Minggu, 26 April 2009

KARAKTERISTIK DIODA

DIODA

1. Pengertian

Dioda adalah bentuk sederhana dari semikonduktor. Semikonduktor digunakan untuk mengendalikan arah elektron. Dioda mempunyai dua buah terminal yaitu Anoda dan Katoda. Resistansi untuk arah arus dari Anoda ke Katoda sangat kecil, sedangkan untuk arah arus dari Katoda ke Anoda sangat besar. Sehingga dioda dapat digunakan sebagai katup elektron searah. Elektron dapat melewati dioda pada satu arah (Anoda ke Katoda) tetapi tidak pada arah sebaliknya. ). Dioda terbuat dari bahan semi konduktor tipe P dan semi konduktor tipe N yang di sambungkan. Semi konduktor tipe P berfungsi sebagai Anoda dan semi konduktor tipe N berfungsi sebagai katoda. Pada daerah sambungan 2 jenis semi konduktor yang berlawanan ini akan muncul daerah deplesi yang akan membentuk gaya barier. Gaya barier ini dapat ditembus dengan tegangan + sebesar 0.7 volt yang dinamakan sebagai break down voltage, yaitu tegangan minimum dimana dioda akan bersifat sebagai konduktor/penghantar arus listrik.

Dioda bersifat menghantarkan arus listrik hanya pada satu arah saja, yaitu jika kutub anoda kita hubungkan pada tegangan + dan kutub katoda kita hubungkan dengan tegangan - (kita beri bias maju dengan tegangan yang lebih besar dari 0.7 volt) maka akan mengalir arus listrik dari anoda ke katoda (bersifat konduktor). Jika polaritasnya kita balik (kita beri bias mundur) maka arus yang mengalir hampir nol atau dioda akan bersifat sebagai isulator.

Karena sifat dioda yang bekerja sebagai konduktor jika kita beri bias maju dan bekerja sebagai isulator pada bias mundur, maka dioda sering digunakan sebagai penyearah (rectifier) arus bolak-balik. Contoh penggunaannya adalah pada rangkaian adaptor, DC power supply (Catu Daya DC) dsb.

simbol dari dioda :


Anoda katoda

Dioda merupakan jenis VACUUM tube yang memiliki dua buah elektroda. Dioda tabung pertama kali diciptakan oleh seorang ilmuwan dari Inggris yang bernama Sir J.A. Fleming (1849-1945) pada tahun 1904.

Struktur dan skema dari dioda dapat dilihat pada gambar 7 di samping.


Padadioda,platediletakkandalamposisi mengelilingi katoda sedangkan heater disisipkan di dalamkatoda.

Elektron padakatodayang dipanaskan oleh heater akan bergerak dari katoda menuju plate.
Untuk dapat memahami bagaimana cara kerja dioda kita dapat meninjau 3 situasi sebagi berikut ini yaitu :
- Dioda diberi tegangan nol
- Dioda diberi tegangan negative
- Dioda diberi tegangan positive

1.1. Dioda Diberi Tegangan nol

Ketika dioda diberi tengangan nol maka tidak ada medan listrik yang menarik elektron dari katoda. Elektron yang mengalami pemanasan pada katoda hanya mampu melompat sampai pada posisi yang tidak begitu jauh dari katoda dan membentuk muatan ruang ( Space Charge).Tidak mampunya elektron melompat menuju katoda disebabkan karena energi yang diberikan pada elektron melalui pemanasan oleh heater belum cukup untuk menggerakkan elektron menjangkau plate.

1.2. Dioda diberi tegangan negative



Ketika dioda diberi tegangan negatif maka potensial negatif yang ada pada plate akan menolak elektron yang sudah membentuk muatan ruang sehingga elektron tersebut tidak akan dapat menjangkau plate sebaliknya akan terdorong kembali ke katoda, sehingga tidak akan ada arus yang mengalir.


1.3. Dioda diberi tegangan positive


Ketika dioda diberi tegangan positif maka potensial positif yang ada pada plate akan menarik elektron yang baru saja terlepas dari katoda oleh karena emisi thermionic, pada situasi inilah arus listrik baru akan terjadi. Seberapa besar arus listrik yang akan mengalir tergantung daripada besarnya tegangan positif yang dikenakan pada plate. Semakin besar tegangan plate akan semakin besar pula arus listrik yang akan mengalir.


Oleh karena sifat dioda yang seperti ini yaitu hanya dapat mengalirkan arus listrik pada situasi tegangan tertentu saja, maka dioda dapat digunakan sebagai penyearah arus listrik (rectifier). Pada kenyataanya memang dioda banyak digunakan sebagai penyearah tegangan AC menjadi tegangan DC.

2. Jenis –Jenis Dioda


Pada dasarnya setiap dioda memiliki karakteristik yang sama tetapi ada beberapa dioda yang memiliki keistimewaan khusus, diantaranya :


2.1. Dioda Zener


Dioda zener adalah tipe dioda yang spesial, dimana arus dapat mengalir pada arah kebalikan. Dioda zener sebenarnya sama seperti dioda biasa dapat mengalirkan arus pada arah bias maju. Jika di bias terbalik juga bekerja seperti biasa, kecuali bila mencapai tegangan yang bekerja pada zener/break down voltage, dioda zener akan mengalirkan arus listrik dalam arah bias terbalik atau mundur. Dioda menolak aliran arus pada arah kebalikan selama tegangan balik (reversing voltage) tetap rendah. Tetapi jika tegangan mendekati batas break down, dioda zener akan dialiri arus pada arah kebalikan. Dengan kata lain tahanan dioda zener break down mendekati nol dan arus balik (reverse current) dapat mengalir.


Apabila arah arus ke depan, dioda zener memiliki karakteristik yang sama dengan dioda-dioda secara umum, tetapi karakteristik lainnya adalah arus akan mengalir ke dioda zener secara tiba-tiba dari satu tegangan balik tertentu apabila tegangan digunakan pada arah berlawanan. Tegangan kerja pada saat itu disebut dengan tegangan break down yang besarnya antara beberapa volt sampai beberapa ratus volt. Aplikasi dioda zener pada otomotif adalah pada sistem pengisian elektronika dan beberapa komponen-komponen elektronik lainnya.

Simbol dioda Zener

Ukuran dioda zener yang banyak dijumpai di pasaran adalah :
• Tegangan Zener : dibuat dalam berbagai ukuran tegangan, misal 3.3, 4.7, 5.1, 6.2, 6.8, 9.1, 10, 11, 12, 13, 15 sampai 200 volt.
• Untuk ukuran daya lebih banyak dibutuhkan dalam arah/bias mundur contoh : P= 1.0,7=0,7 W, bias maju arus 1 A. P= 1.10=10 watt, bias mundur 1 A.


2.2. Light Emiting Dioda(LED)


Yaitu jenis dioda yang mampu menghasilkan cahaya apabila pada dioda tersebut bekerja arus listrik dengan arah forward bias/ bias arus maju. Arus listrik juga akan bekerja hanya pada arus bias maju. LED didesign dengan rumah atau case dari bahan epoxy trasnparan. Warna cahaya yang dihasilkan dapat dibuat sesuai dengan dopping bahan pada LED.

Simbol LED

2.3. Dioda Foto


Jika semi konduktor menyerap cahaya, maka dapat tercipta pasangan elektron bebas-lubang yang melebihi jumlah yang telah ada dalam semi konduktor itu akibat kegiatan termal. Gejala ini disebut penyerapan foto (foto absorption).

Meningkatnya konduktifitas listrik akibat kelebihan muatan pembawa oleh penyerapan foto disebut konduktifitas foto (foto konduktivity). Jika bungkus semi konduktor diberi “jendela” transparan (tembus cahaya) maka konduktifitas listrik semi konduktor tergantung pada intensitas cahaya yang jatuh padanya. Inilah prinsip kerja sebuah dioda foto.

Simbol dioda Foto

3. Aplikasi dioda


Aplikasi dioda pada kendaraan banyak digunakan untuk penyearahan arus seperti pada sistem pengisaian. Fungsi dioda adalah sebagai penyearah arus dari arus bolak-balik menjadi arus searah agar dapat dimanfaatkan untuk mengisi baterai dan menyuplai kebutuhan arus pada kendaraan.


Fungsi lain dioda ini pada kendaraan adalah sebagai anti shock tegangan. Contoh aplikasinya adalah pada jenis relay diberikan dioda dengan tujuan untuk mencegah terjadinya arus balik pada rangkaian. Arus balik listrik ini dapat berasal dari induksi medan magnet yang dihasilkan oleh kumparan relay. Induksi listrik ini biasanya lebih tinggi tegangannya dibandingkan dengan tegangan sumber. Untuk mencegah terjadinya kerusakan akibat terjadinya tegangan induksi ini maka pada rangkaian relay dipasangkan rangkaian dioda.

3.1 Penerapan Dioda Dalam Rangkaian Penyearah


Karena sebuah dioda sambungan P-N hanya dapat mengalirkan arus listrik dalam satu arah, maka diode dapat dimanfaatkan sebagai penyearah (rectifier) untuk mengubah arus bolak-balik (AC) menjadi arus searah (DC). Ada dua jenis penyearah yang kita pelajari, yaitu penyearah setengah-gelombang (half-wave rectifier) dan penyearah gelombang–penuh (full-wave rectifier) .


3.11. Penyearah setengah-gelombang


Rangkaian penyearah yang paling sederhana adalah penyearah setengah-gelombang, terdiri dari sebuah diode yang dipasang pada sisi sekunder sebuah trafo dan diserikan dengan sebuah beban R, seperti pada gambar penyearah setengah gelombang. Tegangan searah yang dibutuhkan oleh beban, seperti lampu, relay, bateray, dll. Transformator mengubah tegangan bolak balik tertentu menjadi tegangan sesuai untuk disearahkan.


Tegangan sisi sekunder trafo, yaitu Vi, merupakan tegangan masukan untuk rangkaian penyearah setengah-gelombang. Tegangan masukan (Vi) ini adalah tegangan bolak balik yang berbentuk sinusoida, seperti pada gambar a (atas). Dalam satu periode, polaritas tegangan positif dan negatif berubah secara bergantian. Kita hanya meninjau satu periode gelombang saja, yaitu setengah periode positif Oab dan setengah periode negatif bcd.


Dalam setengah periode positif Oab, diode diberi panjar maju (anode A berhubungan dengan polaritas + dan katode K berhubungan dengan polaritas -), sehingga diode akan mengalirkan arus melalui beban R. Untuk beban yang dianggap resistif murni R, tegangan keluaran (Vo) atau ujung-ujung beban sama dengan tegangan masukan (Vi). Karena itu, bentuk teganga keluaran (Vo) sama dengan setengah gelombang tegangan Oab.


Dalam setengah periode negatif berikutnya, yaitu bcd, dioda diberi panjar mundur (anode A berhubungan dengan polaritas K berhubungan dengan +), sehingga dioda tidak akan mengalirkan arus melalui beban R. Ini mengakibatkan tegangan keluaran (Vo) antara ujung-ujung beban sama dengan nol, dan digambarkan dengan garis lurus mendatar bd seperti pada gambar a (bawah).


Bentuk gelombang tegangan keluaran pada rangkaian penyearah setengah gelombang, ditunjukkan pada gambar a bawah dengan garis putus-putus tidak disertakan. Karena menghasilkan tegangan keluaran searah hanya dalam setengah periode positif dari gelombang tegangan masukan, maka penyearah ini disebut penyearah setengah-gelombang.


3.12. Penyearah Gelombang Penuh


Agar dapat mengalirkan arus dalam satu gelombang penuh sehingga tegangan keluaran lebih mudah diratakan dan dapat menghasilkan nilai konstan, kita gunakan penyearah gelombang penuh. Penyearah gelombang-penuh dapat menggunakan empat dioda yang dihubungkan seperti jembatan wheatstone, disebut juga penyearah jembatan, seperti pada gambar rangkaian di bawah ini.


Tegangan masukan dipasang antara terminal A dan B, sedang beban R dipasang antara terminal P dan Q. Untuk penyearah jembatan selalu hanya sepasang dioda yang mengalirkan arus melalui beban R, sedang sepasang dioda lainnya tidak. Dalam rangkaian ini, pasangan dioda adalah D1 dengan D4, dan D2 dengan D3. (secara sederhana pasangan dioda ditunjukkan oleh dioda-dioda yang arah panahnya sejajar).


Dalam setengah periode positif, (Vi positif), pasangan dioda D2 dan D3 dipanjar maju, sedangkan pasangan dioda D1 dan D4 dipanjar mundur. Arus listrik akan mengalir dari tegangan masukan melalui pasangan dioda D2 dan D3 dan beban R dengan arah dari Q ke P. Jadi, dalam periode ini, tegangan keluaran (Vo) sama dengan tegangan masukan (Vi).


Dalam setengah periode negatif (Vi negatif), pasangan dioda D4 dan D1 dipanjar maju sedang pasangan dioda D2 dan D3 dipanjar mundur. Arus listrik akan mengalir dari tegangan masukan melalui pasangan dioda D1 dan D4 dan beban R, dengan arah yang sama dari Q ke P, seperti pada gambar. Dapat kita katakan bahwa tegangan masukan (Vi) yang bernilai negatif dijadikan positif pada keluaran. Selanjutnya, bentuk gelombang tegangan masukan (Vi) pada terminal A dan tegangan keluaran (Vo) pada terminal PQ ditunjukkan pada (gambar b), tidak termasuk garis titik-titik.


Oleh karena itu penyearah jembatan menghasilkan tegangan keluaran searah untuk satu periode gelombang tegangan masukan yang diberikan padanya, maka penyearah jembatan disebut juga penyearah gelombang penuh.

3.13. Prinsip Perataan


Tegangan searah yang dihasilkan oleh penyearah setengah gelombang maupun penyearah jembatan (gelombang penuh) memiliki riak yang cukup besar (gelombang tegangan tidak rata). Tegangan searah seperti ini tidak memenuhi syarat untuk diberikan kepada komponen-komponen elektronika yang terdapat dalam radio, televisi dan komputer, yang membutuhkan tegangan searah yang lebih rata.
Secara sederhana tegangan searah dapat diratakan dengan memasang sebuah kapasitor elektrolit kapasitas besar, paralel dengan beban R, seperti pada gambar rangkaian system perataan di bawah ini.

Sewaktu tegangan pada ujung-ujung beban naik terhadap waktu antara A dan B, kapasitor C dimuati sedemikian rupa sehingga polaritas pelat atasnya positif. Sesaat setelah tegangan keluaran penyearah anatara B dan C berkurang, kapasitas C membuang muatan listriknya melalui beban R. sebagai hasilnya, tegangan pada ujung-ujung beban tidak pernah mencapai nol, tetapi mengikuti lintasan garis tebal BD. Tampak bahwa riak gelombang tegangan menjadi lebih kecil dan tegangan searah yang dihasilkan pada ujung-ujung beban adalah lebih rata.

Saat digunakan sebagai penyearah gelombang penuh, dioda secara bergantian menyearahkan tegangan AC pada saat siklus positif dan negatif. Penyearah gelombang penuh ada 2 macam dan penggunaannya disesuaikan dengan transformator yang dipakai. Untuk transformator biasa digunakan jembatan dioda (dioda bridge) sementara untuk transformator CT digunakan 2 dioda saja sebagai penyearahnya.


3.14. Penyearah gelombang penuh dengan jembatan dioda (dioda bridge)


Pada dioda bridge, hanya ada 2 dioda saja yang menghantarkan arus untuk setiap siklus tegangan AC sedangkan 2 dioda lainnya bersifat sebagai isolator pada saat siklus yang sama. Untuk memahami cara kerja dioda bridge, perhatikanlah kedua gambar berikut.



Saat siklus positif tegangan AC, arus mengalir melalui dioda B menuju beban dan kembali melalui dioda C. Pada saat yang bersamaan pula, dioda A dan D mengalami reverse bias sehingga tidak ada arus yg mengalir atau kedua dioda tersebut bersifat sebagai isolator.




Sedangkan pada saat siklus negatif tegangan AC, arus mengalir melalui dioda D menuju beban dan kembali melalui dioda A. Karena dioda B dan C mengalami reverse bias maka arus tidak dapat mengalir pada kedua dioda ini.

Kedua hal ini terjadi berulang secara terus menerus hingga didapatkan tegangan beban yang berbentuk gelombang penuh yang sudah disearahkan (tegangan DC). Grafik sinyal dari penyearah gelombang penuh dengan jembatan dioda (dioda bridge) ditunjukkan seperti pada gambar berikut:




Jembatan dioda (dioda bridge) tersedia dalam bentuk 1 komponen saja atau pun bisa dibuat dengan menggunakan 4 dioda yang sama karakteristiknya. Yang harus diperhatikan adalah besar arus yang dilewatkan oleh dioda harus lebih besar dari besar arus yang dilewatkan pada rangkaian.


3.15. Penyearah gelombang penuh menggunakan 2 dioda

Seperti telah disebutkan diatas, penyearah gelombang penuh menggunakan 2 dioda ini hanya bisa digunakan pada transformator CT, dimana tegangan sekunder yang dihasilkan oleh trafo CT ini adalah :

dimana V1=teg primer dan V2=teg sekunder


Cara kerja penyearah gelombang penuh jenis ini dapat dijelaskan seperti berikut :



Pada artikel mengenai trafo diketahui bahwa pada bagian sekunder trafo CT terdapat 2 sinyal output yang terjadi secara bersamaan, mempunyai amplitudo yang sama namun berlawanan fasa. Saat tegangan input (teg primer) berada pada siklus positif, pada titik AO akan terjadi siklus positif sementara pada titik OB akan terjadi siklus negatif. Akibatnya D1 akan mengalami panjaran maju (forward bias) sedangkan D2 mengalami panjaran balik (reverse bias) sehingga arus akan mengalir melalui D1 menuju ke beban dan kembali ke titik center tap.



Saat tegangan input (teg primer) berada pada siklus negatif, pada titik AO akan terjadi siklus negatif sementara pada titik OB akan terjadi siklus positif. Akibatnya D2 akan mengalami panjaran maju (forward bias) sedangkan D1 mengalami panjaran balik (reverse bias) sehingga arus akan mengalir melalui D2 menuju ke beban dan kembali ke titik center tap.

Dari penjelasan cara kerja penyearah gelombang penuh jenis ini terlihat bahwa tegangan yang terjadi pada beban mempunyai polaritas yang sama tanpa memperdulikan dioda mana yang menghantar karena arus mengalir melalui arah yang sama sehingga akan terbentuk gelombang penuh yang disearahkan seperti ditunjukkan pada grafik sinyal berikut.

Tidak ada komentar:

Poskan Komentar