuan antara lain agar kita dapat mencoba beberapa skenario (misal beberapa nilai komponen maupun konfigurasi) dengan meminimalkan resiko bahaya maupun mempersingkat waktu percobaan. Untuk simulasi ini kita bisa menggunakan aplikasi LTspice yang secara legal gratis (halal) untuk dipergunakan.

 

UJI COBA KOMPONEN FISIK

Berikutnya setelah melakukan simulasi maka tentu saja kita melakukan uji / percobaan pada komponen diode yang sesungguhnya. Unjuk kerja diode ini seringkali berbeda dengan apa yang tertera di datasheet , bahkan jika dokumen itu memang dikeluarkan oleh perusahaan pembuat diode tersebut. Begitu juga, model diode yang menjadi komponen dalam simulasi sangat mungkin akan berbeda dengan keadaan sesungguhnya dari diode, sekalipun serinya sama. Dan terakhir, karakteristik masing-masing komponen fisik diode bisa jadi akan juga berbeda antara satu komponen dengan komponen yang lain. Walaupun kesemuanya berasal dari seri/tipe yang sama.Variasi ini sungguh pun terjadi biasanya dalam keadaan normal tidak akan berbeda terlalu jauh.

Berikut foto set-up pengujian komponen riil:

 

 

Sebagai perbandingan dan untuk memudahkan, dua osiloskop (oscilloscope) dipergunakan dalam percobaan ini.

 

 

Percobaan pertama dilakukan dengan menggunakan rangkaian dasar berikut:


 

Rangkaian di atas jika disimulasikan akan menghasilkan gfrafik sebagai berikut:


Hasilnya tidak lain merupakan grafik penyearah setengah gelombang yang sudah kita akrab dan gampang dikenali. Tegangan listrik antara anode dan katode di simulasi ini ditulis sebagai V(ade,ktd). Sedangkan pada simulasi ini tegangan listrik antara node ktd (katode dari diode) ke titik referensi (gnd) cukup ditulis sebagai V(ktd). Arus listrik yang mengalir pada dua atau lebih komponen yang terhubung seri adalah sama, karena itu arus yang mengalir pada diode sama dengan yang mengalir pada resistor. Jika anda jeli maka anda bisa menemukan bahwa gelombang tegangan sumber yang di rangkaian simulasi ini bertanda V(ade), seolah-olah dipotong menjadi dua bagian. 

 

Simulasi YT ini relatif lebih mudah untuk dicoba dengan komponen fisik, karena itu kita lakukan terlebih dahulu. Berikut adalah uji coba rangkaian fisik untuk komponen diode. Pertama dipergunakan oscilloscope kecil satu kanal (DSO Nano) untuk memeriksa tegangan terminal masukan (input), V(ade)



 

Sedangkan dua gambar berikut adalah hasil capture dari DSO 100MHz:



 

Di DSO kita biasanya bisa menggunakan fasilitas kursor untuk melakukan pengukuran secara “manual”. Baik untuk DSO Nano maupun DSO 100MHz dua kanal. Misalnya untuk DSO Nano:


Bisa dilihat nilai delta untuk setengan gelombang adalah 10.0 mS dan delta untuk tegangan dasar ke puncak sebesar 16.6 V. Sedangakan pada gambar di bawah ini, masih menggunakan DSO Nano, kita bisa melihat bahwa tegangan antara anode ke katode dari diode adalah sebesar 0.78 Volt, tidak jauh berbeda dengan hasil simulasi dengan LTspice menggunakan model diode dari tipe yang sama.

 

 

Percobaan dengan menggunakan DSO 100MHz akan memberikan kemudahan baik dari segi jumlah kanal (ada dua) maupun kemampuan pencuplikan (BW, sampling). Namun agar memberikan hasil yang benar perlu diperhatikan penggunaan kanal dan probe dengan tepat pada rangkaian.

Kanal pertama (CH1) yang juga merupakan kanal untuk sumbu X pada mode tampilan XY diberi warna pengenal merah. Sedangkan kanal kedua (CH2) yang juga merupakan kanal untuk sumbu Y pada mode tampilan XY diberi warna pengenal biru.

Pada pengukuran dengan mode tampilan YT (besaran tegangan pada sumbu Y dan besaran waktu T pada sumbu X), CH1 dipakai untuk mengukur besar tegangan (jatuh tegangan) pada komponen diode. Probe CH1 ditempatkan di anode pada diode dan koneksi GND dari DSO pada katode dari diode. Pengaturan polaritas pengukurannya persis sama dengan pengukuran pada simulasi LTspice, V(ade,ktd). 

Yang agak repot memang untuk melakukan pengukuran tegangan di antara kaki-kaki resistor, dalam konfigurasi dan percobaan ini. Karena kita tidak ingin melakukan operasi pengurangan matematis dengan DSO. Maka untuk tegangan pada diode maupun resistor masing-masing diukur benar-benar paralel dengan komponennya masing-masing. Karena probe yang dipakai bukan tipe diferensial maka timbul kesulitan. Kita hanya bisa menggunakan satu titik (node) sebagai acuan, yang dihubungakan dengan GND pada DSO. Karena pengukuran CH1 sudah menggunakan node antara katode pada diode dengan resistor sebagai GND, maka CH2 harus menggunakan node yang sama sebagai GND. Artinya probe CH2 justru harus ditempatkan di titik kembali sumber catu daya (ground pada transformer). Dengan demikian nanti ada saatnya kita perlu menggunakan fasilitas invert untuk tampilan gelombang pada CH2, agar polaritasnya sesuai yang kita perlukan.

 

Berikut tampilan gelombang tegangan pada diode (kuning) dan resistor (biru) yang belum dibalik.


 

Berikutnya gelombang tegangan pada resistor yang diukur dengan CH2 (biru) dan tampilannya belum dibalik, dipisahkan dengan tampilan gelombang CH1 (kuning) yang mengukur tegangan di diode. Tegangan pada CH2 dinaikkan vertikal ke atas sebanyak 17 Volt.


 

Berikutnya gelombang tegangan di resistor yang diukur dengan CH2 (biru) dibalik (inverted). Sehingga yang aslinya mengukur V(gnd,ktd) menjadi V(ktd,gnd) dalam tampilan sebagaimana pada gambar berikut.


 

Tampilan gelombang dua kanal (CH1 dan CH2) yang tadinya sengaja dipisahkan, sekarang digabung kembali dengan melakukan reset untuk posisi vertikal pada keduanya.


Jika gambar di atas diperhatikan, akan persis seperti bentuk gelombang tegangan pada terminal masukan. Pemotongan tidak persis pada 0.00 mV, melainkan sekitar 0.7V ~ 0.8V karena diode membutuhkan tegangan maju untuk dapat beroperasi, menghantar (kondisi ON).

 

Berikut ini adalah salah satu fasilitas pada DSO yang amat memudahkan pengguna untuk melakukan pengukuran. Warna kuning dan identitas CH1 menunjukkan dengan jelas bahwa kesemua parameter yang ditampilkan adalah pengukuran untuk tegangan yang diukur pada kanal pertama (CH1 /  X / merah).


 

Sedangkan pada gambar di bawah tampilan berwarna cyan menunjukkan bahwa pengukuran untuk kanal CH2. Tetapi perlu diingat ini adalah untuk tampilan tegangan pada resistor yang diukur dengan CH2 tetapi gelombangnya sudah dibalik (inverted).


 

Berikut adalah tampilan informasi untuk CH2 yang gelombangnya belum dibalik.


 

Gambar berikut ini memperlihatkan bahwa besar tegangan R.M.S. pada diode dan resistor bernilai sama. 

 

 

 

TEGANGAN BIAS MAJU

Berikut ini adalah rangkaian simulasi yang dipergunakan untuk mempelajari tegangan maju atau tegangan bias maju pada diode.  


 

Hasil simulasi rangkaian. Terlihat pergerakan naik dari arus sebagai akibat bias maju dapat tampak lebih jelas jika kita melakukan zoom atau mempersempit rentang pengamatan.


Dari gambar di atas dapat dilihat bahwa pada simulasi adalah mudah untuk melakukan pengukuran tegangan pada V(ktd,gnd) atau bisa ditulis sebagai V(ktd). Bahkan pengukuran arus pada diode maupun resistor dapat dengan mudah dilakukan, tidak demikian halnya jika kita mencoba mereplikasi percobaan ini pada XY mode dengan komponen fisik dan DSO dengan probe standar.

Pertama perlu diingat untuk konfigurasi rangkaian ini sebenarnya pengukuran tegangan di resistor dimaksudkan untuk mengukur nilai arus yang melintas di rangkaian. Dengan mempergunakan hukum Ohm, arus dapat dihitung jika nilai resistansi dan nilai tegangan listrik sudah diketahui. Untuk itu jika memungkinkan nilai resistansi hendaknya adalah nilai yan mudah untuk perhitungan matematis. Biasanya kelipatan 1, 10 atau 100. Jika persediaan terbatas, seperti pada uji kali ini, perhitungan masih mudah jika kita kalkuator (termasuk app) tersedia dekat dengan tempat pengujian.

 

Gambar berikut adalah hasil uji dengan komponen fisik dan DSO. Terlebih dahulu diingat dan dipastikan bahwa CH2 telah dibalik (inverted), agar arah arus bisa sesuai (mengikuti arah arus konvensional) dari anode ke katode pada diode. 

 


 

 

SIMULASI WILAYAH BREAKDOWN

Berikut adalah simulasi tegangan tembus (breakdown voltage) untuk diode 1N4007.



 

SIMULASI VARIABLE RESISTOR

Dua gambar berikut adalah simulasi pengaruh nilai resistor pada rangkaian yang tegangan masukkannya dinaikkan berjangkah dari 0 V sampai 1 V, dengan kenaikan sebesar 1 mV.



 

SIMULASI VARIABLE RESISTOR DENGAN CATU DAYA TEGANGAN SINUS

Terakhir adalah simulasi catu daya arus bolak-balik dengan beberapa nilai resistor pada rangkaian.



Tiga bagian terakhir dapat memberikan gambaran bagaimana perangkat lunak simulasi rangkaian berbasis SPICE seperti LTspice sungguh sangat membantu dan bermanfaat. Sebelumnya dalam tulisan ini telah kita bandingkan antara hasil simulasi dengan hasil percobaan dengan komponen fisik.


Written by sunupradana

December 21, 2014 at 2:17 am

Semuanya berawal dari sakelar

with 5 comments

Tulisan ini telah diperbaharui dan diunggah kembali pada blog elektronika daya saya yang baru di elda.sunupradana.info. Tepatnya dapat diakse pada tautan berikut:
https://sunupradana.info/pe/2016/03/26/sakelar-sebuah-titik-mula-updated-2/


 

In the beginning there was a switch.

Di elektronika, AFAIK (As Far As I Know) komponen yang sering menjadi maskot adalah resistor. Dari tiga komponen pasif dasar, RLC (memristor masih belum dijumpai secara massal), R adalah rajanya. Tetapi di elektronika daya (power electronics), sering dilupakan bahwa sebenarnya sakelar justru menjadi sangat penting sebagai dasar untuk memahami komponen aktif yang lebih lebih kompleks.

Sakelar adalah dasar yang sederhana untuk memahami diode. Diode menjadi sangat penting untuk memahami DIAC maupun SCR. SCR menjadi dasar untuk memahami TRIAC. Begitulah “jalannya”, selangkah demi selangkah berurutan. Sayangnya seperti yang saya kemukakan dalam tulisan sebelumnya. Sistematis itu sering tidak diminati, dianggap bertele-tele padahal untuk banyak hal dalam sains (science) dan teknik (enginering) tidak sistematis itu sangat berbahaya dan terbukti sering mencelakakan. Kalaupun jalan pintas (short-cut) untuk sesaat tampak “menghasilkan” dengan cara yang menyenangkan, tapi jangka panjang (dan bahkan menengah) sering terbukti lebih banyak merugikan daripada menguntungkan.

Ini terutama penting bagi siswa dan mahasiswa, mereka yang sedang membangun dan membentuk dasar-dasar dan kerangka pemahaman yang baik dan benar. Jalan pintas itu bisa diambil terutama jika kita sudah punya dasar pemahaman. Misalnya, di sistem Android ada beberapa aplikasi elektronika yang memudahkan perhitungan.Kita tinggal memasukkan input tanpa perlu mengutak-atik persamaan secara manual. Tapi tanpa berusaha untuk memahami dasarnya, fasilitas bantuan ini sebenarnya justru mencelakakan.

Nah setelah yakin bahwa belajar dengan sistematis adalah jalan yang terbaik, setidaknya dalam pengertian urut komponen, maka kita bisa memulai bahasan mengenai sakelar.

Menurut KBBI, definisi sakelar adalah:
sa·ke·lar n penghubung dan pemutus aliran listrik (untuk menghidupkan atau mematikan lampu)

Sedangkan menurut Oxford Dictionary of English, definisi switch (sakelar) adalah:
a device for making and breaking the connection in an electric circuit.

Menurut IEEE definisi sakelar (switch) lebih diperinci sebagai berikut:
 
(4) (electric and electronics parts and equipment) A device for making, breaking, or changing the connections in an electric circuit. Note: a switch may be operated by manual, mechanical, hydraulic, thermal, barometric, or gravitational means, or by electromechanical means not falling within the definition of “relay.”

 

Sedangkan definisi relay, masih menurut IEEE adalah:

(1) (general) An electric device designed to respond to input conditions in a prescribed manner and, after specified conditions are met, to cause contact operation or similar abrupt change in associated electric control circuits.
Notes:
1. Inputs are usually electrical, but may be mechanical, thermal, or other quantities, or a combination of quantities. Limit switches and similar simple devices are not relays. 2. A relay may consist of several relay units, each responsive to a specified input, with the combination of units providing the desired overall performance characteristic(s) of the relay.

(2) (electric and electronics parts and equipment) An electrically controlled, usually two-state, device that opens and closes electrical contacts to effect the operation of other devices in the same or another electric circuit. 
Notes: 1. A relay is a device in which a portion of one or more sets of electrical contacts is moved by an armature and its associated operating coil. 2. This concept is extended to include assembled reed relays in which the armature may act as a contact. See also: switch.

 

Sakelar [sumber: Wikipedia.org]

Sakelar pushbutton [sumber: Wikipedia.org]

Dengan demikian secara sederhana sebuah saklah adalah sebuah pemutus atau penyambung. Bahkan sebuah kabel “jumper” dapat dipergunakan untuk menggantikan komponen sakelar yang sesungguhnya. Kemampuan daya hantar arus lalu bergantung pada bahan dan penampangnya.

Sebuah komponen switch ideal memiliki nilai tahanan sama dengan nol, sehingga jika dialiri arus maka tidak ada jatuh tegangan di antara kaki-kakinya. Tapi tentu saja komponen yang ideal seperti itu belumlah ada. Yang ada adalah sakelar yang nilai tahanannya amat kecil, dan untuk banyak keperluan dapat diabaikan. AFAIK, kita masih menunggu superkonduktor suhu kamar diproduksi massal dan berharga lebih terjangkau 🙂 .

Pada gambar berikut, diperlihatkan sebuah rangkaian sederhana dengan sebuah sumber tegangan dan dua resistor, tanpa sakelar. Sekali terhubung dengan catu daya arus akan terus mengalir melewati kedua resistor sampai catu dayanya kehabisan energi (semisal cell atau baterai) atau dilepaskan dari hubungan ke rangkaian.

 

Gambar berikut di bawah ini adalah contoh sederhana rangkaian pada gambar di atas yang telah diberi sakelar (switch). Pada pembahasan ini sakelar dimaknai secara sederhana sebagai penyambung dan pemutus pada rangkaian elektronik. Dalam simulasi dengan LTspice berikut, sebagai pengganti tangan manusia atau suatu sistem mekanis lainnya maka dipergunakan sumber sinyal (signal generator). Amplitudo dan frekuensi dari generator sinyal (sumber tegangan) akan mengendalikan kerja sakelar (switch).

Sedangkan gambar di bawah ini adalah waveform (gelombang) hasil percobaan rangkaian di atas.

Catu daya untuk rangkaian ini berupa tegangan DC yang stabil sebesar 12 Volt, asumsinya untuk simulasi ini sumber tegangan merupakan sumber tegangan ideal tanpa tahanan dalam.

Sakelar “Switch01” dikendalikan dengan menggunakan V(tegcontrol) dengan pengaturan sebagai berikut.

Sakelar “Switch01” yang dikendalikan “V(tegcontrol)” akan memutus dan menyambung rangkaian sederhana yang berisi resistor dan catu daya. Sebagai akibatnya, apakah ada arus yang mengalir untuk tiap saat (waktu) tertentu ditentukan oleh kondisi apakah pada saat itu sakelar sedang dalam kondisi tertutup (menyambung) atau terbuka (putus). Kondisi ini tergambar dalam bentuk gelombang pada I(S1) yaitu arus yang melintasi resistor dan sakelar. Juga bentuk gelombang tegangan pada V(nd1).

Bentuk gelombang I(S1) dan V(nd1) yang saling berkebalikan merupakan ciri khas dari sebuah sakelar, terutama sakelar yang mendekati karakteristik sebuah sakelar ideal. Pada kenyataannya selain adanya nilai tahanan yang lebih besar dari nol, juga diperlukan wantu gelombang dan arus untuk mencapai nilai steady-nya. Ada selang waktu yang selalu diperlukan untuk naik (rise) dan turun (fall). Tegangan dan arus tidak mungkin begitu saja untuk berpindah dari satu nilai ke nilai lain tanpa selang waktu sedikitpun. Baik dalam orde nano detik, mikro detik maupun mili detik.

Jika pada simulasi di atas menggunakan catu daya D.C. maka bagaimana untuk simulasi dengan catu daya A.C.? Bagaimanakah bentuk gelombang keluarannya?

Bisa ditebak, setiap kali sakelar menutup maka arus akan mengalir, dan tegangan di terminal akan “hilang” (kondisi hubung pendek) sebagai berikut. V(n002) adalah tegangan di node n002 yang terletak antara switch dan R2.

Tahap berikutnya adalah tahap kita mulai “meniru” bagaimana gelombang dihasilkan oleh SCR. Bedanya kali ini saklar akan terhubung (on) sebelum off, sedangkan pada aplikasi SCR di elektronika daya (power electronics), SCR biasanya akan terlebih dahulu dalam kondisi off sebelum diaktifkan (on). Waktu penyalaan ini biasanya dikaitkan dengan sudut, dan dinamakan sudut penyalaan (firing angle). Ada juga istilah conduction angle yang merupakan (180 – firing angle) atau dalam radian (π – firing angle).


karya: Harley H. Hartman (Googling: Wolfram Alpha Hartman)

Berikut adalah gambar rangkaian sakelar yang dikonfigurasikan untuk “meniru” kerja SCR. Dengan urutan hidup-mati yang berkebalikan dari kerja SCR. Waktu hidup (lebar pulsa) selama 1 mS dan dinyalakan tanpa delay dari 0 mS.

Berikut adalah gambar gelombang keluarannya.

Eksperimen berikut menggambarkan perbedaan antara simulasi switch dengan SCR. Pada SCR (juga TRIAC) sekali gate terpicu dan batas latching terlampaui maka thyristor akan terus dalam kondisi on walaupun sinyal picu di gate sudah dihilangkan (dimatikan, off), sampai principal current nilainya turun di bawah nilai ambang holding current. Sedangkan pada switch hidup-mati, sambung-putus dapat dilakukan kapanpun. Untuk menunjukkan efeknya maka dipergunakan tunda nyala (delay) sebesar 4 mS. Komutasi untuk SCR tidak semudah ini, apalagi jika sumber catu daya adalah catu daya D.C.

Gelombang hasil simulasi.

 

Simulasi berikut dilakukan untuk mendekati hasil ideal yang bisa didapatkan pada percobaan dengan SCR. Kali ini sudut penyalaan, firing angle sengaja dipilih pada sudut 90°. Melalui simulasi ini diharapkan nantinya saat melakukan simulasi dan percobaan pada SCR maka kita sudah bisa menduga/menebak apa yang seharusnya kita dapatkan. Jika hasilnya tidak sama maka kita bisa segera menduga ada yang salah atau setidaknya ada yang jauh menyimpang.

Rangkaian berikut menggunakan delay sebesar 5 mS dari 0 mS. Waktu hidup sinyal sebesar 5 mS dengan periode sebesar 20 mS.

Berikut hasil simulasi, penyulutan tepat pada sudut 90° dan off pada 180°. Dapat dilihat bahwa tegangan pada node nd1 “terpotong” pada saat sakelar menutup.

Bentuk simulasi operasi TRIAC pada sudut penyulutan 90°.

Rangkaian simulasi switch untuk menyerupai unjuk kerja TRIAC yang disakelar tepat 90°.

Hasil simulasi:

Demikianlah tulisan ini saya buat dalam semangat untuk belajar bersama, dan agar siswa/mahasiswa terinspirasi untuk belajar dengan cara yang lebih sistematis. Belajar elektronika daya dengan cara melompat-lompat memang menarik, dan terkesan efisien. Terutama jika kita belum termotivasi untuk menekuninya sebagai sebuah ilmu dan sebagai sarana untuk bertransformasi. Tetapi percayalah anda akan lebih banyak mengalami kerugian daripada keuntungan. Untuk mahasiswa ~> elektronika daya (elda, power electronics) sebenarnya lebih dari sekedar sebuah mata kuliah, tetapi bahkan dalam bentuk dan praktinya yang paling sederhana ilmu ini adalah sarana transformasi diri yang dahsyat. Saya tidak membual, silahkan dicari sebanyak mungkin informasi pembanding. Saya yakin anda akan semakin menemukan kebenarannya.

Sebelum belajar TRIAC, hendaknya meluangkan waktu untuk belajar SCR, dan sebelumnya belajar diode dan sebelumnya switch, seperti yang telah coba saya tuangkan di sini, sebagai awalan.

Written by sunupradana

December 18, 2014 at 12:31 pm