Clippers & Clampers

Clipper adalah rangkaian dioda yang berfungsi untuk melakukan clip (memotong sinyal) terhadap sinyal input tanpa mendistorsi sinyal sisa. Umumnya rangkaian clipper digunakan untuk memotong atau mengeliminasi sinyal noise atau bentuk gelombang baru pada suatu sinyal.

Untuk memudahkan pemahaman tentang pemahaman clipper, tegangan dioda 0,7 Volt diabaikan sehingga sinyal yang melewati dioda tidak terpotong di 0,7 volt, atau dengan kata lain bab ini menggunakan dioda ideal.

Rangkaian dasar clipper ada dua yaitu : 

1. Clipper seri 
2. Clipper paralel

1. Rangkaian Clipper Seri 

Rangkaian clipper seri dapat dilihat pada Gambar 1 yaitu dioda dipasang seri terhadap beban. 

Gambar 1. Dasar rangkaian Clipper Seri

Pada rangkaian clipper seri Gambar 1, setengah sinyal positif dilewatkan melalui dioda dan setengah sinyal negatif di-blok sehingga hanya separuh sinyal positif saja yang muncul pada output. Output berbentuk sinyal persegi ditunjukan pada Gambar 2 dan Gambar 3 untuk sinyal segitiga. 

Gambar 2. Sinyal persegi terpotong (clipped) bagian bawah

Gambar 3. Sinyal segitiga terpotong (clipped) bagian bawah

Tegangan Bias pada Clipper Seri 
Tegangan bias seri pada clipper merupakan rangkaian dioda penyearah setengah gelombang yang diberi sumber tegangan dc disusun seri terhadap dioda.  Rangkaian bias seri clipper memiliki beberapa variasi rangkaian sebagai berikut : 

Bias seri reverse

Gambar 4. Bias seri Clipper

Gambar 4 menunjukan bahwa saat tegangan Vi sama dengan Vm dan sama dengan V maka output dioda adalah 0. Beberapa kondisi yang dapat terjadi pada Gambar 4 adalah sbb :

1. Tegangan input (Vi) harus lebih besar dari tegangan dc (V), sehingga tegangan output adalah tegangan input dikurangi tegangan dc (Vi - V). 
2. Jika tegangan input (Vi) besarnya sama dengan tegangan dc (V) maka tegangan output menjadi 0 Volt (tidak ada output). 
3. Jika tegangan input lebih kecil dari tegangan dc maka tidak ada arus mengalir melalui dioda atau tegangan output pada dioda adalah 0 atau tidak ada tegangan.

Variasi kedua

Gambar 5a. Sinyal input rangkaian clipper seri dengan forward bias

Tegangan input dengan sinyal sinusoidal pada rangkaian Gambar 5a menghasilkan output seperti ditunjukan Gambar 5b.

Gambar 5b. Sinyal ouptut clipper seri dengan forward bias

Gambar 5b menunjukan bahwa sinyal input rangkaian pada Gambar 5a mempunyai bentuk output seperti ditunjukan Gambar 5b dengan penjelasan bahwa dengan forward bias sebesar 5 Volt maka sinyal input dinaikan level tegangannya menjadi 5 Volt sehingga besarnya tegangan output (Vo) adalah tegangan input (Vi) ditambah dengan 5 Volt (Vi + 5 Volt).

2. Rangkaian Clipper Paralel 

Rangkaian clipper paralel dapat dilihat pada Gambar 6 dimana dioda dipasang paralel terhadap beban.

Gambar 6. Dasar rangkaian clipper paralel

Output sinyal rangkaian clipper paralel Gambar 6 terpotong setengah gelombang sinyal positif seperti ditunjukan pada Gambar 7a dan 7b.

Gambar 7. Output rangkaian clipper paralel

Gambar 7 menunjukan bahwa saat sinyal gelombang positif masuk pada rangkaian clipper paralel, maka sinyal tersebut akan langsung dibuang atau dialirkan sepenuhnya ke ground oleh dioda sehingga tegangannya menjadi 0 Volt. Saat setengah gelombang negatif dioda dalam keadaan tidak mengalirkan arus listrik yang menyebabkan setengah gelombang negatif tidak terpotong dan masih utuh.

Tegangan Bias pada Clipper paralel

Bias pada Clipper paralel adalah rangkaian clipper paralel dimana dioda diberi bias baik forward maupun reverse. Gambar 8 menunjukan rangkaian paralel menggunakan forward bias.

Gambar 8. Tegangan bias pada clipper paralel

Rangkaian clipper paralel dengan forward bias memiliki input sinyal sinusoidal dengan tegangan peak +16 Volt dan -16 Volt yang dapat dilihat pada Gambar 8a. Saat melewati rangkaian clipper paralel forward bias sebesar 4 Volt maka sinyal input dengan tegangan dibawah 4 Volt terpotong, sehingga sinyal output berbentuk seperti ditunjukan pada Gambar 8b. Saat sinyal input diatas 4 Volt tidak terjadi perubahan atau pemotongan sinyal.

Clamper

Rangkaian clamper digunakan untuk melakukan clamp (menggeser) sebuah sinyal ke level dc yang berbeda. Clamper juga sering disebut sebagai dc restores. Rangkaian clamper sendiri terdiri dari beberapa komponen yaitu :

1. Kapasitor
2. Dioda
3. Elemen resitif (resistor)

Rangkaian Clamper mirip dengan rangkaian Clipper paralel hanya saja ditambahkan kapasitor secara seri terhadap input seperti pada Gambar 9.

Gambar 9. Rangkaian clamper

Jika sinyal input persegi masuk ke rangkaian clamper yang ditunjukan Gambar 9 maka bentuk sinyal output seperti ditunjukan Gambar 10.

Gambar 10. Output rangkaian clamper

Saat sinyal input pada posisi setengah gelombang positif dioda mengalirkan arus listrik sehingga arus listrik mengalir melalui kapasitor dan dioda, kemudian kapasitor menyimpan muatan listrik. Saat input setengah gelombang negatif dioda tidak mengalirkan arus listrik, karena sebelumnya kapasitor menyimpan muatan listrik sebesar setengah gelombang positif tadi maka tegangan setengah gelombang negatif dikurangkan dengan tegangan yang disimpan pada kapasitor sehingga tegangan pada setengah gelombang negatif menjadi dua kalinya (setengah gelombang negatif dikurangi setengah gelombang positif) yang dapat dilihat pada sinyal output Gambar 10. 

1. Clamper dengan forward bias

Clamper dengan tegangan forward bias adalah rangkaian clamper dimana pada dioda diberikan tegangan dc forward seperti ditunjukan pada Gambar 11b.

Contoh perhitungan tegangan output rangkaian clamper Gambar 11b dengan sinyal input Gambar 11a. Semua komponen pada rangkaian clamper di bawah diasumsikan menggunakan komponen ideal.

Gambar 11. Bentuk sinyal input dan output rangkaian clamper forward bias

Saat sinyal input Gambar 11a masuk pada rangkaian clamper Gambar 11b, ada beberapa langkah untuk menghitung dan menentukan gambar ouput yang ditunjukan Gambar 11c yaitu :

1. Saat periode 0 - t1 sinyal tegangan input -20 Volt. Arus mengalir pada dioda dan kapasitor karena kapasitor dianggap terhubung singkat hingga minyimpan muatan listrik hingga penuh. Tegangan pada kapasitor adalah 20V dijumlah dengan 5V (hal ini disebabkan tegangan negatif dibalik menjadi positif oleh dioda).  Tegangan output selalu terukur 5 Volt, hal ini disebabkan oleh terminal output diletakan pada terminal katoda dan terminal negatif battery. 

   

   Gambar 12. Siynal output periode t0 - t1

   
   
2. Saat periode t1 - t2 sinyal tegangan input gelombang +10 Volt.  Dioda dalam keadaan off atau tidak menyambung dan kapasitor mengeluarkan (discharge) muatannya, sehingga tegangan pada terminal output adalah jumlah tegangan +10 Volt dengan tegangan yang tersimpan pada kapasitor yaitu +25 Volt sehingga tegangan total output terukur adalah +35 Volt. 

   

   Gambar 13. Sinyal output periode t1 - t2

   
     
3. Saat periode t2 - t3 sinyal tegangan input kembali ke -20 Volt maka dioda dalam kondisi menyambung (forward bias), lalu tegangan input  20 Volt dijumlahkan dengan tegangan forward bias dioda 5V dikarenakan tegangan -20 Volt diubah menjadi +20 Volt oleh dioda. Karena kapasitor kosong maka arus mengalir melalui dioda dan kapasitor. Tegangan pada terminal output terukur sebesar tegangan forward bias dioda 5 Volt.

   

   Gambar 13. Sinyal output periode t2 - t3

   
     
4. Saat periode t3 - t4 tegangan input +10 Volt. Pada periode ini kapasitor telah terisi penuh lalu melakukan discharged atau mengeluarkan muatannya yang dijumlahkan dengan tegangan input sebesar 10 Volt sehingga total tegangan yang dikeluarkan kapasitor adalah 10 Volt dijumlahkan dengan 25 Volt yaitu 35 Volt. 

   

   Gambar 15. Sinyal output periode t3 - t4

Dari langkah 1 hingga 4 jika sinyal berulang maka Gambar output rangkaian clamper ditunjukan pada Gambar 16. 

Gambar 16. Sinyal output periode t3 - tn

2. Clamper dengan reverse bias

Clamper dengan reverse bias adalah rangkaian clamper dimana pada komponen dioda ditambahkan sumber tegangan dc yang arahnya berkebalikan dari arah dioda saat on atau mengalirkan arus listrik seperti ditunjukan pada Gambar 17b.

Gambar 17. Clamper dengan reverse bias

Gambar 18 menunjukan bentuk sinyal output dari rangkaian clamper pada Gambar 17 di atas.

Gambar 18. Bentuk sinyal output rangkaian clamper pada Gambar 17

Penjelasan sinyal output Gambar 18 dari bentuk sinyal input dan rangkaian clamper Gambar 17 adalah sebagai berikut :

1. Saat periode 0 - t1 tegangan input -20 Volt. Periode ini dioda on dan arus listrik mengalir melalui dioda dan kapasitor. Kapasitor mengisi (charge) muatan listrik hingga penuh dengan tegangan 20 Volt dikurangkan dengan 5 Volt yaitu 15 Volt. Hal ini terjadi karena tegangan -20 Volt dibalik menjadi tegangan positif oleh dioda. Karena output berada pada terminal katoda dioda dan terminal positif battery, maka tegangan terukur pada terminal output adalah tegangan reverse battery yaitu -5 Volt. 
2. Saat periode t1 - t2 tegangan input +10 Volt. Periode ini dioda dalam keadaan off atau tidak menghantar karena tegangan pada terminal katoda lebih tinggi dibanding terminal Anoda. Kapasitor mengeluarkan muatan listrik (discharge) sehingga tegangan pada kapasitor dan sekaligus sebagai tegangan output menjadi lebih besar yaitu 10 Volt dijumlahkan dengan tegangan listrik yang tersimpan pada kapasitor 15 Volt dengan hasil penjumlahan  25 Volt. 
3. Saat periode t2 - t3 tegangan input -20 Volt. Pada periode ini kapasitor kembali diisi (charge) oleh tegangan sebesar 15 Volt seperti diterangkan pada periode 0 - t1 di atas. Tegangan output terukur  adalah - 5 Volt.
4. Saat periode t3 - t4 tegangan input  +10 Volt. Periode ini adalah pengulangan yang sama persis dengan periode t1 - t2.

EoF