Cara Kerja Rangkaian Clipper Dioda dan Simulasinya di Qucs Linux Bagian 1

Sebelum memulai membaca tulisan ini, ada baiknya kalian membaca terlebih dahulu apa itu rangkaian clipper dioda dan apa itu dioda. Mengenai rangkaian clipper bisa kalian baca disini dan mengenai apa itu dioda bisa kalian baca disini. Selain itu alangkah lebih baiknya juga jika kalian sudah mengerti teknik-teknik menganalisa listrik menggunakan metode rangkaian listrik seperti KVL, KCL, dll. Karena apa? karena saya tidak akan membahas terlalu dalam mengenai hal-hal yang saya sebut diatas. Tulisan ini hanya akan membahas bagaimana cara kerja rangkaian dioda untuk memotong sinyal (atau yang biasa disebut rangkaian clipper), dan bagaimana cara membuat simulasinya di Linux dengan menggunakan aplikasi Qucs

Oke, kita mulai saja. Inti fungsi dari rangkaian clipper adalah, untuk memotong sinyal analog pada batas level tertentu. Batas level ini bisa ditentukan oleh besarnya sumber tegangan DC yang kita pasang.

Sekarang langsung kita coba pada contoh soal saja.

1. Rangkaian 1.

Spesifikasi :

1. Sumber tegangan AC : 
1. Amplitudo : 10 V
2. Frekuensi : 500 Hz
2. Resistor 1 KOhm
3. Dioda Silikon

Cara kerja :

Untuk menganalisis cara kerja dioda yang paling mudah adalah dengan menganalisa 1/2 perioda positif tegangan AC dan 1/2 perioda negatif tegangan AC.

Setengah perioda positif
Berdasarkan arah arus lup, bisa kita tentukan bahwa pada saat ini Anoda dioda akan bertegangan 10 V dan katoda bertegangan - 10 V.

Seperti yang sudah kita tahu, pada saat tegangan di anoda lebih besar di katoda, maka komponen dioda ini akan bekerja dan membuat seolah-olah hubung singkat. Ketika rangkaian hubung singkat seperti ini, maka kita bisa menghitung tegangan dengan metoda hukum kirchoff. Arah lupnya sudah saya gambarkan dibawah, sehingga dari situ bisa kita peroleh persamaan :

- V1 + V0 = 0
V0 = V1
V0 = 10 V

Cara mendapatkan persamaan tersebut mudah saja, tinggal kita ikuti arah lup yang sudah saya gambarkan. Mula-mula lup masuk ke polaritas (-) dari V1 dan kemudian masuk ke polaritas (+) dari V0. Sehingga bisa kita tuliskan - V1 + V0 = 0. Cuma hukum KVL saja kok. Bagi kalian yang mungkin belum mengetahui apa itu KVL, bisa searching dulu di google ya.

Kemudian untuk menentukan polaritas tegangan V0, tinggal merujuk pada referensi polaritas V1. Ikuti arah lup arus yang bergerak sehingga dari polaritas (+) V1 akan membuat bagian atas dari R1 menjadi berpolaritas (+) juga.

Sebenarnya ada cara termudah untuk menentukan tegangan rangkaian diatas. Prinsipnya, besar tegangan akan sama jika rangkaian tersebut paralel. Pada rangkaian diatas, V0 paralel dengan V1. Sehingga bisa langsung kita tentukan saja V0 = V1 = 10 V.

Setengah perioda negatif
Untuk menentukan bagaimana setengah perioda negatif bekerja, tinggal kita balik saja polaritas (-) sumber tegangan AC menjadi berada diatas. Namun ingat, polaritas tegangan pada resistor atau V0 tidak boleh kita ubah, karena kita sudah menentukan polaritas V0 berdasarkan referensi yang sebelumnya.

Saat perioda negatif, maka tegangan anoda akan lebih kecil dari katoda, karena tegangan - 10 V lah yang mengalir ke anoda. Keadaan ini membuat dioda tidak bekerja.

Ketika dioda tidak bekerja, maka rangkaian akan putus atau open circuit.

Ketika rangkaian sudah open circuit seperti ini, maka otomatis tidak akan ada arus yang mengalir. Akibatnya tidak ada tegangan yang mengalir pada resistor/V0 alias 0 V.

Dari kedua analisa yang sudah kita dapat, maka bisa kita gambarkan sinyal keluarannya menjadi seperti ini :

Jadi ketika sinyal input berada di perioda positif, maka sinyal output akan mengikuti sinyal input. Sedangkan pada saat sinyal input berada di perioda negatif, maka sinyal output akan selalu 0. Berarti disini kita sudah bisa memotong sinyal pada level 0 V.

Oke, sekarang kita sudah bisa menganalisa rangkaian clipper dioda sederhana. Lalu bagaimana cara mensimulasikan rangkaian diatas di Linux? Saya sering menggunakan aplikasi bernama Qucs untuk melakukan hal-hal seperti diatas.

Untuk menginstall Qucs di Ubuntu, kalian tinggal mengetikkan perintah berikut ini di terminal :

sudo apt-get install qucs freehdl

Setelah aplikasinya terinstall, kalian tinggal jalankan aplikasinya melalui Dash Home.

Oke, sekarang aplikasi sudah terbuka. Lalu bagaimana cara pengoperasiannya? Perhatikan skema gambar dibawah :

Ket :

• 1 & 2 = Untuk memilih komponen. Untuk memasukkan komponen tinggal drag saja komponen yang ingin dimasukkan ke layar rangkaian disebelah kanannya.
• 3 = Untuk memberi kabel.
• 4 = Untuk memberi label pada daerah yang ingin kita lihat tegangan atau arusnya.
• 5 = Untuk menjalankan simulasi.

Pertama-tama drag komponen-komponen yang dibutuhkan ke layar rangkaian, kemudian hubungkan tiap-tiap komponennya dengan menggunakan tombol Wire (3).

Setelah itu berilah label pada bagian yang ingin kita lihat tegangannya. Caranya adalah dengan mengklik tombol Wire Label (4) kemudian klik pada kabel yang diatas resistor. Berilah nama labelnya, misal V0.

Langkah selanjutnya adalah kita perlu menentukan konfigurasi komponen sesuai dengan spesifikasi yang sudah kita sepakati di awal tulisan ini.

Pertama kita perlu mengatur besarnya amplitudo dan frekuensi sumber tegangan AC. Caranya adalah dengan mengklik 2x pada komponen sumber tegangan AC sehingga akan muncul window properties dari komponen tersebut. Selanjutnya tinggal ganti saja sesuai kebutuhan. Jika sudah, klik Apply > OK.

Jangan lupa untuk mengganti besar tahanan resistor. Caranya sama saja seperti diatas.

Untuk komponen dioda, ada satu hal yang perlu diedit, yaitu N atau Emission Coefficient. Kita ganti nilainya menjadi 0.1 agar tingkat kesalahan pengukuran tidak terlalu jauh. Karna jika kita biarkan nilainya tetap 1, maka nanti ketika melakukan pengukuran sering terjadi pergeseran nilai. Dari yang misalnya keluaran tegangan 10 V, bisa turun menjadi 9.5 V.

Sampai sini rangkaian sudah berhasil kita buat. Lalu bagaimana cara mensimulasikannya? Untuk mensimulasikan komponen non linear seperti dioda ini, kita perlu memasukkan komponen simulasi transien. Caranya pertama-tama ambil dari menu Simulations > Transcient Simulations.

Kemudian yang perlu kita ganti dari komponen transient simulation ini adalah lama waktu simulasinya. Bisa kita ganti saja dari 0ms sampai 10ms. Bebas saja sih sebenarnya. Asal jangan terlalu singkat. Kemudian untuk Number, ganti saja menjadi 1000. Entah kenapa kalau tidak diganti nilainya menjadi 1000, simulasinya tidak mau jalan.

Selanjutnya, kita tinggal menjalankan simulasinya dengan menekan tombol Simulate (5). Jika diminta untuk menyimpan file kalian, jangan gunakan spasi pada saat pemberian nama, karena nanti tidak jalan.

Setelah simulasi berhasil dijalankan, kalian akan menemukan sebuah tab baru yang kosong. Ini adalah tab untuk melihat diagram dari setiap sinyal yang sudah kalian buat pada tab skematik sebelumnya. Untuk melihat grafik sinyal output rangkaian kita, drag komponen Cartesian dari Diagrams > Cartesian ke layar. Kemudian pada layar properties yang muncul, tinggal kalian klik saja label V0 sebanyak 2x untuk menampilkannya. Jika sudah klik Apply.

Jika berhasil seharusnya akan muncul grafik seperti gambar dibawah :

Oke, sampai sini kita sudah bisa membuat salah satu rangkaian clipper sederhana dan mensimulasikannya di Linux dengan aplikasi Qucs. Untuk menganalisa rangkaian-rangkaian clipper yang lebih rumit, akan saya bahas di bagian selanjutnya.

Semoga bermanfaat :)