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. Rating dioda tertentu diambil dari lembar data pabrik.

Fisika sambungan PN, persamaan dioda, LED, dan resistor seri LED ada di Bab 26 · Fisika tentang fisika semikonduktor dan foton; komponen pasif, kapasitor elektrolit, dan ESR di Bab 83 tentang komponen pasif di papan kendali; transistor penggerak di Bab 85 tentang transistor, MOSFET, dan sakelar elektronik; nilai puncak dan nilai efektif di Bab 4 tentang arus bolak-balik; tegangan induksi koil dan pilihan peredam koil beserta waktu lepasnya di Bab 11 tentang magnet dan induksi; multimeter di Bab 15 tentang multimeter digital; keselamatan alat ukur dan kerja aman di Bab 14 tentang keselamatan alat ukur dan Bab 76 tentang kerja aman, LOTO, dan izin kerja; susunan papan kendali dan diagnosis papan secara keseluruhan di Bab 2 · Komputasional tentang papan kendali dan mikrokontroler; harmonisa dari penyearah berkapasitor di Bab 10 tentang harmonisa; proteksi surja di instalasi di Bab 35 tentang tegangan lebih dan proteksi surja; dan kontroler dispenser laundry di Bab 3 · Dispensing Kimia.

Dioda sebagai katup satu arah

Dioda (diode) adalah komponen yang hanya mengizinkan arus mengalir dalam satu arah. Kaki katoda biasanya ditandai garis atau cincin pada badannya. Saat menghantar, dioda menimbulkan tegangan jatuh: tegangan jatuh maju dioda silikon sekitar 0,6 V, dan tegangan jatuh ini bergantung pada jenis dioda yang dipakai. Dasar fisikanya ada di Bab 26 · Fisika tentang fisika semikonduktor dan foton.

Jenis yang lazim di papan kendali:

1. Dioda penyearah silikon: untuk penyearah frekuensi jala-jala, tegangan jatuh sekitar 0,7 sampai 1 V pada arus ratingnya. 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.
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 (transient voltage suppressor, TVS): menjepit lonjakan tegangan.

Rating yang menentukan pilihan adalah 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. Tegangan balik dipilih dengan cadangan sekurangnya dua kali terhadap tegangan balik yang ditahan dioda di rangkaiannya.

Penyearah setengah gelombang

Penyearah (rectifier) adalah rangkaian yang mengubah masukan AC menjadi keluaran DC yang berdenyut. Penyearah paling sederhana memakai satu dioda: arus hanya mengalir pada setengah siklus positif. Penyearah setengah gelombang dijumpai pada perangkat tanpa trafo, radio, dan penerapan industri.

Dengan kapasitor filter, tegangan puncaknya adalah

dengan $V_{\text{puncak}}$ tegangan puncak di kapasitor (V), $V_{\text{rms}}$ tegangan efektif trafo (V), dan $V_F$ tegangan jatuh dioda (V). 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. 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:

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.

Penyearah jembatan gelombang penuh (bridge full wave rectifier) adalah susunan empat dioda itu. 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 tentang keselamatan alat ukur dan Bab 76 tentang kerja aman.

Kapasitor filter dan riak

Kapasitor filter (filter capacitor) adalah kapasitor yang dipakai di penyearah. Kapasitor diisi sampai tegangan puncak, lalu mengosongkan diri ke beban sampai pengisian berikutnya. Riak (ripple) adalah turunnya tegangan di antara dua pengisian itu. Untuk riak yang kecil dibanding tegangan puncak, berlaku perkiraan:

dengan $\Delta V$ riak puncak ke puncak (V), $I$ arus beban (A), $C$ kapasitansi (F), dan $f_r$ frekuensi riak (Hz): 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:

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 tentang komponen pasif. Arus pulsa itu juga menimbulkan harmonisa di jala-jala, seperti di Bab 10 tentang harmonisa.
3. Riak berlebih mengganggu rangkaian lain. 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 tentang papan kendali dan mikrokontroler.

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.

Regulator zener

Dioda zener (Zener diode) adalah dioda silikon yang dirancang untuk tegangan tembus balik tertentu. Tegangan pada dioda zener hampir tetap pada rentang arus yang lebar, dan tegangan zener yang umum dipakai berkisar 5 sampai 20 V. Regulator zener (Zener regulator) paling sederhana adalah resistor seri dan zener yang dipasang paralel dengan beban:

dengan $R_S$ resistor seri (Ω), $V_{\text{in,min}}$ dan $V_{\text{in,maks}}$ tegangan masuk terendah dan tertinggi (V), $V_Z$ tegangan zener (V), $I_{L,\text{maks}}$ arus beban terbesar (A), $I_{Z,\text{min}}$ arus zener minimum (A), dan $P_Z$ daya zener (W). 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 tentang papan kendali dan mikrokontroler. Pada rangkaian regulator tegangan, regulator transistor dan dioda zener di dekatnya dianjurkan diperiksa, dan zener yang hubung singkat di catu daya dapat membuat satu bagian perangkat berhenti bekerja.

Dioda pelindung

Dioda sering dipakai untuk melindungi dari polaritas terbalik atau tegangan lebih. Tiga penerapan di papan kendali:

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: dioda bebas (freewheeling diode) adalah dioda yang 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 tentang magnet dan induksi. 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. Elemen penjepit tegangan dua arah yang mirip zener dapat menjadi alternatif peredam RC. Lonjakan di tingkat instalasi diatasi proteksi surja, seperti di Bab 35 tentang tegangan lebih dan proteksi surja.

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

Menguji dioda dan jembatan

Pengujian dilakukan dengan papan tanpa daya dan kapasitor sudah kosong, seperti di Bab 83 tentang komponen pasif dan Bab 76 tentang kerja aman. Mode dioda multimeter mengalirkan arus kecil dan menampilkan tegangan jatuh:

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. 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. Bila bacaannya rendah dengan probe dibalik, dioda dianjurkan dilepas dan diuji di luar rangkaian, 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. Tegangan pada penyearah jembatan dianjurkan diperiksa, lalu transistor dan dioda diperiksa secara acak untuk menemukan yang bocor atau hubung singkat.

Kerusakan dan penyebabnya

Kerusakan dioda yang lazim dan penyebabnya:

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 tentang komponen pasif.
2. Putus: arus berlebih yang lama. Pada jembatan, satu dioda yang putus membuat penyearahan menjadi setengah gelombang, seperti di kasus pembuka. 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

Angka dalam contoh di bawah adalah angka latihan, kecuali disebut asalnya.

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: 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 5: 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 6: 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 tentang keselamatan alat ukur.
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

Hubungan dengan bab lain

Bab 26 · Fisika tentang fisika semikonduktor dan foton menjelaskan fisika dioda dan LED, Bab 83 tentang komponen pasif di papan kendali membahas kapasitor dan ESR, dan Bab 85 tentang transistor, MOSFET, dan sakelar elektronik membahas transistor penggerak. Nilai puncak dan efektif ada di Bab 4 tentang arus bolak-balik, peredam koil di Bab 11 tentang magnet dan induksi, dan multimeter di Bab 15 tentang multimeter digital. Keselamatan dibahas di Bab 14 tentang keselamatan alat ukur dan Bab 76 tentang kerja aman. Bab 2 · Komputasional tentang papan kendali dan mikrokontroler membahas papan kendali, Bab 10 tentang harmonisa membahas arus berdenyut dari penyearah, Bab 35 tentang tegangan lebih dan proteksi surja membahas proteksi surja, dan Bab 3 · Dispensing Kimia tentang kontroler dispenser laundry membahas kontroler seperti di kasus pembuka.

Latihan dan pembahasan