Penyearah Arus Half Wave dan Full Wave¶

Diode merupakan salah satu semikonduktor yang paling banyak digunakan terutama dalam teknik elektronika. Sifat dan karakteristiknya yang unik membuat diode merupakan salah satu komponen elektronika yang sangat populer dalam bidang teknik tak terkecuali di dunia otomotif. Semikonduktor merupakan bahan yang berada diantara konduktor dan isolator. Dalam kondisi tertentu semikonduktor bisa berfungsi sebagai konduktor namun dalam kondisi lainnya bisa berfungsi sebagai isolator. Karena karakter unik inilah semikonduktor dapat digunakan pada berbagai bidang yang berhubungan dengan listrik. Salah satu semikonduktor yang paling banyak ditemukan didunia teknik adalah diode.

Latar Belakang Penggunaan Diode¶

Latar belakang penggunaan diode pada artikel ini dikhususkan pada fungsi diode untuk sumber listrik. Diode yang akan kita gunakan merupakan diode umum yang sering ditemukan pada komponen pembangkit listrik. Ketika diode-diode ini di rangkai dalam satu sirkuit disebut juga rectifier atau diode rectifier.

Perhatikan gambar sederhana dibawah ini:

Ada tiga blok yang digunakan, yaitu; sumber arus AC, tanda tanya, dan baterai. Jika kita perhatikan gambar diatas, ada beberapa hal yang harus diperhatikan, yaitu:

1. Sumber Arus AC (Alternating Current)¶

Sumber arus AC terdiri dari komponen utama pembangkit tegangan. Ketika sumber menghasilkan tegangan maka jenis arus yang dihasilkan adalah arus AC (alternating current) atau arus bolak balik. Arus bolak balik menghasilkan bentuk gelombang sinus seperti dibawah ini:

Pada Gambar 2 terlihat bahwa arus AC memiliki gelombang sinus yang bolak balik pada saat terjadi induksi elektromagnetik. Kadang gelombang mencapai titik positif tegangan kadang mencapai titik negatif tegangan saat medan magnet berputar diantara lilitan pembangkit. Terbentuknya arus, selaras dengan perputaran medan magnet yang ditunjukan pada sudut derajatnya. Sudut 90^o menandakan seperempat putaran medan magnet, sudut 180^o setengah putaran medan magnet, dan sudut 360^o menandakan medan magnet telah berputar sebanyak satu putaran penuh. Itulah sebabnya sumber tegangan yang dihasilkan dari induksi elektromagnetik selalu menghasilkan arus bolak balik. Setiap ujung lilitan pembangkit tidak memiliki polaritas (tidak ada terminal positif dan negatif), ujung lilitan pembangkit kadang menghasilkan tegangan positif kadang pula menghasilkan tegangan negatif secara kontinyu.

2. Baterai¶

Berbeda dengan sumber arus AC, baterai menghasilkan arus dari proses elektrolosis antara anoda katoda didalam cairan asam sulfat (H₂SO₄). Namun baterai tidak selamanya mampu bereaksi untuk menghasilkan arus, ada saatnya baterai sama sekali tidak mampu menghasilkan arus, saat seperti itulah baterai harus diisi ulang (recharge). Proses isi ulang (charging) harus dilakukan agar anoda dan katoda pada baterai kembali ke kondisi beda potensial pada masing-masing terminalnya. Arus DC adalah arus yang memiliki polaritas tegangan yang tetap (jelas antara terminal positif dan terminal negatifnya). Proses elektrolisis pada baterai selalu menghasilkan arus DC (Direct Current) atau arus searah. Perhatikan gambar dibawah ini:

Pada gambar diatas, arus yang terjadi pada terminal baterai stabil, tidak terjadi gelombang sinus seperti yang terjadi pada arus AC.

Permasalahan¶

Diode rectifier dibutuhkan karena beberapa permasalah seperti dijelaskan dibawah ini:

1. Perbedaan Jenis Arus¶

Jika kita perhatikan Gambar 1, disana jelas terlihat perbedaan jenis arus, sumber listrik menghasil arus AC sedangkan baterai menghasilkan arus DC. Agar baterai bisa diisi ulang (recharge) maka harus menggunakan arus yang sejenis yaitu arus DC. Baterai akan menolak arus AC yang dihasilkan sumber listrik (dari hasil proses elektromagnetik). Sumber listrik tidak dapat digunakan secara langsung untuk mengisi baterai, maka diperlukan sebuah jembatan atau konverter yang bisa mengkonversi jenis arus dari arus AC menjadi arus DC, agar baterai bisa menerima arus dari luar untuk membangkitkan beda potensial pada plat anoda katoda sehingga terjadi proses elektrolisis melalui cairan asam sulfat didalam baterai.

2. Arus Balik¶

Selain permasalahan perbedaan jenis arus, masalah berikutnya adalah arus balik. Ketika sumber listrik tidak menghasilkan listrik, maka justru arus dari baterai akan masuk kedalam lilitan pembangkit. Hal ini sangatlah berbahaya, karena jika arus yang dikirimkan dari baterai melebihi kemampuan lilitan pembangkit maka akan terjadi hubungan singkat yang bisa memicu terputus dan terbakarnya lilitan pembangkit. Selain itu, arus yang mengalir dari baterai ke lilitan pembangkit akan mempercepat proses pengosongan kapasitas baterai, dan proses pengosongan yang terjadi terus menerus dan cepat akan memperpendek umur baterai. Ini berarti, dibutuhkan sebuah komponen yang mampu melindungi lilitan pembangkit. Komponen ini akan memblok arus yang datang dari baterai menuju ke lilitan pembangkit.

Pemecahan/Fungsi Utama Diode¶

Kedua permasalah diatas mampu diatasi oleh satu komponen, yaitu diode rectifier. Jika demikian, berarti diode rectifier memiliki dua fungsi utama, yaitu:

• Berfungsi untuk mengkonversi arus AC dari sumber arus menjadi arus DC agar bisa digunakan untuk mengisi ulang baterai.
• Berfungsi untuk melindungi arus balik dari baterai ke lilitan pembangkit, atau berfungsi sebagai katup satu arah yang hanya bisa mengalirkan dari satu arah namun tidak mampu mengalirkan pada arah yang berlawanan.

Karakteristrik dan Prinsip Diode¶

Seperti sudah dijelaskan diatas, bahwa semikonduktor adalah suatu bahan yang kadang dalam kondisi tertentu bersifat layaknya konduktor, namun dalam kondisi tertentu juga mampu bersifat layaknya isolator. Sebenarnya banyak sekali jenis semikonduktor dan jenis diode, namun kita akan membahas secara spesifik tentang diode penyearah atau dikenal dengan diode rectifier. Jika ditelusuri dari sisi istilah, sebenarnya sama saja antara diode dengan rectifier sehingga banyak yang kemudian menyebut diode saja, rectifier saja, atau diode rectifier. Dalam dunia elektronika ada pembeda penggunaan nama, jika arus yang mengalir didalam rangkaian ≤ 1A maka sering disebut diode, jika arus yang mengalir didalam rangkaian ≥ 1A maka sering disebut rectifier atau penyearah. Lebih jauh tentang diode akan dibahas pada artikel terpisah, karena pembahasan diode tidak bisa ditulis dalam susunan kalimat yang singkat.

Diode tersusun dari material semikonduktor tipe-P dan tipe-N, anggaplah material Positif dan material Negatif. Material P memiliki terminal yang disebut Anoda, sedang material N memiliki terminal yang disebut Katoda. Material P sentitif terhadap tegangan positif namun tidak sensitif terhadap tegangan negatif. Sedangkan material N sensitif terhadap tegangan negatif namun tidak sensitif terhadap tegangan positif.

Perhatikan diode yang dialiri tegangan DC dibawah ini:

Gambar 7 diatas menunjukan bahwa lampu menyala apabila tegangan positif dialirkan dari sisi anoda.

Pada Gambar 8 menujukan bahwa lampu padam jika tegangan positif dialirkan dari sisi katoda.

Jika tegangan yang datang dari sisi anoda adalah positif maka tegangan akan dialirkan menuju ke katoda. Ini berarti diode bersifat konduktor untuk tegangan positif yang datang dari anoda. Jika tegangan yang datang dari sisi anoda adalah negatif maka tenganan akan diabaikan atau diblok atau tidak dialirkan menuju ke sisi katoda. Ini berarti diode bersifat isolator untuk tegangan negatif yang datang dari sisi anoda.

Jika tegangan yang datang dari sisi katoda adalah negatif maka tegangan akan dialirkan menuju ke anoda. Ini berarti diode bersifat konduktor untuk tegangan negatif yang datang dari katoda. Jika tegangan yang datang dari sisi katoda adalah positif maka tenganan akan diabaikan atau diblok atau tidak dialirkan menuju ke sisi anoda. Ini berarti diode bersifat isolator untuk tegangan positif yang datang dari sisi katoda.

Perhatikan gambar gelombang sinus yang melewati diode dibawah ini:

Gambar diatas menujukan bahwa, arus AC yang mengalir melalui anoda kemudian akan bertemu dengan material P yang sensitif hanya pada tegangan positif sehingga material P akan meloloskan atau mengalirkan tegangan positif menuju kekatoda, namun material P akan mengabaikan/memblok semua tegangan negatif, sehingga tegangan negatif tidak akan dialirkan menuju ke katoda. (Perhatikan Gambar 9)

Gambar diatas menujukan bahwa, arus AC yang mengalir melalui katoda kemudian akan bertemu dengan material N yang sensitif hanya pada tegangan negatif sehingga material N akan meloloskan atau mengalirkan tegangan negatif menuju keanoda, namun material N akan mengabaikan/memblok semua tegangan positif, sehingga tegangan positif tidak akan dialirkan menuju ke anoda. (Perhatikan Gambar 10) Dari gambar-gambar diatas jelas bahwa diode berfungsi sebagai penyarah arus AC menjadi arus DC, juga sebagai katup satu arah yang hanya mengalirkan satu jenis tegangan saja untuk melindungi arus balik dari baterai menuju ke lilitan pembangkit.

Desain Rectifier¶

Ada dua desain rangkaian rectifier yang biasa digunakan pada lilitan pembangkit, yaitu:

1. Half Wave Diode Rectifier (Penyearah Setengah Gelombang)¶

Desain rectifier ini biasanya digunakan untuk menyearahkan arus dengan desain lilitan pembangkit satu fase (single phase). Perhatikan gambar dibawah ini:

Satu ujung lilitan pembangkit tegangan (A) mengalir tegangan yang melewati diode, maka tegangan negatif akan diblok atau tidak dialirkan sehingga tersisa gelombang sinus positif yang mengalir menuju ke baterai. Namun pada satu ujung lilitan pembangkit yang lainnya tidak menggunakan rectifier. Desain seperti ini biasanya digunakan untuk penyearah arus kecil. Kelemahan menggunakan desain half-wave atau setengah gelombang adalah hasil arus yang keluar tidak rata sepenuhnya, satu ujung lilitan lainnya masih mengandung gelombang sinus.

Keuntungan Desain Half-Wave¶

Keuntungan menggunakan desain half-wave yaitu:

• Biaya lebih murah karena hanya 1 diode yang digunakan.
• Terkadang denyutan setengah gelombang diperlukan untuk merontokan sulfasi (kerak reaksi kimia) pada lempengan anoda katoda baterai.
• Pemeriksaan diode lebih mudah karena hanya terdiri dari 1 diode.

Kerugian Desain Half-Wave¶

Kerugian menggunakan desain half-wave yaitu:

• Proses pengisian baterai lebih lambat;
• Diperlukan putaran inti medan magnet relatif tinggi untuk menghasilkan arus tertentu yang memadai sesuai kebutuhan baterai. Hal ini karena jeda antar gelombang sinus positif tidak rapat.

2. Full Wave Diode Rectifier (Penyearah Gelombang Penuh)¶

Desain rangkaian rectifier ini biasanya digunakan untuk menyearahkan desain lilitan pembangkit tiga fase (three phase). Perhatikan gambar dibawah ini:

Setiap ujuang lilitan pembangkit (A dan B) dilayani oleh dua buah diode. Satu diode berfungsi sebagai diode positif yang menghasilkan tegangan positif. Dan satu diode berfungsi sebagai diode negatif yang menghasilkan tegangan negatif. Penyearah gelombang penuh minimal memiliki 4 buah diode untuk menyearahkan tegangan dengan desain lilitan pembangkit single phase. Jika menggunakan desain lilitan pembangkit tiga fase berarti dibutuhkan 6 buah diode rectifier.

Keuntungan Desain Full-Wave¶

Keuntungan menggunakan desain fullwave yaitu:

• Tegangan dan arus yang dihasilkan lebih konstan karena tidak memiliki jeda antara puncak (peak) gelombang. Ketika salah satu ujung (A) telah melewati tahap puncak, maka ujung lilitan lain (B) akan menyusul dan menutupi kekosongan tegangan. Sehingga proses pengisian baterai lebih cepat daripada desain diode rectifier half wave.
• Pengisian tetap terjadi walaupun salah satu diode mengalami masalah/rusak.

Kerugian Desain Full-Wave¶

Kerugian menggunakan desain full-wave yaitu:

• Biaya lebih mahal karena diode yang digunakan lebih banyak.
• Desain lebih boros tempat karena ukuran lebih besar.
• Rumit dalam pemeriksaan diode ketika terjadi permasalahan atau kerusakan pada diode.

Daftar Pustaka¶

• Diodes and Rectifier
• Diodes
• Half Wave Rectifier
• Full Wave Rectifier
• Semiconductor Basics & Semiconductor Physics Tutorial
• Half Wave Rectifiers
• Diode
• Diode
• Diode