Dasar penyearah setengah gelombang (half-wave rectifier)

Sebelumnya telah dibahas mengenai mengenai bagaimana kita mulai belajar komponen pensaklar elektronika dengan mengenal komponen pensaklar dengan mempelajari simulasi sakelar dengan bantuan LTspice. Dari sana kita sudah bisa mulai menerka bagaimana kira-kira tanggapan tegangan dan arus pada komponen pensaklar. Kemudian kita mempelajari diode sebagai komponen sakelar yang tidak bisa dikendalikan. Sebenarnya rangkaian pada artikel ini juga sama dengan rangkaian pada artikel itu. Bedanya pada artikel yang lalu titik beratnya pada diode sebagai komponen sakelar, sedangkan pada artikel ini titik beratnya pada komponen resistor sebagai beban.

Salah satu filosofi dasar di ilmu sistem kendali menyatakan sebelum kita mengendalikan sesuatu, kita seharusnya paham tentang apa yang akan kita kendalikan itu. Ungkapan yang sederhana tetapi dakam dan sering sungguh sulit untuk dipraktikkan. Karena itu agar proses belajar dapat berlangsung secara lebih sistematis, sebelumnya kita telah membahas tentang gelombang sinus. Tegangan A.C. yang akan kita searahkan mengambil bentuk sinus (sine) maka kita harus berusaha terlebih dahulu untuk memahaminya sebelum berusaha menyearahkannya 😀.

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.


Gambar 1. Rangkaian percobaan (simulasi LTspice dan uji hardware).


Gambar 2. Hasil simulasi dengan LTspice.

Gambar 2 menunjukkan hasil simulasi rangkaian penyearah setengah gelombang (half-wave rectifier) berupa tegangan pada beban yaitu komponen resistor 100 Ohm.


Gambar 3. Hasil uji dengan DSO.

Pada Gambar 3, kita bisa melihat hasil pengujian rangkaian dengan konfigurasi sama dengan rangkaian yang disimulasikan pada Gambar 1. Kurva berwarna kuning, adalah kurva CH1 (kanal satu) yang pada percobaan kali ini dipergunakan untuk mengukur tegangan terminal. Yaitu tegangan antara anode pada diode dengan ground (common, terminal negatif catu atau titik kembali arus ke sumber catu daya). Pada simulasi di Gambar 1, ini adalah tegangan (beda potensial) antara node n001 dengan gnd.

Sedangkan kurva yang berwarna cyan adalah hasil pengukuran dengan CH2 (kanal dua pada DSO). Pada percobaan ini, CH2 dipergunakan untuk mengukur tegangan pada beban berupa resistor. Pada Gambar 1, ini artinya antara node n002 dengan node gnd.

Di Gambar 3 ini juga kita bisa melihat tegangan di resistor yang diukur oleh CH2 sebenarnya mewakili arus pada rangkaian. Dan bentuk gelombangnya yang seperti terpotong itu memberi informasi kepada kita bahwa diode hanya bisa menghantar seperti sakelar tertutup pada siklus positif. Yaitu saat nilai tegangan pada anode diode lebih positif daripada sisi anodenya. Saat diode menghantar, seperti sakelar yang tertutup, maka ada arus yang mengalir. Arus yang mengalir melintasi komponen resistor akan menimbulkan tegangan listrik, seperti yang telah diperlihatkan pada kurva CH2 pada Gambar 3.


Gambar 4. Bentuk gelombang hasil pengujian yang tidak ideal.

Pada Gambar 4, kita bisa lebih melihat bahwa dalam pengujian ini, seperti yang sering terjadi, bentuk gelombang sinus pada input tidaklah ideal. Maka gelombang hasil penyearahan juga tidak akan ideal.


Gambar 5. Parameter pengukuran rangkaian penyearah setengah gelombang.


Gambar 6. Informasi detail parameter pengukuran pada CH1.


Gambar 7. Informasi detail parameter pengukuran pada CH2.

Mengenai Vmax, Vtop, Vmin dan Vbase, dapat mengacu pada keterangan dari Agilent 3000 X-Series Oscilloscopes Advanced Training Guide:

At this point, you may be wondering what the difference is between the “top” of a waveform (Vtop) versus the “maximum” of a waveform (Vmax), as well as the difference between the “base” of a waveform (Vbase) versus  the “minimum” of a waveform (Vmin).

Vtop is the steady- state high level of the waveform. This is the voltage level of the waveform after the overshoot and ringing have settled. Likewise, Vbase is the steady- state low level of the waveform. For digital pulse parameter measurements, Vtop and Vbase are often more important parameters to measure than the absolute maximum and minimum voltages of the waveform (Vmax and Vmin), which are the peak values of the overshoot.

 

Sebelum melanjutkan pembahasan, jika anda belum membaca artikel yang saya susun sebelumnya, tentang sakelar, maka ada baiknya melihat artikel tersebut sebelum melanjutkan membaca pembahasan pada tulisan ini.

Sebelum kita membahas hasil simulasi LTspice dengan model komponen yang sesungguhnya (1N4007) dan hasil pengukuran rangkaian dengan tipe diode yang sama, kita perlu kembali ke bentuk sakelar yang ideal.


Gambar 8. Simulasi penyearah setengah gelombang dengan sakelar sebagai pengganti diode.

Seperti yang telah dibahas sebelumnya, diode dapat dianggap sebagai sakelar (tanpa kendali) yang tidak ideal. Terutama jika model SPICE yang kita pergunakan adalah model dari komponen sesungguhnya. Maka, untuk memudahkan pembahasan, kita mulai dengan model komponen yang lebih ideal, yaitu sakelar. Pada Gambar 8, kita mempergunakan sakelar sebagai pengganti diode 1N4007. Dengan demikian untuk sementara secara sistematis kita mempermudah proses belajar dengan menyingkirkan sedapat mungkin sumber ketidakidealan.


Gambar 9. Hasil simulasi half wave rectifier dengan LTspice.

Gambar 9 adalah hasil simulasi dari rangkaian pada Gambar 8, yaitu bentuk gelombang tegangan dari masing-masing node nd1 dan n001 terhadap node gnd.Pada gambar ini kita juga bisa memperoleh data berupa tegangan puncak, Vpeak = 16.799945V, tegangan rata-rata Vaverage = 5.3476V, dan tegangan efektif Vrms = 8.4V. Informasi ini nanti akan kita pergunakan dalam perhitungan. Bisa diperhatikan dengan contoh yang menggunakan model sakelar ideal ini, tidak ada jatuh tegangan pada sakelar. Tegangan puncak Vpeak = 16.799945V, sama nilainya antara  node nd1 terhadap gnd maupun dengan node n001 terhadap gnd.


Gambar 10. Persamaan untuk menentukan nilai rata-rata pada penyearah Vavg


Gambar 11. Pembulatan hasil perhitungan.

Berdasarkan capture pada Gambar 10 dan Gambar 11, kita memperoleh nilai tegangan rata-rata pada beban resistor di rangkaian penyearah setengah gelombang adalah 0.318 dari nilai tegangan puncak tegangan sinus masukan. Secara ringkas:

Vaverage = 0.318 x Vpeak input,

Pada hasil contoh simulasi di Gambar 9, persamaan ini menjadi Vaverage = 0.318 x Vpeak_V(n001) . Jika hasil simulasi numeris dimasukkan maka perhitungan manjadi   Vaverage = 0.318 x 16.799945 = 5.3424 Volt. Hasil ini tidak jauh berbeda dengan hasil perhitungan simulasi LTspice yaitu Vaverage = 5.3476 V. Bahkan kalau kita melakukan perhitungan menggunakan kalkulator dengan menggunakan (16.799945 / pi) maka hasil pembulatannya sama, yaitu 5.3476 V.

Pada Gambar 2 dengan model diode 1N4007 memberikan hasil perhitungan Vaverage = 0.318 x 16.799945 = 5.088712956 Volt = 5.089 Volt. Hasil perhitungan simulasi LTspice tidak jauh berbeda yaitu Vaverage = 4.9713V. Jatuh tegangan pada diode dalam simulasi ini adalah 0.7977 Volt.

Jika kita melakukan perhitungan untuk komponen dan sistem riil, perlu diperhatikan adanya jatuh tegangan pada komponen diode. Karena alasan inilah kita menggunakan sakelar ideal pada simulator LTspice sembagai permulaan untuk belajar seperti terlihat pada Gambar 8.

Untuk perhitungan pada pengujian komponen riil pada Gambar 7 dan Gambar 6, kita melakukan perhitungan nilai tegangan rata-rata sebagai berikut.

Vaverage = 0.318 x Vpeak input,

Vaverage = 0.318 x 16.80 V = 5.3424 V, nilai ini sama dengan perhitungan untuk sakelar pada Gambar 8. Tetapi nilai ini tentu jauh dari nilai pengukuran yang dilakukan dengan DSO pada komponen riil. Begitupun jika kita menggunakan Vtop dan bukan Vmax, hasilnya masih cukup jauh dari nilai pengukuran Vmean.  Jatuh tegangan pada diode (Vforward) tidak diikutkan pada perhitungan ini.

Salah satu pilihan adalah dengan menggunakan nilai tegangan puncak pada beban, sehingga jatuh tegangan pada diode bisa diabaikan. Ini jalan yang baik untuk sementara dalam upaya melakukan pembuktian,

Vaverage = 0.318 x Vpeak beban_resistor.

Maka nilai perhitungan menjadi  Vaverage = 0.318 x 15.20 V = 4.838 V, nilai ini berbeda dengan hasil pengukuran yaitu 4.40 Volt. Perbedaan ini dapat diduga antara lain sebagai akibat dari bentuk gelombang tegangan masukan yang tidak sempurna mengikuti bentuk gelombang sinus. Sehingga faktor pengali tidak lagi menghasilkan nilai yang tepat.

Jika kita mengunakan nilai Vtop (mengabaikan kemungkinan noise atau kesalahan pengukuran berupa spike) untuk menghitung jatuh tegangan pada diode di Gambar 6 dan Gambar 7. Maka hasilnya kita memperoleh 16.0 V – 15.0 V = 1 V.

Sebelum melanjutkan ke pembahasan rms, ada baiknya kita meninjau lagi tentang nilai tegangan rata-rata. Agar di masa depan kebingungan yang tidak perlu dapat dihindari. Coba perhatikan persamaan yang di-capture pada gambar berikut:


Gambar 12. Perbandingan persamaan nilai rata-rata.

Gambar 12 sebenarnya berisi dua bagian blok persamaan, di bagian atas adalah persamaan nilai rata-rata setengah gelombang yang dipergunakan untuk mewakili nilai rata-rata sesungguhnya pada gelombang sinus sat siklus penuh yang bernilai nol. Di bagian bawah adalah persamaan nilai rata-rata untuk penyearah setengah gelombang. Perhatikan perbedaan antara Vaverage = 0.637 x Vpeak input, dengan Vaverage = 0.318 x Vpeak input. Pada persamaan integral, batas bawahnya sama yaitu 0 (nol), batas atasnyapun sama yaitu pi radian (180 derajat). Perbedaannya jelas terlihat ada pada pembagi. Persamaan yang di atas (persamaan untuk mewakili satu siklus penuh) menggunakan pembagi pi radian (180 derajat). Artinya luasan yang dicari hanya daerah dibawah kurva pada setengah siklus saja. Jadi nilai rata-rata sebenarnya dihitung hanya untuk setengah sikus. Sebab berdasar perhitungan yang kita bisa lihat pada Gambar 7 di artikel sebelumnya, nilai rata-rata untuk satu gelombang penuh adalah 0.

Pada persamaan bagian bawah pembagi adalah 2*pi bukan pi. Sebab nilai rata-rata yang dihitung untuk penyearah setengah gelombang adalah untuk satu sikus penuh, sebab masukkannya memang berupa gelombang bolak-balik (AC) satu siklus penuh (pi radian atau 360 derajat).

RMS

Berikutnya kita mempelajari perhitungan nilai R.M.S. untuk penyearah setengah gelombang ini.


Gambar 13. Perhitungan persamaan untuk nilai rms pada penyearah setengah gelombang.


Gambar 14. Pembulatan untuk perhitungan nilai rms.

Dari perhitungan yang di-capture pada Gambar 13 dan Gambar 14, kita bisa mengetahui bahwa sesungguhnya nilai rms pada beban resistif di rangkaian half wave rectifier ini nilainya adalah separuh dari nilai puncak pada input. Atau, dengan pembulatan, nilainya rms pada beban resistif setara dengan 0.707 x nilai rms pada input.

Misalnya pada contoh hasil simulasi dengan sakelar ideal pada Gambar 9, nilai rms pada beban adalah roundoff(16.799945/2, 3) = 8.4 V. Persis sama dengan hasil simulasi LTspice. Sedangkan perhitungan untuk hasil simulasi dengan model diode 1N4007 pada Gambar 2, nilai simulasi tidak mencapai 8.4 V seperti pada perhitungan manual dengan kalkulator. Ini disebabkan adanya, lagi, jatuh tegangan pada diode. Jika kita menggunakan nilai tegangan puncak pada resistor dan bukan nilai tegangan puncak pada masukkan (tegangan terminal), maka hasilnya akan lebih mendekati hasil perhitungan simulator LTspice. Nilai perhitungannya adalah roundoff(16.002242/2, 3) = 8.001 V, sedang nilai hasil simulasi sebesar 7.9055 V.

Untuk perhitungan dengan komponen yang nyata, dengan bentuk gelombang tegangan masukan yang tidak berupa gelombang sinus ideal, hasilnya akan lebih jauh lagi berbeda dengan hasil perhitungan.

Vrms = 0.5 x Vpeak input.

Tabel 1. Perhitungan Vrms pada beban resistif.

No   Vpeak Vrms_beban Keterangan
1 0.5 16.80 8.40 Vpeak ≈ Vmax input
2 0.5 16.00 8.00 Vpeak ≈ Vtop input
3 0.5 15.20 7.60 Vpeak ≈ Vmax beban
4 0.5 15.00 7.50 Vpeak ≈ Vtop beban

Berdasarkan pengukuran dengan DSO pada CH2, nilai tegangan rms pada beban komponen resistor adalah 7.40 V, sebagimana terlihat pada Gambar 7. Mengacu pada nilai ini maka hasil perhitungan yang paling mendekati pada Tabel 1, adalah jika kita menggunakan nilai Vtop pada beban dan bukannya Vpeak dari gelombang input. Atau kita bisa memodifikasi persamaan untuk memasukkan jatuh tegangan pada diode yang terbukti tidak bisa diabaikan (selain faktor bentuk gelombang sinus yang tidak ideal).

Vrms = 0.5 x (Vpeak input – Vforward diode).

Sedangkan persamaan ;Vrms = 0.5 x sqrt(2) x Vrms input, menghasilkan nilai 0.5 x sqrt(2) x 12.4 V = 8.7681 V.

 

 

Penting untuk mengetahui penggunaan substitusi untuk Vpeak pada manipulasi aljabar untuk perhitungan penyearah setengah gelombang ini , mari perhatikan gambar berikut:


Gambar 15. Subtitusi nilai Vpeak dengan nilai Vrms.

Nilai Vrms yang dipakai adalah nilai Vrms untuk satu siklus penuh gelombang, seperti pada gambar di bawah ini:


Gambar 16. Perhitungan Vrms untuk satu siklus penuh gelombang sinus.

Tabel 2. Perbandingan antara teori dengan perhitungan dari hasil pengukuran.

Pada diode di rangkaian penyearah setengah gelombang ini, kurva tegangan dan kurva arus tampak bergantian, selang seling seperti pada gambar berikut (Gambar 17) yang berasal dari artikel sebelumnya tentang komponen diode. Jika lupa, untuk bisa memahami kembali gambar ini ingatlah bahwa diode pada dasarnya dapat diumpamakan sebagai sebuah sakelar elektronik. Pada sakelar, saat terbuka dan tidak menghantarkan arus maka akan ada tegangan di antara node-node atau kaki-kakinya, jika sakelar itu sebenarnya adalah bagian dari suatu loop tertutup (circuit) yang dihubungkan dengan catu daya. Sebaliknya, pada rangkaian yang sama, jika sakelar itu dalam keadaan tertutup (menghantar) maka akan sakelar kehilangan besar tegangan, ini seperti gejala hubung singkat. Tetapi pada saat yang sama arus yang melintasi sakelar dan melintasi komponen lain (dalam percobaan ini adalah komponen resistor) akan menimbulkan kenaikan besar tegangan listrik di komponen lain.

Karena diode dan resistor dalam rangkaian uji coba ini terhubung secara seri. Nilai arus pada resistor di rangkaian percobaan ini, lagi, adalah nilai tegangan antara kali-kalinya dibagi dengan nilai resistansinya, dan sama dengan nilai arus pada diode saat yang sama. Kita bisa mengabaikan polaritas gelombang pada Gambar 17 berikut, yang terpenting untuk artikel ini gambar tersebut bisa memberikan gambaran tegangan dan arus di diode yang tampak berselang-seling sebagai akibat pensaklaran.


Gambar 17. Gelombang tegangan pada diode (kuning) dan resistor (biru / cyan) yang belum dibalik.


Gambar 18. Kurva hijau menggambarkan arus pada rangkaian (diode & resistor) dan kurva biru menggambarkan tegangan sumber.

PIV

NIlai PIV (peak inverse voltage) atau PRV (peak reverse voltage) yang berulang (repetitive, VRRM) dapat diketahui dari nilai tegangan puncak balikan seperti pada Gambar 2 atau Gambar 3 atau Gambar 6. Nilainya adalah nilai tertinggi gelombang sinus masukan, Vpeak. Berdasarkan persamaan pada Gambar 10, maka kita mengetahui Vavg_beban = Vpeak_input / pi. Jika persamaannya diubah maka  Vpeak_input = pi x Vavg_beban atau dengan pembulatan; Vpeak = 3.14 x Vavg. Begitu pula dari Gambar 16, kita bisa memperoleh persamaan Vrms_input = Vpeak_input / sqrt(2), yang dapat diubah menjadi Vpeak_input = Vrms_input x sqrt(2) = Vrms_input x 1.41 V.

Pada contoh Gambar 6 dan Gambar 7, kita mengetahui bahwa nilai PIV (atau PRV) minimal adalah nilai Vpeak yaitu 16.8 Volt. Jika yang tersedia adalah nilai Vavg_beban maka kita dapat mencari dengan Vpeak_input = pi x Vavg_beban atau misalnya Vpeak_input = pi x 4.40 V = 13.82 V. Jika yang diketahui adalah nilai Vrms_input makaVpeak_input = Vrms_input x sqrt(2) = 12.4 x sqrt(2) = 17.54 V. Dari beberapa perhitungan di paragraf ini kita memperoleh nilai PIV yang berbeda-beda. Pelajaran moralnya adalah kita lebih aman dan lebih baik mengambil nilai tegangan yang tertinggi sebagai PIV, ditambah spasi yang besar untuk antisipasi.

Sebagai contoh, kutipan datasheet yang memuat nilai PIV atau PRV atau VRRM dan parameter dasar penting lainnya terdapat di halaman berikut ini.

 

font cache: Ψ α β π θ μ Φ φ ω Ω ° ~ ± ≈ ≠ ≡ ≤ ≥ ∞ ∫ • ∆

Belajar Menggunakan Diode [updated]

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 1.

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 2.

Gambar 3.

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.

Gambar 4.

Gambar 5.

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 6.

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:

Gambar 7.

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

Gambar 8.

 

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:


Gambar 9.

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


Gambar 10.

Percobaan pertama dilakukan dengan menggunakan rangkaian dasar berikut:


Gambar 11.

Rangkaian di atas jika disimulasikan akan menghasilkan grrafik sebagai berikut:


Gambar 12.

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).


Gambar 13.


Gambar 14.


Gambar 15.

 

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


Gambar 16.


Gambar 17.

 

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:


Gambar 18.

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.

 


Gambar 19.

 

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.


Gambar 20.

 

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.


Gambar 21.

 

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.


Gambar 22.

 

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


Gambar 23.

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).


Gambar 24.

 

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).


Gambar 25.

 

Berikut adalah tampilan informasi untuk CH2 yang gelombangnya belum dibalik.


Gambar 26.

 

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


Gambar 27.

 

TEGANGAN BIAS MAJU

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


Gambar 28.

 

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


Gambar 29.

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.


Gambar 30.


Gambar 31.

 

SIMULASI WILAYAH BREAKDOWN

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


Gambar 32.


Gambar 33.

 

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.


Gambar 34.


Gambar 35.

 

SIMULASI VARIABLE RESISTOR DENGAN CATU DAYA TEGANGAN SINUS

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


Gambar 36.


Gambar 37.

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.