Perbaikan Dioda: Setengah Gelombang, Gelombang Penuh, PIV

Dalam elektronik, penyearah adalah proses di mana dioda penyearah mengubah sinyal input AC siklus penuh bolak-balik menjadi sinyal output DC setengah siklus.

Dioda tunggal menghasilkan penyearah setengah gelombang, dan jaringan 4 dioda menghasilkan penyearah gelombang penuh

Dalam posting ini kita akan menganalisis proses penyearah dioda setengah gelombang dan gelombang penuh, dan properti lainnya melalui fungsi yang bervariasi waktu seperti gelombang sinus dan gelombang persegi. Artinya, melalui tegangan dan arus yang mengubah besaran dan polaritasnya terhadap waktu.

Kami akan menganggap dioda sebagai dioda ideal dengan mengabaikan apakah itu dioda silikon atau Germanium, untuk meminimalkan komplikasi dalam perhitungan. Kami akan menganggap dioda sebagai dioda penyearah standar dengan kemampuan penyearah standar.

Perbaikan Setengah Gelombang

Diagram paling sederhana yang menunjukkan sinyal variasi waktu yang diterapkan ke dioda ditunjukkan pada diagram berikut:

Di sini kita dapat melihat bentuk gelombang AC, di mana periode T menandakan satu siklus penuh dari bentuk gelombang, yang merupakan nilai rata-rata atau jumlah aljabar dari bagian-bagian atau punuk di atas dan di bawah sumbu tengah.

Jenis rangkaian ini di mana dioda penyearah tunggal diterapkan dengan input sinyal AC sinusoidal yang bervariasi waktu untuk menghasilkan output DC yang memiliki nilai setengah dari input disebut penyearah setengah gelombang . Dioda disebut sebagai penyearah di sirkuit ini.

Selama periode antara t = 0 → T / 2 bentuk gelombang AC, polaritas tegangan vi menciptakan 'tekanan' ke arah seperti yang digambarkan pada diagram di bawah ini. Ini memungkinkan dioda untuk AKTIF dan bekerja dengan polaritas seperti yang ditunjukkan tepat di atas simbol dioda.

Karena dioda bekerja penuh, mengganti dioda dengan hubung singkat, akan menghasilkan keluaran seperti yang ditunjukkan pada gambar sisi kanan atas.

Tidak diragukan lagi, keluaran yang dihasilkan tampaknya merupakan replikasi yang tepat dari sinyal masukan yang diterapkan di atas sumbu pusat bentuk gelombang.

Selama periode T / 2 → T, polaritas sinyal input vi menjadi negatif, yang menyebabkan dioda menjadi OFF, menghasilkan ekuivalen rangkaian terbuka di seluruh terminal dioda. Karena itu, muatan tidak dapat mengalir melintasi jalur dioda selama periode T / 2 → T, menyebabkan vo menjadi:

vo = iR = 0R = 0 V (menggunakan Hukum Ohm). Respon tersebut dapat divisualisasikan dalam diagram berikut:

Pada diagram ini kita dapat melihat keluaran DC Vo dari dioda menghasilkan daerah positif rata-rata bersih di atas sumbu, untuk masukan siklus penuh, yang dapat ditentukan dengan rumus:

Vdc = 0,318 Vm (setengah gelombang)

Tegangan input vi dan output vo selama proses penyearah setengah gelombang dioda disajikan pada gambar berikut:

Dari diagram dan penjelasan di atas kita dapat mendefinisikan penyearah setengah gelombang sebagai proses di mana setengah dari siklus masukan dihilangkan oleh dioda pada keluarannya.

Menggunakan Silicon Diode

Ketika dioda silikon digunakan sebagai dioda penyearah, karena ia memiliki karakteristik penurunan tegangan maju VT = 0,7 V, ia menghasilkan daerah bias maju seperti yang ditunjukkan pada gambar berikut:

VT = 0,7 V berarti bahwa sekarang sinyal input harus minimal 0,7 V untuk memastikan dioda berhasil ON. Jika input VT kurang dari 0,7 V akan gagal untuk menyalakan dioda dan dioda akan terus berada dalam mode sirkuit terbuka, dengan Vo = 0 V.

Sementara dioda berjalan selama proses penyearah, ia menghasilkan keluaran DC yang membawa tingkat tegangan tetap untuk perbedaan tegangan vo - vi, sama dengan penurunan maju yang dibahas di atas sebesar 0,7 V. Kita dapat menyatakan tingkat tetap ini dengan rumus berikut:

vo = vi - VT

Ini menghasilkan penurunan tegangan keluaran rata-rata di atas sumbu, menyebabkan sedikit pengurangan bersih keluaran yang diperbaiki dari dioda.

Mengacu pada gambar di atas, jika kita menganggap Vm (level sinyal puncak) cukup tinggi daripada VT, sehingga Vm >> VT, kita dapat mengevaluasi nilai keluaran DC rata-rata dari dioda menggunakan rumus berikut, dengan cukup akurat.

Vdc ≅ 0,318 (Vm - VT)

Lebih tepatnya, jika puncak AC input cukup lebih tinggi dari VT (penurunan ke depan) dari dioda, maka kita dapat menggunakan rumus sebelumnya untuk memperkirakan output DC yang diperbaiki dari dioda:

Vdc = 0,318 Vm

Contoh Terpecahkan untuk Penyearah Setengah Jembatan

Masalah:

Evaluasi output vo dan cari tahu besarnya DC output untuk desain rangkaian yang ditunjukkan di bawah ini:

Larutan: Untuk jaringan sirkuit di atas, dioda akan ON untuk bagian negatif dari sinyal input, dan vo akan seperti yang ditunjukkan pada sketsa berikut.

Untuk periode penuh siklus input AC, output DC akan menjadi:

Vdc = 0,318Vm = - 0,318 (20 V) = - 6,36 V.

Tanda negatif menunjukkan polaritas keluaran DC yang berlawanan dengan tanda yang diberikan pada diagram di bawah masalah.

Masalah # 2: Selesaikan masalah di atas dengan mempertimbangkan dioda sebagai dioda silikon.

Dalam kasus dioda silikon, bentuk gelombang keluaran akan terlihat seperti ini:

Dan output DC akan dapat dihitung seperti yang dijelaskan di bawah ini:

Vdc ≅ - 0,318 (Vm - 0,7 V) = - 0,318 (19,3 V) ≅ - 6,14 V

Penurunan tegangan DC keluaran karena faktor 0,7 V sekitar 0,22V atau sekitar 3,5%

Perbaikan Gelombang Penuh

Ketika sinyal sinusoidal AC digunakan sebagai masukan untuk rektifikasi, keluaran DC dapat ditingkatkan ke level 100% menggunakan proses rektifikasi gelombang penuh.

Proses yang paling terkenal dan mudah untuk mencapai ini adalah dengan menggunakan 4-dioda penyearah jembatan jaringan seperti yang ditunjukkan di bawah ini.

Ketika siklus input positif berlangsung melalui periode t = 0 ke T / 2, polaritas sinyal input AC melintasi dioda dan output dari dioda seperti yang ditunjukkan di bawah ini:

Di sini, kita dapat melihat bahwa karena pengaturan khusus dari jaringan dioda di jembatan, ketika D2, D3 berjalan, dioda yang berlawanan D1, D4 tetap bias terbalik dan dalam keadaan dimatikan.

Output bersih DC yang dihasilkan dari proses rektifikasi ini melalui D2, D3 dapat dilihat pada diagram di atas. Karena kita telah membayangkan dioda menjadi ideal, hasilnya adalah vo = vin.

Sekarang, juga untuk setengah siklus negatif dari dioda sinyal input D1, D4 konduksi, dan dioda D2, D3 masuk ke keadaan OFF, seperti yang diilustrasikan di bawah ini:

Kita dapat dengan jelas melihat bahwa output dari penyearah jembatan telah mengubah setengah siklus positif dan negatif dari input AC menjadi dua setengah siklus DC di atas sumbu pusat.

Karena daerah di atas sumbu sekarang dua kali lebih banyak daripada daerah yang diperoleh untuk penyearah setengah gelombang, keluaran DC juga akan menjadi dua kali lipat besarnya, seperti yang dihitung menggunakan rumus berikut:

Vdc = 2 (0,318Vm)

atau

Vdc = 0.636Vm (gelombang penuh)

Seperti yang digambarkan pada gambar di atas, jika alih-alih dioda ideal, dioda silikon digunakan, menerapkan hukum tegangan Kirchhoff pada saluran konduksi akan memberi kita hasil sebagai berikut:

vi - VT - vo - VT = 0, dan vo = vi - 2VT,

Oleh karena itu, puncak tegangan keluaran vo adalah:

Vomax = Vm - 2VT

Dalam situasi di mana V >> 2VT, kita dapat menggunakan persamaan sebelumnya untuk mendapatkan nilai rata-rata dengan tingkat presisi yang cukup tinggi:

Vdc ≅ - 0,636 (Vm - 2VT),

Namun sekali lagi, jika kita memiliki Vm secara signifikan lebih tinggi dari 2VT, 2VT dapat diabaikan begitu saja, dan persamaannya dapat diselesaikan sebagai:

Vdc ≅ - 0,636 (Vm)

PIV (Tegangan Terbalik Puncak)

Tegangan terbalik puncak atau peringkat (PIV) yang juga kadang-kadang disebut peringkat tegangan balik puncak (PRV) dari dioda menjadi parameter penting saat merancang rangkaian penyearah.

Ini pada dasarnya adalah rentang tegangan bias balik dioda yang tidak boleh dilampaui, jika tidak, dioda dapat rusak dengan transit ke wilayah yang disebut wilayah longsoran zener.

Jika kita menerapkan hukum tegangan Kirchhoff ke rangkaian penyearah setengah gelombang seperti yang ditunjukkan di bawah ini, itu hanya menjelaskan bahwa peringkat PIV dari dioda harus lebih tinggi dari nilai puncak input suplai yang digunakan untuk input penyearah.

Untuk penyearah jembatan penuh juga, perhitungan peringkat PIV sama dengan penyearah setengah gelombang, yaitu:

PIV ≥ Vm, karena Vm adalah tegangan total yang diterapkan ke beban terhubung seperti yang digambarkan pada gambar berikut.

Contoh Terpecahkan untuk Jaringan Penyearah Jembatan Penuh

Tentukan bentuk gelombang keluaran untuk jaringan dioda berikut, dan hitung juga tingkat DC keluaran dan PIV yang aman untuk setiap dioda dalam jaringan.

Solusi: Untuk setengah siklus positif, rangkaian akan berperilaku seperti yang digambarkan pada diagram berikut:

Kami dapat menggambar ulang ini dengan cara berikut untuk pemahaman yang lebih baik:

Di sini, vo = 1 / 2vi = 1 / 2Vi (max) = 1/2 (10 V) = 5 V

Untuk setengah siklus negatif, peran konduksi dioda dapat dipertukarkan, yang akan menghasilkan keluaran vo seperti yang ditunjukkan di bawah ini:

Tidak adanya dua dioda di jembatan menghasilkan pengurangan keluaran DC dengan besaran:

Vdc = 0,636 (5 V) = 3,18 V.

Ini sama seperti yang kita dapatkan dari penyearah setengah jembatan dengan masukan yang sama.

PIV akan sama dengan tegangan maksimum yang dihasilkan melintasi R, yaitu 5 V, atau setengah dari yang dibutuhkan untuk setengah gelombang yang diperbaiki dengan input yang sama.