Dioda
BAHAN PRESENTASI UNTUK MATAKULIAH ELEKTONIKA 2017
DOSEN PENGAMPU : DARWISON, M.T
Dioda (Diode) adalah Komponen Elektronika Aktif yang terbuat dari bahan semikonduktor dan mempunyai fungsi untuk menghantarkan arus listrik ke satu arah tetapi menghambat arus listrik dari arah sebaliknya. Oleh karena itu, Dioda sering dipergunakan sebagai penyearah dalam Rangkaian Elektronika. Dioda pada umumnya mempunyai 2 Elektroda (terminal) yaitu Anoda (+) dan Katoda (-) dan memiliki prinsip kerja yang berdasarkan teknologi pertemuan p-n semikonduktor yaitu dapat mengalirkan arus dari sisi tipe-p (Anoda) menuju ke sisi tipe-n (Katoda) tetapi tidak dapat mengalirkan arus ke arah sebaliknya.
1.1 Lapisan Pengosongan[kembali]
Gambar 1 PN Junction
Secara difusi bila suatu elektron memasuki daerah p maka elektron ini sebagai pembawa minoritas. Dengan dikelilingi oleh lubang-lubang yang berjumlah banyak, pembawa minoritas akan masuk ke salah satu lubang, lubang bersangkutan akan lenyap dan elektron bebas menjadi elektron valensi. Daerah yang mengandung ion-ion positif dan negatif disebut lapisan pengosongan (depletion layer) karena pada daerah ini mengalami pengosongan dari pembawa-pembawa muatan elektron maupun hole. Namun proses ini tidak berlangsung te rus, karena potensial dari ion-ion positip dan negatip ini akan mengahalanginya. Tegangan atau potensial ekivalen pada daerah pengosongan ini disebut dengan tegangan penghalang (barrier potential). Besarnya tegangan penghalang ini adalah 0.2 untuk germanium dan 0.6 untuk silikon. Hubungan pn ini yang disebut dioda dengan kaki yang bertanda positif (A) disebut anoda dan kaki yang bertanda negatif (K) disebut katoda.
Gambar 2 Simbol Dioda
1.2 Reverse Bias[kembali]
Gambar 3 Bias Mundur
Pemberian sumber tegangan yang terbalik dimana kaki Anoda (bahan tipe p) dihubungkan ke sumber tegangan negatif dan kaki Katoda (bahan tipe n) dihubungkan ke sumber tegangan positf. Pembawa-pembawa mayoritas tidak dapat menyeberangi persambungan dan elektron-elektron bebas tidak mempunyai energi yang cukup besar untuk menyeberangi persambungan sehingga tidak ada aliran arus dari katoda ke Anoda seperti gambar 3
Gambar 4 Bias Maju
Hubungan forward bias (bias maju) adalah bila kaki Anoda (bahan tipe p) dihubungkan ke sumber tegangan positif dan kaki Katoda (bahan tipe n) dihubungkan ke sumber tegangan negatif. Elektron-elektron bebas di bahan n bergerak menuju ke persambungan yang meninggalkan ion-ion positif di sebelah kanan kristal. Ion-ion positif ini kemudian akan menarik elektron-elektron bebas dari baterai (sumber tegangan) lewat kawat rangkaian. Jadi, arah aliran elektron adalah dari bahan tipe n ( K) ke bahan tipe p (A) dan sebaliknya arah arus dari bahan tipe p (A) ke bahan tipe n (K) seperti gambar 4.
Dioda disebut aktif atau ‘on’ apabila mendapat arus maju IF (forward bias) dari hubungan baterai seperti gambar 4 dan dioda disebut tidak aktif atau ‘off’ apabila mendapat arus mundur IR(reverse bias ) dari hubungan baterai seperti gambar 3. Adapun karakteristik Dioda adalah seperti pada gambar 5.
Gambar 5 Karakteristik Dioda
Dioda aktif apabila Vd >Vf , untuk bahan semikonduktor Silikon VF = 0,7 Volt dan untuk bahan semikonduktor Germanium VF = 0,3 Volt. Dioda tidak aktif apabila VD < 0 maka untuk semikonduktor Silikon ID = 0 mA dan untuk semikonduktor Germanium ID =IR. Pada saat arus reverse bias maksimum atau sama dengan VBD(Breakdown Voltage) maka arus tak terhingga atau dioda dapat menjadi rusak.
Rumus umum untuk arus dioda ID adalah:
dimana,
IS = arus reverse saturasi
k = 11.600/ɳ dengan ɳ=1 untuk Ge dan ɳ=2 untuk Si
Tk = TC + 2730
2.1 Gerbang Logika OR dan AND[kembali] Logika dioda atau Logika dioda–resistor adalah sebuah sirkuit digital yang menggunakan diode untuk membentuk gerbang logika. Hanya gerbang logika takmembalik yang dapat dibuat, jadi ini bukanlah keluarga logikan yang sempurna. Karena tidak memberikan penguatan, taraf keluaran selalu lebih rendah dari taraf masukan, sehingga hanya sedikit gerbang yang dapat dideretkan. Logika diode murni tidak pernah digunakan secara luas karena ini tidak memiliki kelebihan disamping kesederhanaannya.
a. Gerbang OR
Gambar 6 Konstruksi Gerbang OR
Untuk membuat gerbang OR dengan n masukan logika, komponen yang diperlukan adalah:
- n dioda.
- sebuah resistor dengan harga yang lebih tinggi dari impedansi keluaran rangkaian masukan.
n + 2 sambungan listrik, (ground dihitung). Sirkuit dari gerbang dua masukan diperlihatkan berlawanan. Katoda dari setiap diode disambungkan ke keluaran pada sambungan 1. Sebuah resistor menyambungkan sambungan 1 ke sambungan 2 (ground), dan sambungan-sambungan yang tersisa adalah masukan-masukan. Ketika logika 1 muncul pada anode salah satu dioda, ini memanjar maju dioda, membuatnya menghantar. Masukan lalu dapat menginduksikan arus ke keluaran melalui dioda, untuk membuat tegangan keluaran dekat ke logika 1. Jika logika 0 muncul pada anode seluruh dioda, semuanya dipanjar terbalik dan resistor menggerakkan sambungan 1 menuju rendah.
b. Gerbang AND
Gambar 7 Konstruksi Gerbang AND
Untuk membuat gerbang AND dengan n masukan logika, diperlukan komponen berikut:
- n dioda.
- Sebuah resistor dengan harga yang lebih tinggi dari impedansi keluaran rangkaian masukan.
Sebuah contoh ditampilkan di sebelah kiri. Resistor menyambungkan sambungan 1 ke tegangan catu pada sambungan 2. Sambungan 4 dan 5 adalah masukan. Keluaran diambil dari sambungan 1. Jika logika 1 muncul pada katode seluruh dioda, semuanya dipanjar terbalik, sehingga tetap mati dan sambungan 1 ditahan tetap tinggi oleh resistor. Jika logika 0 muncul pada salah satu masukan, ini memanjar maju diode dan membuat sambungan 1 rendah melalui dioda.
(rectification)
2.2.1 Penyearah setengah gelombang
Dioda menyearahkan tegangan AC yang berbentuk gelombang menjadi tegangan DC hanya siklus positif tegangan AC saja. Sedangkan pada saat siklus negatifnya dioda mengalami panjar balik (reverse bias) sehingga tegangan beban menjadi nol.
Pada gambar di bawah
, Vi sebagai tegangan input rangkaian yang mempunyai nilai sebesar 20Vpp (20V peak to peak artinya jarak tegangan antara puncak tegangan dan lembah tegangan). Sesuai dengan karakteristik dioda yaitu panjar maju (forward bias) hanya melewatkan tegangan positif saja, maka hanya gelombang positif saja yang dilewatkan sedangkan gelombang negatif tidak dilewatkan. Setelah disearahkan menggunakan dioda maka akan di dapat bentuk gelombang seperti pada gambar di sebelahnya. Setelah itu bisa dihitung nilai Vrms dan Vdc nya.
Gambar 8 Rangkaian Penyearah Setengah Gelombang
2.2.2 Penyearah Gelombang Penuh
a. Dua Dioda
Seperti telah disebutkan di atas, penyearah gelombang penuh menggunakan 2 dioda ini hanya bisa digunakan pada transformator CT. Pada bagian sekunder trafo CT terdapat 2 sinyal output yang terjadi secara bersamaan, mempunyai amplitudo yang sama namun berlawanan fasa.
Gambar 9 Rangkaian Penyearah Penuh dengan Dua Dioda
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
b. Jembatan Dioda
Pada dioda bridge, hanya ada 2 dioda saja yang menghantarkan arus untuk setiap shklus tegangan sedangkan 2 dioda lainnya bersifat sebagai isolator pada saat siklus yang sama. Unttk memahami cara kerja dioda bridge, perhatikanlah gambar berikut.
Gambar 9 Rangkaian Penyearah Penuh dengan Jembatan Dioda
Saat siklus positif, arus mengalir melalui dioda D2 menuju beban dan kembali melalui dioda D3. Pada saat yang bersamaan pula, dioda D1 dan D4 mengalami panjar balik (reverse bias) sehingga tidak ada arus yg mengalir atau kedua dioda tersebut bersifat sebagai isolator.
Sedangkan pada saat siklus negatif, arus mengalir melalui dioda D1 menuju beban dan kembali melalui dioda D4. Karena dioda D2 dan D3 mengalami panjar balik (reverse bias) maka arus tidak dapat mengalir pada kedua dioda ini.
Sedangkan pada saat siklus negatif, arus mengalir melalui dioda D1 menuju beban dan kembali melalui dioda D4. Karena dioda D2 dan D3 mengalami panjar balik (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). Untuk Jembatan dioda (dioda bridge) ini tersedia dalam bentuk 1 komponen saja dipasaran. Jika ingin membuat merancang sendiri bisa dibuat dengan menggunakan 4 dioda yang sama karakteristiknya. Yang harus diperhatikan adalah kapasitas arus yang dilewatkan oleh dioda harus lebih besar dari besar arus yang dilewatkan pada rangkaian.
Dioda sebagai Rangkaian pemotong (Clipper)
Gambar 10 Rangkaian Clipper
Rangkaian dioda pemotong (Clipper) juga dikenal sebagai Pembatas tegangan (voltage limiter). Rangkaian ini digunakan untuk membatasi tegangan sinyal input pada suatu level tegangan tertentu. Rangkaian ini berguna untuk pembentukan sinyal dan juga untuk melindungi rangkaian dari sinyal-sinyal yang tidak diinginkan. Beberapa aplikasi daritas tegangan adalah noise limiter dan audio limiter.
Rangkaian pembatas tegangan ada 2 jenis berdasarkan pada level tegangan yg dibatasi. Pembatas tegangan yang membatasi tegangan sinyal input pada bagian positifnya disebut pembatas tegangan positif (positive limiter) sedangkan yang membatasi tegangan sinyal input pada bagian negatifnya disebut pembatas tegangan negatif (negative limiter).
Rangkaian Clamper adalah rangkaian yang digunakan untuk memberikan offset tegangan DC, dengan demikian, tegangan yang dihasilkan adalah tegangan input ditambahkan dengan tegangan DC.
Rangkaian ini ditunjukkan oleh berikut ini.
Gambar 11 Rangkaian Clamper
Rangkaian Clamper Rangkaian ini berfungsi untuk mendorong sinyal masukanpada suatu level tegangan DC tertentu.
Dioda Zener adalah diode yang memiliki karakteristik menyalurkan arus listrik mengalir ke arah yang berlawanan jika tegangan yang diberikan melampaui batas "tegangan tembus" (breakdown voltage) atau "tegangan Zener". Ini berlainan dari diode biasa yang hanya menyalurkan arus listrik ke satu arah.
Dioda yang biasa tidak akan mengalirkan arus listrik untuk mengalir secara berlawanan jika dicatu-balik (reverse-biased) di bawah tegangan rusaknya. Jika melampaui batas tegangan operasional, diode biasa akan menjadi rusak karena kelebihan arus listrik yang menyebabkan panas. Namun proses ini adalah reversibel jika dilakukan dalam batas kemampuan. Dalam kasus pencatuan-maju (sesuai dengan arah gambar panah), diode ini akan memberikan tegangan jatuh (drop voltage) sekitar 0.6 Volt yang biasa untuk diode silikon. Tegangan jatuh ini tergantung dari jenis diode yang dipakai.
Gambar 12 Simbol Dioda Zener
Rangkaian pelipat tegangan adalah rangkaian yang dapat menghasilkan tegangan DC beberapa kali lebih besar dari tegangan puncak sinyal input. Dengan kata lain, sinyal DC yang dihasilkan dapat sebesar 2x, 3x, 4x dan seterusnya dari besarnya sinyal AC yang masuk rangkaian. Rangkaian pelipat tegangan digunakan pada rangkaian pencatu tabung sinar katoda.
Gambar 13 Rangkaian Multiple Voltage
untuk materi yang lebih lengkap silahkan download disini (File html ini dibuat oleh rekan kelompok)
silahkan didownload disini, untuk melihat rangkaian diatas. (Rangkaian menggunakan Multisim 13)
DAFTAR PUSTAKA
1. Boylestad, R. and Nashelsky, L., 1999, “Electronic Devices and Circuit Theory”, Prentice Hall, New Jersey.
2. Hayt, W. H. and Neudeck, G. W., “Electronic Circuit Analysis and Design”, Houghton Mifflin Company, Boston.
3. Coughlin, R. F. and Driscoll F. F., 1985, “Operational Amplifiers and Linear Integrated Circuits”, Prentice Hall, New Jersey.
4. Paynter, R. T.,1997, ”Introductory Electronic Devices and Circuits”, Prentice Hall, New Jersey.
5. Malvino, 1985, “ Aproksimasi Rangkaian Semikonduktor: Pangantar Transistor dan Rangkaian Terpadu”, Penerbit Erlangga.
6. Mike Tooley, 2002, “ Rangkain Elektronika: Prinsip dan Aplikasi”, Penerbit Erlangga
7. Darwison, 2008, “Diktat Elektronika Analog”, Teknik Elektro – Unand, Padang.
8. Darwison, 2010, “Diktat Dasar Elektronika”, Teknik Elektro – Unand, Padang.
9. Darwison, 2010, “Panduan Praktikum Dasar Elektronika Digital”, Teknik Elektro – Unand, Padang.
Tidak ada komentar:
Posting Komentar