Saturday, August 27, 2016

LED Kecil Disuplai 220 Volt AC Tanpa Trafo



Video berikut memperlihatkan bahwa LED kecil dengan tegangan maximal sekitar 3 volt dc dapat dicatu dengan tegangan tinggi 220 volt ac dengan rangkaian yang sangat sederhana tanpa transformator. Sebuah dioda 1N4007 digunakan sebagai penyearah. Sebuah resistor 330 kilo ohm digunakan sebagai pembatas arus.





Sirkuit berikut menggambarkan rangkaian komponen yang terhubung serie.

PERHATIAN: seluruh bagian dari rangkaian-rangkaian yang ada di artikel ini terhubung dengan tegangan tinggi, baik secara langsung maupun tidak langsung. Jangan menyentuh rangkaian saat sedang terhubung dengan tegangan tinggi. Gunakan peralatan yang terisolasi dengan baik.

Dari skema sirkuit di atas:
VD adalah tegangan pada dioda penyearah 1N4007
VL adalah tegangan pada LED
VR adalah tegangan pada resistor 330 kilo ohm
VAC adalah tegangan suplai 220 volt AC

Pada dioda, jika dioda 1N4007 dilalui arus atau diberi tegangan muka, maka akan timbul tegangan sebesar 0.6 volt (VD) di antara kaki anoda dan katodanya. Dioda dibutuhkan karena LED tidak tahan tegangan terbalik. Biasanya tegangan terbalik maximal yang diperbolehkan hanyalah 5 volt saja, jika lebih maka LED langsung putus. Tampak pada video lampu LED berkedip seperti bergetar pada frekuensi 50-60 hertz. Hal ini terjadi karena dioda hanya mengalirkan arus searah dengan setengah gelombang dari gelombang arus listrik bolak balik. Jika ingin mengurangi kedipan LED, maka dapat ditambahkan kondensor untuk meratakan arus, dan menggunakan dioda jembatan (kuproks) sebagai penyearah gelombang penuh.

LED yang digunakan pada video berdiameter 5 mm, LED ini mempunyai tegangan maju maximal sekitar 3 volt dc, ada juga LED yang bertegangan maximal hanya 2,2 volt saja. Arus maju maximal biasanya sekitar 30 mA. Maka resistansi internal dari LED dapat dihitung menggunakan hukum Ohm, dengan tegangan maju maximal dianggap 3 volt:

Resistansi LED= Tegangan / Arus = 3 volt : 30 mA = 3 volt : (30 / 1000) ampere = 100 ohm



Karena VAC adalah tegangan jaringan listrik rumah yaitu 220 volt, maka tegangan di antara kaki-kaki resistor adalah:

Tegangan resistor = tegangan suplai - tegangan dioda - tegangan LED = VR

VR = VAC - VD - VL =  220 - 0.6 - 3 = 216,4 volt



Diketahui bahwa arus maximal LED adalah 30 mA, karena dirangkai serie maka arus tersebut juga melalui resistor dengan nilai ampere yang sama, sehingga nilai resistor dapat dihitung dengan hukum Ohm:

Resistor = Tegangan resistor / Arus resistor = 216.4 volt / 30 mA = 216.4 volt : (30 /1000) ampere = 7.213,33 ohm.



Nilai resistor tersebut adalah nilai terkecil agar LED dapat menyala maximal, jika dikecilkan lagi maka LED
bisa putus karena tegangannya jadi terlalu tinggi.

Pada video sengaja digunakan resistor yang jauh lebih tinggi nilainya agar aman, dan tidak menyilaukan kamera. Dengan resistor 330 kilo ohm LED warna putih tersebut sudah menyala sangat terang. Selanjutnya jika memang LED kurang terang, maka resistor dapat diperkecil dari nilai 330 kilo ohm secara hati-hati.

Dalam memilih ukuran resistor, maka perlu dipertimbangkan kapasitas daya dari resistor tersebut. Untuk resistor 330 kilo ohm maka daya resistor adalah:

Daya resistor = tegangan resistor x arus = tegangan resistor x tegangan resistor / resistansi

Daya resistor = VR x VR / 330.000 = 216.4 x 216.4 / 330.000 =  0.14 watt


Karena arusnya adalah arus searah yang terputus-putus atau setengah gelombang, maka daya aktual resistor adalah setengah dari daya di atas, yaitu 0.07 watt. Maka resistor dengan daya 1/4 atau 1/2 watt yang banyak tersedia dipasaran dapat digunakan dengan aman.

Perhatikan bahwa LED cenderung menjaga nilai tegangan di kaki anoda dan katoda tetap stabil. Sehingga resistansi internal dari LED akan berubah sesuai dengan arus yang melewatinya. Semakin besar arus maka semakin rendah resistansi internal LED. Semakin kecil arus maka semakin tinggi restansi internal LED.

Sebagaimana terlihat dalam video, walau arus yang melalui LED sudah sangat kecil sekitar 0,67 mA, tapi tegangan pada kaki LED masih mencapai 1,06 volt. Tegangan tersebut diukur dengan DC voltmeter, bukan AC voltmeter, karena arus yang melewati LED adalah arus searah. Maka resistansi internal LED dengan arus yang sangat kecil tersebut adalah:

Resistansi = 1,06 volt / 0,76 mA = 1,06 volt / 0,00076 ampere = 1.582,09 ohm


Secara teoritis, jika ada banyak LED disambung serie maka tidak dibutuhkan lagi resistor sebagai pembatas arus. Contoh perhitungan: diketahui LED dengan tegangan maximal 3 volt DC, maka untuk tegangan suplai 220 volt akan dibutuhkan LED sebanyak 220 / 3 = 73,3 buah yang disambung serie. Tentu jumlah tersebut adalah jumlah minimal, untuk amannya maka harus lebih banyak LED yang disambung serie.  Dan dioda penyearah tetap dibutuhkan, cukup satu (1x) buah saja.


Sirkuit berikut menggambarkan rangkaian dengan dioda terhubung paralel dengan LED.

Pada rangkaian di atas, LED akan menyala saat arus mengalir dari kiri ke kanan. LED akan mati saat arus mengalir dari kanan ke kiri melalui dioda, bukan melalui LED. Kelemahan rangkaian ini adalah, terdapat konsumsi daya listrik saat arus mengalir dari kanan ke kiri, walau LED tidak menyala.

Tegangan VL hanya akan timbul saat LED menyala. Dan tegangan VD hanya akan timbul saat LED tidak menyala. Karena arus yang melalui rangkaian adalah arus bolak-balik, maka akan sulit untuk mengukur tegangan LED (VL) dengan akurat. Tegangan pada resistor (VR) adalah tegangan bolak-balik.

Pada rangkaian di atas, resistor diganti dengan kapasitor. Jika dilalui oleh arus bolak-balik, maka kapasitor akan bekerja seperti resistor. Resistansi kapasitor disebut reaktansi, karena resistansi pada kapasitor adalah reaksi dari kapasitor tersebut terhadap arus bolak-balik. Agar didapat nilai reaktansi yang tepat, maka ukuran kapasitor dapat dihitung dengan rumus:

Reaktansi kapasitor = Xc = 1 / (2 . Pi . f . C )

Jika reaktansi kapasitor disetel sama dengan resistansi sebagaimana pada rangkaian sebelumnya, yaitu 330 kilo ohm, dan frekuensi tegangan bolak-balik ( f ) adalah 50 hertz . Maka ukuran kapasitor adalah:

C = 1 / (2 . Pi . f . Xc) = 1 / (2 x 22/7 x 50 x 330.000) = 9.65 x 10 ^ (-9) = 9.65 nanofarad

Atau bisa dibulatkan menjadi 10 nanofarad. Tapi masalahnya kapasitor ini harus tahan terhadap tegangan tinggi, minimal mencapai 250 volt. Dan kapasitor ini juga harus dari tipe kapasitor untuk arus bolak-balik (AC), yang mana biasanya harganya lebih mahal dari kapasitor arus searah (DC).

Secara teoritis kapasitor pada rangkaian ini tidak akan menimbulkan panas. Karena kapasitor mengeluarkan kembali energi listrik yang ditampungnya, tidak dalam bentuk energi panas. Sehingga tidak perlu ada perhitungan daya. Tapi pada prakteknya material dielektrik di dalam kapasitor dapat menimbulkan panas, sebagai effek dari perubahan-perubahan tegangan. Hal ini sering terjadi pada frekuensi tinggi. Maka diperlukan kapasitor dengan bahan dielektrik yang bagus, dan tentu saja harganya lebih mahal.

Jika nyala LED masih kurang terang, maka ukuran kapasitor diperbesar secara hati-hati. Sifat kapasitor pada arus bolak-balik adalah kebalikan resistor. Pada resistor, semakin tinggi nilainya maka semakin besar hambatannya. Pada kapasitor, semakin tinggi nilainya maka semakin kecil hambatannya terhadap arus bolak-balik, sebagaimana dapat dihitung pada rumus reaktansi di atas.

Adakalanya LED sangat sensitive dan tidak tahan terhadap tegangan terbalik. Untuk itu perlu ditambahkan dioda penyearah, sebagaimana skema berikut.


Tampak pada rangkaian di atas, ditambahkan sebuah dioda penyearah yang disambung serie dengan LED. Sehingga LED benar-benar terlindung dari tegangan terbalik.

Karena pertimbangan-pertimbangan di atas, dari semua rangkaian-rangkaian tersebut maka rangkaian yang disarankan dan akhirnya divideokan adalah rangkaian yang paling atas.