Pengantar kuliah penyearah setengah gelombang satu fase dengan diode

Selamat bertemu kembali di perkuliahan Elektronika Daya I, Topik 6. Penyearah satu fase setengah gelombang tak terkendali I. Silakan melihat kembali silabus untuk mengetahui detailnya.

Gambar 1. https://sunupradana.info/pe/materi-kuliah-elda-1/.

Pada minggu-minggu sebelumnya anda telah diajak untuk belajar dengan membaca sumber-sumber bahasan (lihat kembali daftar bacaan di Google Classroom di minggu-minggu sebelum minggu ini).

Anda telah mengenal bagaimana transistor, thyristor (SCR, TRIAC), dan bahkan diode dianggap dan dioperasikan di elektronika daya (power electronics) sebagai sakelar. Dengan pemahaman mengenai bagaimana cara menggunakan LTspice anda sudah bisa melakukan simulasi dan membandingkan hasilnya dengan teori (melalui perbandingan sumber-sumber rujukan). Materi ini sengaja didahulukan agar proses mencari-membaca-mencoba dapat berlangsung terlebih dahulu.

Anda juga sudah diajak untuk mau belajar mencari informasi pembanding dengan melihat di Google Books. Informasi di Google Books punya nilai validitas yang relatif lebih tinggi daripada yang disajikan di *blogspot, atau *wordpress dan sejenisnya.

Minggu lalu, anda telah diajak mempelajari kembali mengenai sumber tegangan/arus. Baik sinus/sinewave maupun sinyal dalam bentuk lain. Gelombang kotak dan gelombang segitiga akan dipelajari kembali di Elektronika Daya II. Anda juga sudah diperkenalkan dengan perangkat bantu analisis alternatif yang bisa dipakai. Misalnya WolframAlpha, Symbolab, Scilab, GNU/Octave, dan Maxima. Dari sini anda telah belajar bahwa tegangan ataupun arus (dan karenanya daya) adalah tentang luas wilayah di bawah kurva. Baik kemudian diukur/dihitung dengan menggunakan average atau RMS.

Gambar 2. Law of the instrument.

The Law of The Instrument (Hukum Tentang Instrumen) menyatakan bahwa jika satu-satunya alat yang kita miliki adalah palu, maka semua akan tampak seperti paku. Apa maksudnya?

Hukum ini memberikan gambaran mengenai risiko buruk sebagai akibat dari sempitnya wawasan. Palu/tukul adalah contoh dan perumpamaan dari peralatan fisik maupun perangkat pemikiran. Palu adalah alat/instrumen yang sangat berguna. Banyak sekali pekerjaan yang bisa diselesaikan dengan baik sebagai akibat dari tersedianya dan dipergunakannya palu. Tetapi masalah akan mulai timbul jika kita hanya memiliki palu sebagai satu-satunya alat. Tidak semua pekerjaan bisa diselesaikan dengan baik jika menggunakan palu. Beberapa pekerjaan bahkan akan rusak/gagal jika mempergunakan palu. Kita perlu punya lebih banyak alternatif alat untuk dapat menyelesaikan lebih banyak tipe pekerjaan. Alat yang dimaksud dapat berupa benda nyata maupun sebenarnya metode/cara/kemampuan berpikir.

Di semester ini anda akan mempelajari kembali beberapa tipe penyearah, dari sudut pandang konversi energi listrik (elektronika daya).

Masing-masing tipe penyearah memiliki keunggulan dan kekurangan. Jika anda mengingat kembali pelajaran terdahulu mengenai beberapa prinsip dalam engineering yang akan berulang-ulang kita terapkan, berikut adalah pembaruannya.

Gambar 3.

Tidak ada tipe penyearah yang secara absolut terbaik, karena selalu ada beberapa faktor yang terlibat dalam pemilihannya. Misalnya adalah trade-off, semakin baik suatu penyearah dari sudut pandang kualitas, biasanya akan semakin banyak memerlukan komponen yang harganya akan berpotensi menjadi semakin mahal.

Gambar 4. https://wellingtone.co.uk/safety-project-management-triangle/

Tetapi selalu ada acuan umum yang dipakai. Untuk penyearah, sistem catu daya sumber tegangan yang ideal adalah sumber tegangan DC yang nilai tegangannya tidak berubah sama sekali (ΔV=0 volt). Semakin sensitif atau kritis sistem alat yang akan disuplai maka semakin tinggi kualitas catu daya yang diperlukan. Kembali lagi ke Gambar 2, dengan memahami prinsip ini anda bisa menghindari jatuh ke ‘jebakan’ Law of the Instrument.

Gambar 5. Simulasi sumber tegangan ideal.
Gambar 6. https://www.codrey.com/dc-circuits/voltage-source-and-current-source/
Gambar 7. Nilai tegangan terhadap arus atau waktu.

Gambar 5, Gambar 6, dan Gambar 7 adalah bentuk representasi tegangan DC ideal. Nilai tegangan tidak berubah meskipun arus yang melewati beban berubah (karena perubahan nilai beban). Begitu juga nilai tegangan tidak berubah terhadap waktu, yang artinya sumber tegangan memiliki cadangan energi yang tidak terbatas. Tentu saja sumber tegangan yang benar-benar ideal seperti ini tidak ada. Tetapi meskipun begitu tetap menjadi acuan untuk sistem catu daya, termasuk pada sistem (sub-sistem) penyearah.

Maka dari itu anda bisa melihat bahwa dari sisi kualitas penyearahan, nilai ideal yang hendak dicapai (didekati semaksimal mungkin) adalah seperti di tabel di Gambar 8 berikut ini.

Gambar 8. https://www.slideshare.net/zunaibali/multiphasee

Sebagian dari isi tabel juga dapat anda lihat di file skripsi Randa Novendi (revisi versi 6) berikut. Ada beberapa koreksi lagi, parameter No 1 seharusnya adalah Idc bukan Tdc. Parameter no 2 seharusnya ditulis Form Factor (FF). Parameter no 3 seharusnya ditulis sebagai Ripple Factor (RF).

Gambar 9.

Setelah mengetahui nilai kualitas penyearahan ideal seperti apa yang hendak dicapai, kita bisa mulai membandingkan kualitas dari masing-masing tipe penyearah yang umum dipergunakan. Dari sana kita bisa memiliki pemahaman kapan kita menggunakan satu tipe penyearah dan kapan perlu mempergunakan tipe yang lain.

Cobalah secara mandiri perhitungan dan percobaan di dua artikel berikut ini. Jika perlu, ulang kembali untuk memperkuat pemahaman anda.

Bandingkanlah kembali hasil praktik anda dengan artikel-artikel tersebut. Carilah informasi mengenai hal serupa di Google Books, lalu bandingkan antara sumber-sumber informasi yang anda dapatkan. Apakah semua menyatakan/menyebutkan hal yang sama?

Kemudian cobalah mencari keterangan mengapa tipe penyearah ini masih dipakai. Apa contoh penerapannya/penggunaannya?

Sering kali dalam bidang electronics engineering kita perlu mencari komponen berdasarkan spesifikasi tertentu. Kita perlu mencari berdasarkan parameter komponen. Beberapa situs penjualan komponen menyediakan fasilitas pencarian semacam ini. Contohnya Digikey.com dan Mouser.com. Sayangnya situs Digikey sering sulit diakses dari beberapa penyedia sambungan Internet di Indonesia (biasanya IndiHome cukup lancar). Karena itu sebagai contoh saya mempergunakan situs Mouser. Anda bisa berlatih dengan mencobanya sendiri.

Gambar 10. Pencarian komponen berdasarkan parameter.

Untuk mewujudkan rangkaian penyearah setengah gelombang satu fase, ada beberapa cara yang bisa dipakai. Misalnya dengan menggunakan breadboard. Cara lain adalah dengan menggunakan papan PCB veroboard/protoboard.

Untuk rangkaian catu daya yang lebih permanen sebaiknya dibuat dengan menggunakan jalur pada PCB.

Gambar 11. PCB Droid

Di sistem smartphone Android anda bisa mempergunakan PCB Droid sebagai salah satu alternatif software untuk merancang jalur PCB.

Di PC dengan sistem operasi Microsoft Windows anda bisa mempergunakan software EasyEda seperti di Gambar 12. Anda juga bisa mencoba mempergunakannya melalui web browser seperti Chrome atau Firefox (Gambar 13).

Gambar 12. Software EasyEda di PC (laptop).
Gambar 13. EasyEda di web browser.
Gambar 14. EasyEda schematic (web browser).
Gambar 15. 2D view.
Gambar 16. 3D view.

Dahulu saya lebih cenderung mempergunakan software Eagle untuk keperluan membaca dan merancang file untuk jalur pada PCB. Terutama sekali karena library komponen dari Adafruit dan Sparkfun telah tersedia dengan jumlah komponen yang banyak. Kedua pustaka ini pula yang dipergunakan oleh banyak desainer.

Tetapi seiring waktu EasyEda telah menunjukkan banyak perbaikan dan peningkatan. Termasuk dalam hal jumlah komponen dalam pustaka standar mereka. Karena itu sebagai adaptasi saya sekarang memilih untuk mencoba kembali EasyEda.

Selain peralihan dari Eagle ke EasyEda, juga Sequel dan ExpressPCB tidak lagi dipergunakan di semester ini. Sedangkan Fritzing hanya akan dipakai sebagai peraga. Sebab sekalipun masih tetap gratis, tetapi untuk sistem operasi Windows programnya tidak lagi disediakan secara resmi versi yang siap pakai. Anda perlu membayar untuk mendapatkannya atau perlu melakukan kompilasi sendiri.