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:

Puncak negatif (−U_s):Kondensator C₁ diisi muatan melalui diode D₁ ke 0V (beda potensial di antara pelat-pelat kondensator adalah U_s)
Puncak positif (+U_s):potensial pada kondensator C₁ bertambah melalui sumber tegangan, dengan demikian mengisi kondensator C₂ ke 2U_s melalui diode D₂
Puncak negatif:Potensial pada kondensator C₁ jatuh ke 0V, dengan demikian memungkinkan kondensator C₃ untuk mengisi melalui diode D₃ ke 2U_s.
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.

Topologi sirkuit

Sirkuit Villard

Sirkuit Villard terdiri dari sebuah kondensator dan diode. Walaupun sirkuit ini sangat sederhana, kerut keluarannya sangat buruk. Pada dasarnya, sirkuit ini adalah sirkuit penggenggam diode. Kondensator diisi hingga tegangan puncak AC (V_pk) pada siklus paruh negatif. Setelah beberapa siklus, semua gelombang AC tersuperimposekan pada keluaran tegangan DC di kondensator. Lembah negatif AC digenggam pada 0V (sebenarnya −V_F, yaitu tegangan panjar maju diode), sehingga puncak positif keluaran adalah 2V_pk. Kerut puncak-ke-puncak adalah bentuk gelombang AC 2V_pk dan tidak dapat diperhalus tanpa mengubahnya menjadi bentuk lain.^[1]

Sirkuit Greinacher

Pengganda tegangan Greinacher memberikan banyak perbaikan dari sirkuit Villard hanya dengan menambahkan sedikit komponen. Kerut keluaran sangat dikurangi, bahkan nol pada rangkaian tanpa beban, tetapi saat dibebani, kerut bergantung pada resistansi beban dan kapasitansi kondensator yang digunakan. Sirkuit ini bekerja dengan menambahkan detektor puncak di belakang sirkuit Villard. Detektor puncak mengurangi kerut selain menjaga tegangan puncak pada keluaran. Sirkuit ini ditemukan oleh Heinrich Greinacher pada tahun 1913 (diumumkan tahun 1914^[2]) dalam rangka memberikan tegangan 200–300 V yang dibutuhkannya untuk ionometer yang baru ditemukannya, tegangan AC 110V yang dicatu stasiun dayaZurich pada saat itu tidak mencukupi.^[3] Pada tahun 1920 menyempurnakan idenya ini dengan menyambung banyak pengganda.^[4] Aliran sel Greinacher sering disalahartikan sebagai aliran Villard cascade. Ini juga sering disebut sebagai generator Cockcroft-Walton yaitu peranti yang digunakan pada pemercepat partikel yang dibangun oleh John Cockcroft dan Ernest Walton, yang secara terpisah menemukan kembali sirkuit ini pada tahun 1932.^[5]

Sirkuit jembatan

Pengganda tegangan paruh gelombang

Pengganda tegangan topologi jembatan sering ditemukan pada tabung sinar katode untuk memberikan catu tegangan. Membangkitkan tegangan lebih dari 5kV dengan transformator pada peralatan rumah menimbulkan kerawanan. Padahal tabung hitam-putih membutuhkan tegangan 10kV dan tabung warna membutuhkan lebih banyak lagi.^[6]^[7] Sirkuit ini terdiri dari dua detektor puncak paruh gelombang yang identik. Setiap detektor puncak bekerja berlawanan untuk setiap gelombang masukan. Karena keluaran disambungkan berderet, tegangan keluaran adalah dua kali lipat tegangan masukan.

Pengganda tegangan gelombang penuh

Versi sirkuit gelombang penuh memberikan keuntungan antara lain kerut yang lebih rendah, tegangan puncak pada diode yang lebih rendah dan regulasi beban yang lebih baik, tetapi membutuhkan transformator dengan sadapan tengah dan lebih banyak komponen.^[8]

Pencatur tegangan

Konsep dasar topologi ini dapat dikembangkan menjadi pencatur-tegangan.^[9]

Topologi sirkuit lainnya

Dua aliran yang ditopang dari satu transformator bersadapan tengah. Konfigurasi ini memberikan penyearahan gelombang penuh, menghasilkan keluaran (output) yang lebih halus.

Aliran kedua yang ditumpuk pada aliran pertama, ditopang oleh lilitan sekunder tegangan tingi terisolasi kedua. Lilitan sekunder kedua dihubungkan dengan geseran fase "180°" untuk mendapatkan penyearahan gelombang penuh.

Transformator sekunder tunggal menopang dua aliran dengan polaritas berlawanan pada saat yang sama. Menumpuk dua aliran menghasilkan tegangan dua kali lipat, tetapi keluaran lebih halus dan karakteristik pengisian kondensator lebih baik daripada satu aliran panjang dengan tegangan yang sama.

Sel diode-kondensator digunakan dengan jumlah genap sehingga aliran berakhir pada sel penghalus. Jika ganjil dan aliran berakhir pada sel penggenggam, kerut keluaran akan menjadi sangat besar. Kondensator harga tinggi pada kolom penghubung juga mengurangi kerut, tetapi mengorbankan waktu pengisian dan arus diode yang lebih besar.

Tegangan tembus

Walaupun pengganda dapat digunakan untuk menghasilkan ribuan volt tegangan keluaran, komponen yang digunakan tidak perlu dispesifikasikan untuk bertahan pada jangkah tegangan keseluruhan. Setiap komponen hanya butuh spesifikasi untuk beda tegangan relatif yang langsung membentangi kaki-kakinya. Pada umumnya, sebuah pengganda tegangan disusun seperti tangga, sehingga tegangan bertambah sesuai dengan letak komponen, ini mengurangi kemungkinan loncatan antara komponen. Perhatikan bahwa mungkin diperlukan suatu jangkah aman antara perbedaan tegangan pada pengganda, sehingga tangga dapat bertahan dari kerusakan salah satu diode atau kondensator. Atau kalau tidak, kerusakan salah satu komponen akan memberikan tegangan lebih pada komponen selanjutnya dan terus berulang, kemungkinan dapat menghancurkan seluruh rantai pengganda dan mengakibatkan terbakarnya komponen-komponen.

Penggunaan

Catu tegangan tinggi untuk tabung sinar katode sering menggunakan pengganda tegangan dengan kondensator penghalus yang terbuat dari lapisan aquadag interior dan eksterior tabung itu sendiri. Jenis pengganda tegangan yang sering digunakan pada tegangan tinggi adalah generator Cockcroft-Walton (didesain oleh John Douglas Cockcroft dan Ernest Thomas Sinton Walton untuk digunakan pada pemercepat partikel).

Referensi

^ Kind&Feser, p. 28.
^ Greinacher, H, "The Ionometer and its Application to the Measurement of Radium and Röntgen Rays", Physikal. Zeitsch., vol 15, 1914, pp. 410–415.
^ Mehra, J, Rechenberg, H, The Historical Development of Quantum Theory, p284, Springer, 2001 ISBN 0-387-95179-2.
^ Kind&Feser, p. 29.
^ Kind&Feser, p. 30.
^ Wharton&Howorth, pp. 68–69.
^ Millman-Halkias, p. 109
^ Kronjäger, J, Basic multiplier circuits, retrieved 2nd Jan 2009.
^ Ryder, p107.

Lihat pula

Pranala luar

[1] Kind&Feser, p. 28.

[2] Greinacher, H, "The Ionometer and its Application to the Measurement of Radium and Röntgen Rays", Physikal. Zeitsch., vol 15, 1914, pp. 410–415.

[3] Mehra, J, Rechenberg, H, The Historical Development of Quantum Theory, p284, Springer, 2001 ISBN 0-387-95179-2.

[4] Kind&Feser, p. 29.

[5] Kind&Feser, p. 30.

[6] Wharton&Howorth, pp. 68–69.

[7] Millman-Halkias, p. 109

[8] Kronjäger, J, Basic multiplier circuits, retrieved 2nd Jan 2009.

[9] Ryder, p107.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]