Pengganda Tegangan

Sebuah pengganda tegangan adalah sebuah sirkuit elektronik yang mengubah daya listrik AC bertegangan rendah menjadi tegangan DC yang lebih tinggi dengan menggunakan kondensator dan diode yang dirangkai menjadi jaringan tertentu Pengganda tegangan dapat digunakan sebagai panjar tegangan dari beberapa milivolt hingga jutaan volt seperti untuk kepentingan penelitian fisika energi tinggi dan pengetesan keamanan terhadap petir. Pengganda tegangan yang paling umum adalah pengganda deret separuh gelombang, atau dikenal dengan aliran Villard (sebenarnya ditemukan oleh Heinrich Greinacher).

Cara kerja

Dengan mengasumsikan bahwa tegangan puncak dari sumber AC adalah +U_s kita dapat menjelaskan cara kerja dari pengganda yaitu:

1. Puncak negatif (−U_s):Kondensator C₁ diisi muatan melalui diode D₁ ke 0V (beda potensial di antara pelat-pelat kondensator adalah U_s)
2. Puncak positif (+U_s):potensial pada kondensator C₁ bertambah melalui sumber tegangan, dengan demikian mengisi kondensator C₂ ke 2U_s melalui diode D₂
3. Puncak negatif:Potensial pada kondensator C₁ jatuh ke 0V, dengan demikian memungkinkan kondensator C₃ untuk mengisi melalui diode D₃ ke 2U_s.
4. Puncak positif:Potensial pada kondensator C₁ mencapai 2U_s (sama seperti langkah 2), juga mengisi kondensator C₄ ke 2U_s. Tegangan keluaran (jumlah dari tegangan pada kondensator C₂ dan C₄) mencapai 4U_s.

Pada kenyataannya, diperlukan lebih banyak langkah untuk kondensator C₄ untuk mencapai tegangan penuh. . Menambah lebih banyak bagian yang sama dengan C₁-D₁-D₂-C₂, tegangan keluaran dapat ditambah menjadi 6U_s, begitu juga seterusnya.

Pengganda Tegangan Setengah Gelombang

Pengganda Tegangan  Gelombang Penuh

Ripple Factor Setengah Gelombang

gambar 3 : rangkaian penyearah setengah gelombang dengan filter C

Gambar 3 adalah rangkaian penyearah setengah gelombang dengan filter kapasitor C yang paralel terhadap beban R. Ternyata dengan filter ini bentuk gelombang tegangan keluarnya bisa menjadi rata. Gambar-4 menunjukkan bentuk keluaran tegangan DC dari rangkaian penyearah setengah gelombang dengan filter kapasitor. Garis b-c kira-kira adalah garis lurus dengan kemiringan tertentu, dimana pada keadaan ini arus untuk beban R1 dicatu oleh tegangan kapasitor.

 

gambar 4 : bentuk gelombang dengan filter kapasitor 

 Sebenarnya garis b-c bukanlah garis lurus tetapi eksponensial sesuai dengan sifat pengosongan kapasitor Kemiringan kurva b-c tergantung dari besar arus (I) yang mengalir ke beban R. Jika arus I = 0 (tidak ada beban) maka kurva b-c akan membentuk garis horizontal. Namun jika beban arus semakin besar, kemiringan kurva b-c akan semakin tajam. Tegangan yang keluar akan berbentuk gigi gergaji dengan tegangan ripple yang besarnya adalah :

V_r = V_M -V_L …....... (1)

dan tegangan dc ke beban adalah V_dc = V_M + V_r/2 ..... (2)

Rangkaian penyearah yang baik adalah rangkaian yang memiliki tegangan ripple (Vr) paling kecil. V_L adalah tegangan discharge atau pengosongan kapasitor C, sehingga dapat ditulis :

V_L = V_M e ^-T/RC .......... (3)

Jika persamaan (3) disubsitusi ke rumus (1), maka diperoleh :

V_r = V_M (1 - e ^-T/RC) ...... (4)

Jika T << RC, dapat ditulis : e ^-T/RC _ 1 - T/RC ..... (5)  sehingga jika ini disubsitusi ke rumus (4) dapat diperoleh persamaan yang lebih sederhana :

V_r = V_M(T/RC) .... (6) 

Ripple Factor  Gelombang Penuh

 

Sebagai contoh, anda mendisain rangkaian penyearah gelombang penuh dari catu jala-jala listrik 220V/50Hz untuk mensuplai beban sebesar 0.5 A. Berapa nilai kapasitor yang diperlukan sehingga rangkaian ini memiliki tegangan ripple yang tidak lebih dari 0.75 Vpp. Jika rumus (7) dibolak-balik maka diperoleh.

C = I.T/V_r = (0.5) (0.01)/0.75 = 6600 uF.

Untuk kapasitor yang sebesar ini banyak tersedia tipe elco yang memiliki polaritas dan tegangan kerja maksimum tertentu. Tegangan kerja kapasitor yang digunakan harus lebih besar dari tegangan keluaran catu daya. Anda barangkali sekarang paham mengapa rangkaian audio yang anda buat mendengung, coba periksa kembali rangkaian penyearah catu daya yang anda buat, apakah tegangan ripple ini cukup mengganggu. Jika dipasaran tidak tersedia kapasitor yang demikian besar, tentu bisa dengan memparalel dua atau tiga buah kapasitor.

V_M/R tidak lain adalah beban I, sehingga dengan ini terlihat hubungan antara beban arus I dan nilai kapasitor C terhadap tegangan ripple V_r. Perhitungan ini efektif untuk mendapatkan nilai tegangan ripple yang diinginkan.

V_r = I T/C ... (7)

Rumus ini mengatakan, jika arus beban I semakin besar, maka tegangan ripple akan semakin besar. Sebaliknya jika kapasitansi C semakin besar, tegangan ripple akan semakin kecil. Untuk penyederhanaan biasanya dianggap T=Tp, yaitu periode satu gelombang sinus dari jala-jala listrik yang frekuensinya 50Hz atau 60Hz. Jika frekuensi jala-jala listrik 50Hz, maka T = Tp = 1/f = 1/50 = 0.02 det. Ini berlaku untuk penyearah setengah gelombang. Untuk penyearah gelombang penuh, tentu saja frekuensi gelombangnya dua kali lipat, sehingga T = 1/2 Tp = 0.01 det