Dioda dan penyearah di papan kendali: memilih dan menguji dioda, penyearah setengah gelombang, gelombang penuh, dan jembatan, kapasitor filter dan riak, regulator zener, serta dioda pelindung

Kontroler dispenser deterjen di sebuah laundry hotel mulai berkelakuan aneh. Setiap kali dua pompa peristaltik bekerja bersamaan, relainya berdetak dan layarnya kembali ke tampilan awal. Teknisi mengukur rel 24 V di papan dengan multimeter, mendapat 18,6 V, dan menyimpulkan tegangannya "masih wajar". Ia lalu mengganti pompa, dan gejalanya tetap.

Papan itu memakai trafo 18 V AC, penyearah jembatan, kapasitor filter 2.200 µF, dan regulator 12 V untuk relai. Satu dioda di jembatan ternyata putus. Papan masih bekerja, tetapi dengan penyearahan setengah gelombang: kapasitor hanya diisi lima puluh kali per detik, riaknya berlipat dua, dan pada lembah riak tegangan masuk regulator turun di bawah batas kerjanya. Multimeter mode DC hanya menunjukkan nilai rata-rata, sehingga lembah itu tidak terlihat. Bab ini menjelaskan dioda dan penyearah dari sisi teknisi papan, termasuk perhitungan yang menunjukkan mengapa 18,6 V di kasus ini bukan tanda papan sehat.

Batas pembahasan

Bab ini membahas dioda di papan kendali: rating, rangkaian penyearah, kapasitor filter dan riak, regulator zener, dioda pelindung, pengujian, dan kerusakannya. Fisika sambungan PN, persamaan dioda, LED, dan resistor seri LED ada di Bab 26 · Fisika; komponen pasif, kapasitor elektrolit, dan ESR di Bab 83; transistor penggerak di Bab 85; nilai puncak dan nilai efektif di Bab 4; tegangan induksi koil dan pilihan peredam koil beserta waktu lepasnya di Bab 11; multimeter di Bab 15; keselamatan alat ukur dan kerja aman di Bab 14 dan Bab 76; susunan papan kendali dan diagnosis papan secara keseluruhan di Bab 2 · Komputasional; harmonisa dari penyearah berkapasitor di Bab 10; proteksi surja di instalasi di Bab 35; dan kontroler dispenser laundry di Bab 3 · Dispensing Kimia.

Sumbernya adalah narasi Teknik Elektro dan Elektronika, terutama buku elektronika praktis, buku dasar elektronika, buku troubleshooting dan perbaikan elektronik tanpa skema, manual perbaikan elektronik, buku teknik elektro, dan bahan ajar elektronika dasar berbahasa Indonesia, ditambah pengetahuan umum yang ditandai di peta sumber. Rating dioda tertentu diambil dari lembar data pabrik; angka contoh adalah angka latihan.

Dioda sebagai katup satu arah

Buku teknik elektro dalam narasi menyebut dioda sebagai komponen yang hanya mengizinkan arus mengalir dalam satu arah. Kaki katoda biasanya ditandai garis atau cincin pada badannya. Saat menghantar, dioda menimbulkan tegangan jatuh; buku elektronika praktis mencatat tegangan jatuh maju dioda silikon sekitar 0,6 V, dan bahan ajar elektronika dasar dalam narasi mencatat bahwa tegangan jatuh ini bergantung pada jenis dioda yang dipakai. Dasar fisikanya ada di Bab 26 · Fisika.

Jenis yang lazim di papan kendali (nilai literatur umum):

1. Dioda penyearah silikon: untuk penyearah frekuensi jala-jala, tegangan jatuh sekitar 0,7 sampai 1 V pada arus ratingnya. Buku proyek elektronika dalam narasi mencatat bahwa dioda penyearah boleh dioda silikon apa saja kecuali jenis sinyal kecil.
2. Dioda sinyal: arus kecil, cepat, untuk logika dan pelindung masukan.
3. Dioda Schottky: tegangan jatuh rendah, sekitar 0,2 sampai 0,5 V, cepat, dipakai di catu daya pensakelaran dan pelindung polaritas. Bahan ajar dasar elektronika dalam narasi menyebut dioda Schottky sebagai salah satu jenis dioda.
4. Dioda pemulihan cepat: untuk catu daya pensakelaran dan penggerak motor.
5. Dioda zener: bekerja di daerah tembus balik sebagai acuan tegangan.
6. Dioda penekan tegangan transien (TVS): menjepit lonjakan tegangan.

Rating yang menentukan pilihan (nilai literatur umum): arus maju rata-rata, arus surja sesaat, tegangan balik berulang maksimum, tegangan jatuh maju pada arus kerja, waktu pemulihan balik, dan suhu sambungan. Dioda pengganti harus sama atau lebih baik pada semua rating itu, bukan hanya pada arusnya.

Penyearah setengah gelombang

Buku dasar elektronika dalam narasi mencatat bahwa rangkaian penyearah mengubah masukan AC menjadi keluaran DC yang berdenyut. Penyearah paling sederhana memakai satu dioda: arus hanya mengalir pada setengah siklus positif. Buku troubleshooting dalam narasi mencatat bahwa penyearah setengah gelombang dijumpai pada perangkat tanpa trafo, radio, dan penerapan industri.

Dengan kapasitor filter, tegangan puncaknya adalah

dengan $V_F$ tegangan jatuh dioda. Kapasitor diisi sekali per siklus, sehingga frekuensi riaknya sama dengan frekuensi jala-jala, 50 Hz. Saat dioda tidak menghantar, kapasitor tetap memegang tegangan puncak, sementara sisi lain dioda mencapai puncak negatif trafo, sehingga dioda menahan tegangan balik sekitar dua kali tegangan puncak (nilai literatur umum). Penyearah setengah gelombang juga membuat arus trafo mengalir satu arah saja, sehingga hanya cocok untuk beban kecil.

Penyearah gelombang penuh dan jembatan

Penyearah gelombang penuh memakai kedua setengah siklus, sehingga kapasitor diisi seratus kali per detik pada jala-jala 50 Hz. Ada dua susunan (nilai literatur umum):

1. Trafo bertitik tengah dan dua dioda: tiap dioda menahan tegangan balik sekitar dua kali tegangan puncak setengah belitan, dan hanya satu tegangan jatuh dioda di jalur arus.
2. Jembatan empat dioda: tanpa titik tengah, tiap dioda menahan tegangan balik sekitar satu kali tegangan puncak, tetapi arus melewati dua dioda sekaligus sehingga tegangan jatuhnya dua kali.

Buku elektronika praktis dalam narasi menyebut susunan empat dioda itu penyearah jembatan gelombang penuh, dan bahan ajar elektronika dasar menyebut rangkaian ini bridge full wave rectifier. Buku yang sama mencatat bahwa tegangan DC yang dihasilkan adalah tegangan AC dikalikan 1,414 dikurangi tegangan jatuh dioda 0,6 V, yaitu rumus di atas. Untuk jembatan, yang dikurangkan adalah dua tegangan jatuh.

Di papan kendali, jembatan sering berupa satu komponen berkaki empat yang ditandai dua kaki ~ untuk AC, satu kaki + dan satu kaki −. Di catu daya pensakelaran, jembatan bekerja langsung dari jala-jala, dan seluruh sisi itu bertegangan berbahaya, seperti di Bab 14 dan Bab 76.

Kapasitor filter dan riak

Buku elektronika praktis dalam narasi mencatat bahwa kapasitor yang dipakai di penyearah disebut kapasitor filter. Kapasitor diisi sampai tegangan puncak, lalu mengosongkan diri ke beban sampai pengisian berikutnya. Turunnya tegangan di antara dua pengisian adalah riak. Untuk riak yang kecil dibanding tegangan puncak, berlaku perkiraan:

dengan $I$ arus beban, $C$ kapasitansi, dan $f_r$ frekuensi riak: 50 Hz untuk setengah gelombang dan 100 Hz untuk gelombang penuh pada jala-jala 50 Hz. Perkiraan ini sedikit melebihi riak sebenarnya karena kapasitor diisi lagi sebelum seluruh periode habis, dan makin kasar bila riaknya besar.

Tiga akibat praktis (nilai literatur umum):

1. Lembah riak menentukan apakah regulator masih bekerja. Regulator linear memerlukan tegangan masuk minimum, misalnya tegangan keluaran ditambah sekitar 2 V. Yang menentukan adalah titik terendah riak, bukan nilai rata-rata yang dibaca multimeter mode DC.
2. Arus pengisian berupa pulsa. Dioda hanya menghantar sesaat di dekat puncak gelombang, sehingga arus puncaknya beberapa kali arus beban dan kapasitor menanggung arus riak yang memanaskannya lewat ESR, seperti di Bab 83. Arus pulsa itu juga menimbulkan harmonisa di jala-jala, seperti di Bab 10.
3. Riak berlebih mengganggu rangkaian lain. Manual perbaikan elektronik dalam narasi mencatat bahwa riak DC dapat menimbulkan beberapa masalah pada penerima bila catu daya tidak difilter dengan baik; di papan kendali, akibatnya adalah relai berdetak, bacaan sensor berlompatan, atau mikrokontroler mengatur ulang, seperti di Bab 2 · Komputasional.

Riak dapat diukur dengan multimeter mode AC, yang pada kebanyakan alat memblok komponen DC (periksa manual alatnya), atau lebih baik dengan osiloskop. Bentuk riak yang mendekati gigi gergaji mempunyai nilai efektif sekitar $\Delta V / (2\sqrt{3})$, sehingga bacaan AC 1,6 V berarti riak puncak ke puncak sekitar 5,5 V (nilai literatur umum).

Regulator zener

Buku dasar elektronika dalam narasi menjelaskan dioda zener sebagai dioda silikon yang dirancang untuk tegangan tembus balik tertentu, dan buku elektronika praktis mencatat bahwa tegangan pada dioda zener hampir tetap pada rentang arus yang lebar, dengan tegangan zener yang umum dipakai berkisar 5 sampai 20 V. Regulator zener paling sederhana adalah resistor seri dan zener paralel dengan beban:

Rumus kedua adalah daya zener terburuk, yaitu saat beban dilepas dan tegangan masuk tertinggi, karena seluruh arus resistor lewat zener. Regulator zener cocok untuk arus kecil, misalnya acuan tegangan dan catu sensor; untuk arus besar dipakai regulator transistor atau IC, seperti digambarkan di Bab 2 · Komputasional. Buku troubleshooting dalam narasi menyarankan memeriksa regulator transistor dan dioda zener di dekatnya pada rangkaian regulator tegangan, dan memberi contoh zener yang hubung singkat di catu daya yang membuat satu bagian perangkat berhenti bekerja.

Dioda pelindung

Buku teknik elektro dalam narasi mencatat bahwa dioda sering dipakai untuk melindungi dari polaritas terbalik atau tegangan lebih. Tiga penerapan di papan kendali (nilai literatur umum):

1. Pelindung polaritas: dioda seri di masukan DC memblok arus bila kabel catu terbalik, dengan biaya tegangan jatuh dan panas. Dioda paralel terbalik di masukan memutuskan sekring bila polaritas terbalik.
2. Dioda bebas di koil relai, solenoid, dan katup DC: dipasang paralel koil dengan katoda ke sisi positif. Saat transistor penggerak memutus arus, arus koil berputar lewat dioda, sehingga lonjakan tegangan tidak merusak transistor. Fisika lonjakan, pilihan peredam lain, dan akibatnya pada waktu lepas relai ada di Bab 11. Buku dasar elektronika dalam narasi mencatat bahwa tegangan tinggi saat rangkaian induktif dibuka dapat menimbulkan busur. Dioda bebas dipilih dengan rating arus sekurangnya arus koil dan tegangan balik di atas tegangan catu.
3. Penjepit tegangan transien: TVS atau zener di masukan sinyal dan catu. Buku seni elektronika dalam narasi menyebut elemen penjepit tegangan dua arah yang mirip zener sebagai alternatif peredam RC. Lonjakan di tingkat instalasi diatasi proteksi surja, seperti di Bab 35.

Dioda bebas yang terpasang terbalik membuat sumber terhubung singkat lewat transistor begitu koil diberi tegangan, seperti dicatat di Bab 26 · Fisika. Dioda bebas yang putus atau hilang membuat transistor penggerak rusak berulang kali, yang dibahas di Bab 85.

Menguji dioda dan jembatan

Pengujian dilakukan dengan papan tanpa daya dan kapasitor sudah kosong, seperti di Bab 83 dan Bab 76. Mode dioda multimeter mengalirkan arus kecil dan menampilkan tegangan jatuh (nilai literatur umum):

1. Maju (probe merah di anoda, hitam di katoda): sekitar 0,5 sampai 0,7 V untuk dioda silikon, 0,2 sampai 0,4 V untuk Schottky, makin rendah untuk dioda daya besar.
2. Balik: OL atau tanda terbuka.
3. Hubung singkat: mendekati 0 V di kedua arah. Manual perbaikan elektronik dalam narasi mencatat bahwa dioda yang rusak membaca 0, yang menandakan hubung singkat.
4. Putus: OL di kedua arah.
5. Bocor: bacaan balik tidak OL, atau bacaan maju jauh di bawah normal. Buku troubleshooting dalam narasi menyarankan agar dioda dilepas dan diuji di luar rangkaian bila bacaannya rendah dengan probe dibalik, karena di papan, komponen paralel ikut terbaca.

Jembatan diuji dengan delapan pengukuran: masing-masing dari keempat dioda dalam dua arah, ditambah satu pengukuran dari kaki − ke kaki + yang membaca dua tegangan jatuh berderet, sekitar 1,0 sampai 1,2 V. Uji tanpa daya tidak menemukan dioda yang hanya bocor saat panas atau pada tegangan tinggi. Untuk itu, catu daya diukur saat bekerja di bawah beban: tegangan rata-rata, riak, dan suhu jembatan. Manual perbaikan elektronik dalam narasi menyarankan memeriksa tegangan pada penyearah jembatan, lalu memeriksa transistor dan dioda secara acak untuk menemukan yang bocor atau hubung singkat.

Kerusakan dan penyebabnya

Kerusakan dioda yang lazim dan penyebabnya (nilai literatur umum):

1. Hubung singkat: lonjakan tegangan dari jala-jala atau dari koil tanpa peredam, arus surja pengisian kapasitor yang terlalu besar, atau panas berlebih. Akibatnya sekring putus, seperti di Bab 83.
2. Putus: arus berlebih yang lama. Pada jembatan, satu dioda yang putus membuat penyearahan menjadi setengah gelombang, seperti di kasus pembuka. Buku troubleshooting dalam narasi mencatat bahwa dioda yang hubung singkat atau bocor dapat menimbulkan dengung; di papan kendali, gejalanya relai berdetak dan papan mengatur ulang di bawah beban.
3. Bocor saat panas: dioda yang menua atau terlalu panas karena pendinginnya kurang.
4. Sambungan solder retak di kaki dioda daya dan jembatan karena siklus panas.

Dioda yang rusak berulang kali menunjuk penyebab di luar dioda: kapasitor filter yang terlalu besar atau hubung singkat, beban yang hubung singkat, koil tanpa dioda bebas, atau pendinginan yang kurang.

Contoh kerja

Contoh 1: tegangan puncak jembatan. Trafo 18 V AC memberi puncak $18 \times 1{,}414 = 25{,}5$ V. Lewat jembatan dengan dua tegangan jatuh 0,7 V, tegangan puncak kapasitor $25{,}5 - 1{,}4 = 24{,}1$ V.

Contoh 2: riak normal. Beban 1,2 A dari kapasitor 2.200 µF dengan penyearahan gelombang penuh: $\Delta V = 1{,}2/(100 \times 0{,}0022) = 5{,}45$ V. Titik terendah riak $24{,}1 - 5{,}45 = 18{,}6$ V, dan nilai rata-rata sekitar $24{,}1 - 2{,}7 = 21{,}4$ V.

Contoh 3: satu dioda jembatan putus. Penyearahan menjadi setengah gelombang, sehingga $\Delta V = 1{,}2/(50 \times 0{,}0022) = 10{,}9$ V. Titik terendahnya $24{,}1 - 10{,}9 = 13{,}2$ V, dan nilai rata-rata sekitar $24{,}1 - 5{,}45 = 18{,}6$ V, yaitu angka yang dibaca teknisi di kasus pembuka. Regulator 12 V yang memerlukan masukan sekurangnya 14 V kehilangan pengaturan setiap lembah riak, sehingga relai berdetak dan papan mengatur ulang. Bacaan multimeter mode AC naik dari sekitar $5{,}45/(2\sqrt{3}) = 1{,}6$ V menjadi sekitar $10{,}9/(2\sqrt{3}) = 3{,}1$ V.

Contoh 4: tegangan balik dioda. Dengan puncak trafo 25,5 V, dioda jembatan menahan sekitar 25,5 V; dioda setengah gelombang berkapasitor menahan sekitar $2 \times 25{,}5 = 51$ V. Dengan cadangan sekurangnya dua kali, dioda jembatan dipilih 100 V atau lebih, dan untuk setengah gelombang 200 V atau lebih (nilai literatur umum).

Contoh 5: panas di jembatan. Arus beban 1,2 A melewati dua dioda dengan tegangan jatuh 0,9 V pada arus itu: $2 \times 0{,}9 \times 1{,}2 = 2{,}2$ W. Dengan dioda Schottky bertegangan jatuh 0,45 V, panasnya menjadi $2 \times 0{,}45 \times 1{,}2 = 1{,}1$ W, dan tegangan puncak naik 0,9 V.

Contoh 6: ukuran kapasitor filter. Untuk beban 0,5 A dengan riak paling banyak 2 V pada gelombang penuh: $C = 0{,}5/(100 \times 2) = 0{,}0025$ F = 2.500 µF, dipilih nilai standar berikutnya, 2.700 atau 3.300 µF. Tegangan kerjanya di atas tegangan puncak 24,1 V, misalnya 35 V.

Contoh 7: regulator zener. Masukan 11 sampai 13,5 V, zener 5,1 V, beban paling besar 20 mA, dan arus zener minimum 5 mA: $R_S = (11 - 5{,}1)/0{,}025 = 236$ Ω, dipilih 220 Ω. Pada masukan 11 V arusnya $(11 - 5{,}1)/220 = 26{,}8$ mA, sehingga zener masih mendapat 6,8 mA. Daya zener terburuk $5{,}1 \times (13{,}5 - 5{,}1)/220 = 0{,}195$ W, dipilih zener 0,5 W; daya resistor $(13{,}5 - 5{,}1)^2/220 = 0{,}32$ W, dipilih 1 W.

Contoh 8: dioda bebas untuk koil katup. Koil katup air 24 V DC dengan resistansi 48 Ω menarik $24/48 = 0{,}5$ A. Dioda bebasnya berating sekurangnya 0,5 A dan tegangan balik di atas 24 V; dioda penyearah 1 A, 100 V memenuhi dengan cadangan. Waktu lepas katup menjadi lebih lama, seperti di Bab 11.

Contoh 9: membaca uji jembatan. Pada mode dioda, tiga dioda membaca 0,55 V maju dan OL balik, sedangkan dioda dari kaki ~2 ke kaki + membaca OL di kedua arah. Dioda itu putus, dan pengukuran dari kaki − ke kaki + masih membaca sekitar 1,1 V karena jalur lewat kaki ~1 masih utuh. Inilah sebabnya kedelapan pengukuran dilakukan, tidak hanya pengukuran − ke +.

Kondisi berhenti

Hentikan pekerjaan dan serahkan kepada orang berwenang bila:

1. Penyearah yang diuji bekerja langsung dari jala-jala dan pengukuran harus dilakukan saat bertegangan tanpa alat ukur berkategori sesuai, seperti di Bab 14.
2. Kapasitor filter bertegangan tinggi belum terbukti kosong.
3. Sekring putus lagi sesudah dioda atau jembatan diganti; penyebab hubung singkatnya belum ditemukan.
4. Dioda pengganti dengan rating setara tidak tersedia dan pemilik meminta dioda yang lebih kecil dipasang sementara.
5. Papan berasal dari fungsi keselamatan mesin, misalnya kunci pintu atau pembatas suhu, sehingga harus diganti dengan suku cadang asli.

Salah tafsir yang sering terjadi

1. "Tegangan DC rata-rata normal berarti catu daya sehat." Lembah riak yang menentukan apakah regulator masih bekerja.
2. "Satu dioda jembatan putus akan mematikan papan." Papan masih bekerja dengan setengah gelombang dan riak dua kali lipat.
3. "Kapasitor filter makin besar makin baik." Kapasitor yang terlalu besar menaikkan arus surja dan arus puncak dioda.
4. "Dioda pengganti cukup sama arusnya." Tegangan balik, arus surja, dan kecepatan pemulihan juga menentukan.
5. "Uji mode dioda yang baik berarti dioda pasti baik." Kebocoran saat panas atau pada tegangan tinggi tidak terlihat.
6. "Dioda bebas boleh dilepas karena koil tetap bekerja." Tanpa dioda, lonjakan tegangan merusak transistor penggerak.

Hubungan dengan bab lain

Bab 26 · Fisika menjelaskan fisika dioda dan LED, Bab 83 kapasitor dan ESR, Bab 85 transistor penggerak, Bab 4 nilai puncak dan efektif, Bab 11 peredam koil, Bab 15 multimeter, Bab 14 dan Bab 76 keselamatan, Bab 2 · Komputasional papan kendali, Bab 10 harmonisa, Bab 35 proteksi surja, dan Bab 3 · Dispensing Kimia kontroler dispenser laundry.

Latihan dan pembahasan

1. Trafo 12 V AC mencatu penyearah jembatan. Berapa tegangan puncak di kapasitor?
2. Beban 0,8 A dicatu dari kapasitor 4.700 µF dengan penyearah jembatan. Berapa riaknya, dan berapa bila satu dioda putus?
3. Penyearah setengah gelombang berkapasitor dicatu trafo 24 V AC. Berapa tegangan balik yang ditahan dioda, dan rating berapa yang dipilih?
4. Masukan tetap 15 V, zener 12 V, beban 0 sampai 10 mA, dan arus zener minimum 5 mA. Berapa resistor seri dan daya zener terburuknya?
5. Mode dioda membaca 0,0 V di kedua arah pada dioda A, 0,25 V maju dan OL balik pada dioda B, dan OL di kedua arah pada dioda C. Apa kesimpulannya?
6. Dioda bebas di koil katup ditemukan hilang dan transistor penggeraknya sudah dua kali diganti. Apa yang dilakukan, dan apa akibatnya bila dioda baru terpasang terbalik?

Kunci jawaban beralasan

1. $12 \times 1{,}414 - 1{,}4 = 15{,}6$ V, karena jembatan mengurangkan dua tegangan jatuh dioda.
2. $\Delta V = 0{,}8/(100 \times 0{,}0047) = 1{,}7$ V. Bila satu dioda putus, frekuensi riak menjadi 50 Hz dan riaknya sekitar 3,4 V, sehingga titik terendahnya turun 1,7 V lagi.
3. Puncak $24 \times 1{,}414 = 33{,}9$ V; dioda menahan sekitar $2 \times 33{,}9 = 68$ V karena kapasitor memegang puncak positif sementara trafo mencapai puncak negatif. Dengan cadangan dua kali, dipilih dioda 200 V atau lebih.
4. $R_S = (15 - 12)/(0{,}010 + 0{,}005) = 200$ Ω. Tanpa beban, seluruh 15 mA lewat zener, sehingga dayanya $12 \times 0{,}015 = 0{,}18$ W dan zener 0,5 W memenuhi.
5. A hubung singkat; B kemungkinan Schottky yang baik, dicocokkan dengan kode komponennya; C putus. A dan C diganti, lalu penyebab kerusakannya dicari, dan bila bacaan A terjadi saat dioda masih terpasang, dioda dilepas dulu untuk memastikan.
6. Dioda bebas dipasang kembali dengan katoda ke sisi positif koil dan rating arus serta tegangan yang cukup, lalu transistor diganti. Dioda yang terpasang terbalik menghubung-singkat koil begitu transistor menghantar, sehingga arus besar lewat dioda dan transistor dan keduanya dapat rusak.

Referensi