Penyearah jembatan dioda adalah sirkuit yang mengubah AC menjadi DC menggunakan empat dioda yang disusun dalam jembatan. Ini bekerja selama siklus positif dan negatif, membuatnya lebih efisien daripada tipe setengah gelombang. Artikel ini menjelaskan fungsinya, tegangan keluaran, pemilihan, efisiensi, penggunaan transformator, kontrol riak, dan aplikasinya secara rinci.
CC4. Pemilihan dan Peringkat Jembatan Dioda
Penyearah Jembatan Dioda
Penyearah jembatan dioda adalah rangkaian yang mengubah arus bolak-balik (AC) menjadi arus searah (DC). Ini menggunakan empat dioda yang disusun dalam bentuk khusus yang disebut jembatan. Tujuan dari pengaturan ini adalah untuk memastikan arus listrik selalu bergerak ke satu arah melalui beban.
Dalam AC, arus berubah arah berkali-kali setiap detik. Penyearah jembatan bekerja selama bagian positif dan negatif dari siklus ini. Ini membuatnya lebih efisien daripada penyearah setengah gelombang, yang hanya bekerja selama setengah siklus. Hasilnya adalah aliran DC yang stabil yang dapat digunakan perangkat elektronik.
Fungsi Utama Penyearah Jembatan Dioda
Selama setengah siklus positif dari input AC, dua dioda menghantarkan dan memungkinkan arus mengalir melalui beban. Ketika input beralih ke setengah siklus negatif, dua dioda lainnya menyala dan mengarahkan arus ke arah yang sama melalui beban. Konduksi bolak-balik ini memastikan bahwa beban selalu menerima arus yang mengalir dalam satu arah, menghasilkan output DC yang berdenyut. Ketika kapasitor atau filter ditambahkan ke rangkaian, DC yang berdenyut dihaluskan, menghasilkan tegangan DC yang lebih stabil dan kontinu.
Tegangan Keluaran Jembatan Dioda
Output DC Rata-Rata
Tegangan keluaran DC rata-rata, diwakili oleh rumus
adalah tegangan rata-rata yang diukur melintasi beban setelah perbaikan. Ini mewakili level DC efektif dari output berdenyut dan membantu menggambarkan berapa banyak arus searah yang dapat digunakan yang dihasilkan rangkaian dari input bolak-balik.
Nilai RMS
Tegangan RMS (Root Mean Square) dihitung menggunakan rumus
RMS adalah metode untuk menentukan tegangan stabil setara yang memberikan daya yang sama dengan bentuk gelombang AC. Ini memberikan pemahaman yang lebih realistis tentang efek pemanasan atau kemampuan daya dari sinyal yang diperbaiki, karena mencerminkan berapa banyak energi yang dapat diberikan sinyal ke beban dari waktu ke waktu.
DC Efektif dengan Tetes Dioda
Dalam sirkuit praktis, dioda nyata tidak sempurna dan menimbulkan penurunan tegangan. Output DC efektif mengingat tetesan ini dapat dinyatakan sebagai
Setiap jalur konduktor di jembatan melibatkan dua dioda, dan keduanya berkontribusi pada penurunan tegangan yang mengurangi output DC yang sebenarnya.
• Untuk dioda silikon, Vf ≈ 0,7 V
• Untuk dioda Schottky, Vf ≈ 0,3 V
Ini mengurangi output DC aktual dibandingkan dengan casing ideal.
Pemilihan dan Peringkat Jembatan Dioda
Faktor untuk Pemilihan Dioda
• Peringkat Arus Maju (Jika): Peringkat arus kontinu dioda harus melebihi arus beban DC maksimum. Selalu pilih dengan margin 25-50% untuk keamanan.
• Peringkat Arus Lonjakan (Ifsm): Saat memulai, terutama saat mengisi kapasitor filter besar, dioda menghadapi lonjakan masuk beberapa kali lebih tinggi dari arus stabil. Peringkat Ifsm yang tinggi memastikan dioda tidak akan gagal di bawah pulsa ini.
• Tegangan Terbalik Puncak (PIV): Setiap dioda harus menahan puncak AC maksimum saat bias terbalik. Aturan umumnya adalah memilih PIV setidaknya 2–3 kali tegangan AC input RMS.
• Penurunan Tegangan Maju (Vf): Vf yang lebih rendah berarti lebih sedikit kehilangan daya dan pemanasan. Dioda Schottky memiliki batas Vf yang sangat rendah tetapi biasanya lebih rendah, sedangkan dioda silikon adalah standar untuk aplikasi tegangan tinggi.
Dioda yang Umum Digunakan untuk Penyearah Jembatan
| Dioda / Modul | Peringkat Saat Ini | Tegangan Puncak |
|---|---|---|
| 1N4007 | 1 Sebuah | 1000 V |
| 1N5408 | 3 Sebuah | 1000 V |
| KBPC3510 | 35 Sebuah | 1000 V |
| Schottky (1N5819) | 1 Sebuah | 40 V |
Efisiensi Jembatan Dioda dan Manajemen Termal
Sumber Kerugian
Dalam jembatan gelombang penuh, arus mengalir melalui dua dioda sekaligus. Setiap tetes biasanya 0,6–0,7 V untuk dioda silikon atau 0,2–0,4 V untuk jenis Schottky. Total daya yang hilang sebagai panas dapat dihitung:
Jika panas tidak dikelola, suhu persimpangan naik, yang mempercepat keausan dioda dan dapat menyebabkan kegagalan bencana.
Strategi Manajemen Termal
• Gunakan Perangkat Low-Vf: Dioda Schottky menurunkan kehilangan konduksi khususnya. Dioda pemulihan cepat lebih baik untuk penyearah frekuensi tinggi.
• Metode Pembuangan Panas: Pasang dioda atau modul jembatan ke heat sink. Pilih penyearah jembatan berselubung logam dengan jalur termal bawaan. Sediakan tuangan tembaga PCB yang memadai di sekitar bantalan dioda.
• Pendinginan Tingkat Sistem: Desain untuk aliran udara dan ventilasi di enklosur. Pantau suhu pengoperasian terhadap kurva derating.
Pemanfaatan Jembatan Dioda dan Trafo
Pemanfaatan Belitan Penuh
Dalam penyearah ketuk tengah, hanya setengah dari belitan sekunder yang mengalir selama setiap setengah siklus, meninggalkan separuh lainnya tidak digunakan. Sebaliknya, jembatan dioda menggunakan seluruh belitan sekunder selama kedua setengah siklus, memastikan pemanfaatan transformator penuh dan efisiensi yang lebih tinggi.
Tidak perlu ketukan tengah
Keuntungan utama dari penyearah jembatan adalah tidak memerlukan trafo yang disadap di tengah. Ini menyederhanakan konstruksi transformator. Mengurangi penggunaan dan biaya tembaga. Membuat penyearah lebih cocok untuk catu daya kompak.
Faktor Pemanfaatan Trafo (TUF)
Faktor Pemanfaatan Transformator (TUF) mengukur seberapa efektif peringkat transformator digunakan:
| Jenis Penyearah | Nilai TUF |
|---|---|
| Ketuk Tengah Gelombang Penuh | 0,693 |
| Penyearah Jembatan | 0,812 |
Riak dan Penghalusan Jembatan Dioda
Sifat Riak
Ketika AC melewati penyearah jembatan, bagian positif dan negatif diperbaiki, menghasilkan output yang berkelanjutan. Tegangan masih naik dan turun dengan setiap setengah siklus, menghasilkan riak daripada saluran DC yang datar sempurna. Frekuensi riak dua kali frekuensi input AC:
• Listrik 50 Hz → riak 100 Hz
• Listrik 60 Hz → riak 120 Hz
Perbandingan Faktor Riak
| Jenis Penyearah | Faktor Riak (γ) |
|---|---|
| Penyearah Setengah Gelombang | 1.21 |
| Ketuk Tengah Gelombang Penuh | 0,482 |
| Penyearah Jembatan | 0,482 |
Menghaluskan dengan Filter
| Jenis Filter | Deskripsi | Fungsi |
|---|---|---|
| Filter Kapasitor | Kapasitor elektrolitik besar dihubungkan melintasi beban. | Pengisian selama puncak tegangan dan pelepasan selama penurunan, menghaluskan bentuk gelombang yang diperbaiki. |
| Filter RC atau LC | Filter RC menggunakan resistor-kapasitor; Filter LC menggunakan induktor-kapasitor. | RC menambahkan penghalusan sederhana; LC menangani arus yang lebih tinggi secara efektif dengan pengurangan riak yang lebih baik. |
| Regulator | Bisa tipe linier atau switching. | Memberikan output DC yang stabil, mempertahankan tegangan konstan terlepas dari variasi beban. |
Varian dan Aplikasi Jembatan Dioda
| Tipe | kelebihan | Kekurangan |
|---|---|---|
| Jembatan Dioda Standar | Desain sederhana, murah, dan banyak digunakan. | Kehilangan tegangan maju yang lebih tinggi (total \~1.4 V dengan dioda silikon). |
| Jembatan Schottky | Penurunan tegangan maju yang sangat rendah (\~0,3–0,5 V per dioda), kecepatan switching cepat. | Lebih rendahtage terbalik peringkat (≤ 100 V). |
| Jembatan Sinkron (berbasis MOSFET) | Efisiensi ultra-tinggi dengan kehilangan konduksi minimal, cocok untuk desain arus tinggi. | Sirkuit kontrol yang lebih kompleks diperlukan dan biaya komponen yang lebih tinggi. |
| SCR/Jembatan Terkendali | Memungkinkan kontrol sudut fase tegangan keluaran dan mendukung penanganan daya yang besar. | Membutuhkan sirkuit pemicu eksternal dan dapat memperkenalkan distorsi harmonik. |
Masalah Jembatan Dioda, Pengujian, dan Pemecahan Masalah
Jebakan Umum
• Orientasi dioda yang salah - menyebabkan tidak ada output atau bahkan korsleting langsung ke transformator.
• Filter kapasitor berukuran kecil - menghasilkan riak tinggi dan output DC yang tidak stabil.
• Dioda yang terlalu panas - terjadi ketika peringkat arus atau pembuangan panas tidak mencukupi.
• Tata letak PCB yang buruk - jejak panjang dan area tembaga yang tidak memadai meningkatkan resistansi dan pemanasan.
Alat Pemecahan Masalah
• Multimeter (Mode Uji Dioda): Mengukur penurunan ke depan (~0,6–0,7 V untuk silikon, ~0,3 V untuk Schottky) dan mengkonfirmasi pemblokiran secara terbalik.
• Osiloskop: Memvisualisasikan konten riak, tegangan puncak, dan distorsi bentuk gelombang pada beban.
• Termometer IR atau Kamera Termal: Mendeteksi pemanasan dioda, kapasitor, atau jejak yang berlebihan di bawah beban.
• LCR Meter: Mengukur nilai kapasitor filter untuk memeriksa degradasi dari waktu ke waktu.
Aplikasi Jembatan Dioda
Catu Daya
Digunakan dalam suplai AC-ke-DC untuk radio, TV, amplifier, dan peralatan dengan kapasitor filter dan regulator.
Pengisi Daya Baterai
Diterapkan pada pengisi daya mobil, inverter, UPS, dan lampu darurat untuk menyediakan DC terkontrol untuk baterai.
Driver LED
Ubah AC ke DC untuk bohlam LED, panel, dan lampu jalan, mengurangi kedipan dengan kapasitor dan driver.
Kontrol Motor
Menyediakan DC untuk kipas, motor kecil, HVAC, dan pengontrol industri untuk memastikan kelancaran pengoperasian.
Kesimpulan
Penyearah jembatan dioda adalah cara yang andal untuk mengubah AC menjadi DC. Dengan menggunakan siklus AC penuh dan menghindari kebutuhan akan keran tengah, ini menghasilkan daya DC yang stabil. Dengan pilihan dioda, kontrol panas, dan penyaringan yang tepat, ini memastikan kinerja yang efisien dalam catu daya, pengisi daya, sistem pencahayaan, dan kontrol motor.
Pertanyaan yang Sering Diajukan [FAQ]
Apa perbedaan antara penyearah jembatan fase tunggal dan tiga fase?
Fase tunggal menggunakan 4 dioda untuk satu input AC; tiga fase menggunakan 6 dioda dengan tiga input, memberikan DC yang lebih halus dan lebih sedikit riak.
Bisakah penyearah jembatan bekerja tanpa transformator?
Ya, tetapi tidak aman karena output DC tidak terisolasi dari listrik.
Apa yang terjadi jika satu dioda di penyearah jembatan gagal?
Dioda korsleting dapat meniup sekering atau merusak transformator; Dioda terbuka membuat sirkuit bertindak seperti penyearah setengah gelombang dengan riak tinggi.
Berapa frekuensi maksimum yang dapat ditangani jembatan dioda?
Dioda standar bekerja hingga beberapa kHz; Dioda Schottky atau pemulihan cepat menangani puluhan hingga ratusan kHz.
Bisakah penyearah jembatan dihubungkan secara paralel untuk lebih banyak arus?
Ya, tetapi mereka membutuhkan metode penyeimbangan seperti resistor seri; jika tidak, arus dapat mengalir tidak merata dan dioda terlalu panas.