FUNGSI DIODA PADA RANGKAIAN

A.               Setengah Gelombang

                              Penyearah yang paling sederhana adalah penyearah setengah gelombang, yaitu yang terdiri dari sebuah dioda.  Melihat dari namanya, maka hanya setengah gelombang saja yang akan disearahkan.  Gambar 2.1 menunjukkan rangkaian penyearah setengah gelombang.

Prinsip kerja penyearah setengah gelombang adalah bahwa pada saat sinyal input berupa siklus positip maka dioda mendapat bias maju sehingga arus (i) mengalir ke beban (RL), dan sebaliknya bila sinyal input berupa siklus negatip maka dioda mendapat bias mundur sehingga tidak mengalir arus. 

Resistansi dioda pada saat ON (mendapat bias maju) adalah R  yang umumnya nilainya lebih kecil dari RLf. Pada saat dioda OFF (mendapat bias mundur) resistansinya besar sekali atau dalam pembahasan ini dianggap tidak terhigga, sehingga arus dioda tidak mengalir atau i = 0.

Arus yang mengalir ke beban (i) terlihat pada gambar (c) bentuknya sudah searah (satu arah) yaitu positip semua.  Apabila arah dioda dibalik, maka arus yang mengalir adalah negatip. Frekuensi sinyal keluaran dari penyearah setengah gelombang ini adalah sama dengan frekuensi input (dari jala-jala listrik) yaitu 50 Hz.  Karena jarak dari puncak satu ke puncak berikutnya adalah sama. 

Bentuk gelombang sinyal pada dioda seperti gambar 2 dengan anggapan bahwa Rf dioda diabaikan, karena nilainya kecil sekali dibanding RL.  Sehingga pada saat siklus positip dimana dioda sedang ON (mendapat bias maju), terlihat turun tegangannya adalah nol.  Sedangkan saat siklus negatip, dioda sedang OFF (mendapat bias mundur) sehingga tegangan puncak dari skunder trafo (Vm) semuanya berada pada dioda.

B.                 Penyearah gelombang penuh

Rangkaian penyearah gelombang penuh ada dua macam, yaitu dengan menggunakan  trafo CT (center-tap = tap tengah) dan dengan sistem jembatan.  Gambar 3 menunjukkan rangkaian penyearah gelombang penuh dengan menggunakan trafo CT.

Terlihat dengan jelas bahwa rangkaian penyearah gelombang penuh ini merupakan gabungan dua buah penyearah setengah gelombang yang hidupnya bergantian setiap setengah siklus.  Sehingga arus maupun tegangan rata-ratanya adalah dua kali dari penyearah setengah gelombang

Tegangan puncak inverse yang dirasakan oleh dioda adalah sebesar 2Vm.  Misalnya pada saat siklus positip, dimana D1 sedang hidup (ON) dan D2 sedang mati (OFF), maka jumlah tegangan yang berada pada dioda D2 yang sedang OFF tersebut adalah dua kali dari tegangan skunder trafo.  

C.                 Penyearah gelombang penuh sistem jembatan (Bridge Rectifier)

Penyearah gelombang penuh dengan sistem jembatan ini bisa menggunakan sembarang trafo baik yang CT maupun yang biasa, atau bahkan bisa juga tanpa menggunakan trafo. rangkaian dasarnya adalah seperti pada
gambar 4.

Prinsip kerja rangkaian penyearah gelombang penuh sistem jembatan dapat dijelaskan melalui gambar 4.  Pada saat rangkaian jembatan mendapatkan bagian positip dari siklus sinyal ac, maka (gambar 4 b):

Ø  D1 dan D3 hidup (ON), karena mendapat bias maju

Ø  D2 dan D4 mati (OFF), karena mendapat bias mundur

Sehingga arus iI  mengalir melalui D1, RL, dan D3. Sedangkan apabila jembatan memperoleh bagian siklus negatip, maka (gambar 4 c):

Ø  D2 dan D4 hidup (ON), karena mendapat bias maju

Ø  D1 dan D3 mati (OFF), karena mendapat bias mundur  

Sehingga arus i mengalir melalui D2, RL, dan D4. 

Arah arus i1 dan i2 yang melewati RL sebagaimana terlihat pada gambar 4 b dan c 2 adalah sama, yaitu dari ujung atas RL menuju ground.  Dengan demikian arus yang mengalir ke beban (iL) merupakan penjumlahan dari dua arus i1 dan i2, dengan menempati paruh waktu masing-masing.

Rangkaian Clipper (pemotong)

Rangkaian clipper (pemotong) digunakan untuk memotong atau menghilangkan seba- gian sinyal masukan yang berada di bawah atau di atas level tertentu. Contoh sederhana dari rangkaian clipper adalah penyearah setengah gelombang. Rangkaian ini memotong atau menghilangkan sebagian sinyal masukan di atas atau di bawah level nol.

Secara umum rangkaian clipper dapat digolongkan menjadi dua, yaitu: seri dan para- lel. Rangkaian clipper seri berarti diodanya berhubungan secara seri dengan beban, sedang- kan clipper paralel berarti diodanya dipasang paralel dengan beban. Sedangkan untuk mas- ing-masing jenis tersebut dibagi menjadi clipper negatip (pemotong bagian negatip) dan clip- per positip (pemotong bagian positip).  

Petunjuk untuk menganalisa rangkaian clipper seri adalah sebagai berikut:

1.   Perhatikan arah dioda

-   bila arah dioda ke kanan, maka bagian positip dari sinyal input akan dilewatkan, dan bagian negatip akan dipotong (berarti clipper negatip)

-   bila arah dioda ke kiri, maka bagian negatip dari sinyal input akan dilewatkan, dan bagian positip akan dipotong (berarti clipper positip)

2.  Perhatikan polaritas baterai (bila ada)

3.   Gambarlah sinyal output dengan sumbu nol pada level baterai (yang sudah ditentukan pa- da langkah 2 di atas)

4.   Batas pemotongan sinyal adalah pada sumbu nol semula (sesuai dengan sinyal input) Rangkaian clipper seri positip 

clipper positip

clipper negatip

Petunjuk untuk menganalisa rangkaian clipper paralel adalah sebagai berikut:

1.  Perhatikan arah dioda.

-          bila arah dioda ke bawah, maka bagian positip dari sinyal input akan dipotong (berarti clipper positip)

-          bila arah dioda ke atas, maka bagian negatip dari sinyal input akan dipotong (berarti clip- per negatip)

2.  Perhatikan polaritas baterai (bila ada).

3.  Gambarlah sinyal output dengan sumbu nol sesuai dengan input.

4.  Batas pemotongan sinyal adalah pada level baterai.

Rangkaian clipper positip

clipper negatip

  Rangkaian Clamper (Penggeser)

Rangkaian Clamper (penggeser) digunakan untuk menggeser suatu sinyal ke level dc yang lain. Rangkain Clamper paling tidak harus mempunyai sebuah kapasitor, dioda, dan re- sistor, disamping itu bisa pula ditambahkan sebuah baterai. Harga R dan C harus dipilih se- demikian rupa sehingga konstanta waktu RC cukup besar agar tidak terjadi pengosongan muatan yang cukup berarti saat dioda tidak menghantar. Dalam analisa ini dianggap dido- danya adalah ideal.

DIODA SEMIKONDUKTOR

1.      Dioda semikonduktor

Dioda merupakan komponen elektronika non-linier yang sederhana.  Struktur dasar dioda berupa bahan semikonduktor type P yang disambung dengan bahan type N.  Pada ujung bahan type P dijadikan terminal Anoda (A) dan ujung lainnya katoda (K), sehingga dua terminal inilah yang menyiratkan nama dioda.

Adapun semikonduktor adalah bahan yang sifat-sifat kelistrikannya terletak an

tara sifat-sifat konduktor dan isolator.  Sifat-sifat kelistrikan konduktor maupun isolator tidak mudah berubah oleh pengaruh temperatur, cahaya atau medan magnit, tetapi pada semikonduktor sifat-sifat tersebut sangat sensitif.

            Elemen terkecil dari suatu bahan yang masih memiliki sifat-sifat kimia dan fisika yang sama adalah atom.  Suatu atom terdiri atas tiga partikel dasar, yaitu: neutron, proton, dan elektron.  Dalam struktur atom, proton dan neutron membentuk inti atom yang bermuatan positip dan sedangkan elektron-elektron yang bermuatan negatip mengelilingi inti.  Elektron-elektron ini tersusun berlapis-lapis.  Struktur atom dengan model Bohr dari bahan semikonduktor yang paling banyak digunakan, silikon dan germanium, terlihat pada gambar 1.1. 

 

1.2  Semikonduktor type N

Apabila bahan semikonduktor intrinsik (murni) diberi (didoping) dengan bahan bervalensi lain maka diperoleh semikonduktor ekstrinsik.  Pada bahan semikonduktor intrinsik, jumlah elektron bebas dan holenya adalah sama.  Konduktivitas semikonduktor intrinsik sangat rendah, karena terbatasnya jumlah pembawa muatan yakni hole maupun elektron bebas tersebut. 

Jika bahan silikon didoping dengan bahan ketidak murnian (impuritas) bervalensi lima (penta-valens), maka diperoleh semikonduktor tipe n.  Bahan dopan yang bervalensi lima ini misalnya antimoni, arsenik, dan pospor.  Struktur kisi-kisi kristal bahan silikon type n dapat dilihat pada gambar 1.5.

 

1.3  Semikonduktor type P

Apabila bahan semikonduktor murni (intrinsik) didoping dengan bahan impuritas (ketidak-murnian) bervalensi tiga, maka akan diperoleh semikonduktor type p.  Bahan dopan yang bervalensi tiga tersebut misalnya boron, galium, dan indium.  Struktur kisi-kisi kristal semikonduktor (silikon) type p adalah seperti gambar 1.8.

Seperti halnya pada semikonduktor type n, secara keseluruhan kristal semikonduktor type n ini adalah netral.  Karena jumlah hole dan elektronnya sama.  Pada bahan type p, hole merupakan pembawa muatan mayoritas.  Karena dengan penambahan atom dopan akan meningkatkan jumlah hole sebagai pembawa muatan.  Sedangkan pembawa minoritasnya adalah elektron.  

1.4  Dioda Semikonduktor

Dioda semikonduktor dibentuk dengan cara menyambungkan semikonduktor type p dan type n.  Pada saat terjadinya sambungan (junction) p dan n, hole-hole pada bahan p dan elektron-elektron pada bahan n disekitar sambungan cenderung untuk berkombinasi.  Hole dan elektron yang berkombinasi ini saling meniadakan, sehingga pada daerah sekitar sambungan ini kosong dari pembawa muatan dan terbentuk daerah pengosongan (depletion region).

 

 1.5  Bias mundur (Reverse bias)

Bias mundur adalah pemberian tegangan negatip baterai ke terminal anoda (A) dan tegangan positip ke terminal katoda (K) dari suatu dioda.  Dengan kata lain, tegangan anoda katoda VA-K adalah negatip (VA-K < 0). Gambar 1.12 menunjukkan dioda diberi bias mundur.

 

      pada ujung anoda (A) yang berupa bahan tipe p diberi tegangan negatip, maka

hole-hole (pembawa mayoritas) akan tertarik ke kutup negatip baterai menjauhi persambungan.  Demikian juga karena pada ujung katoda (K) yang berupa bahan tipe n diberi tegangan positip, maka elektron-elektron (pembawa mayoritas) akan tertarik ke kutup positip baterai menjauhi persambungan.  Sehingga daerah pengosongan semakin lebar, dan arus yang disebabkan oleh pembawa mayoritas tidak ada yang mengalir.

1.6  Bias maju (Forward Bias )

Apabila tegangan positip baterai dihubungkan ke terminal Anoda (A) dan negatipnya ke terminal katoda (K), maka dioda disebut mendapatkan bias maju (foward bias).  Dengan demikian VA-K adalah positip atau VA-K > 0.  Gambar 1.13 menunjukan dioda diberi bias maju.

 

Dengan pemberian polaritas tegangan seperti pada gambar 1.13, yakni VA-K positip, maka pembawa mayoritas dari bahan tipe p (hole) akan tertarik oleh kutup negatip baterai melewati persambungan dan berkombinasi dengan elektron (pembawa mayoritas bahan tipe n).  Demikian juga elektronnya akan tertarik oleh kutup positip baterai untuk melewati persambungan.  Oleh karena itu daerah pengosongan terlihat semakin menyempit pada saat dioda diberi bias maju.  Dan arus dioda yang disebabkan oleh pembawa mayoritas akan mengalir, yaitu ID.  

1.7  Kurva karakteristik Dioda

Hubungan antara besarnya arus yang mengalir melalui dioda dengan tegangan VA-K dapat dilihat pada kurva karakteristik dioda (gambar 1.14).

Gambar 1.14 menunjukan dua macam kurva, yakni dioda germanium (Ge) dan dioda silikon (Si).  Pada saat dioda diberi bias maju, yakni bila VA-K positip, maka arus ID akan naik dengan cepat setelah VA-K mencapai tegangan cut-in (Vγ).  Tegangan cut-in (Vγ) ini kira-kira sebesar 0.2 Volt untuk dioda germanium dan 0.6 Volt untuk dioda silikon.  Dengan pemberian tegangan baterai sebesar ini, maka potensial penghalang (barrier potential) pada persambungan akan teratasi, sehingga arus dioda mulai mengalir dengan cepat.  

Bagian kiri bawah dari grafik pada gambar 1.14 merupakan kurva karakteristik dioda saat mendapatkan bias mundur.  Disini juga terdapat dua kurva, yaitu untuk dioda germanium dan silikon.  Besarnya arus jenuh mundur (reverse saturation current) Is untuk dioda germanium adalah dalam orde mikro amper dalam contoh ini adalah 1 µA.  Sedangkan untuk dioda silikon Is adalah dalam orde nano amper dalam hal ini adalah 10 nA.

 Apabila tegangan VA-K yang berpolaritas negatip tersebut dinaikkan terus, maka suatu saat akan mencapai tegangan patah (break-down) dimana arus Is akan naik dengan tiba tiba.  Pada saat mencapai tegangan break-down ini, pembawa minoritas dipercepat hingga mencapai kecepatan yang cukup tinggi untuk mengeluarkan elektron valensi dari atom.  Kemudian elektron ini juga dipercepat untuk membebaskan yang lainnya sehingga arusnya semakin besar.  Pada dioda biasa pencapaian tegangan break-down ini selalu dihindari karena dioda bisa rusak.  

1.8    Resistansi Dioda

Karena kurva karakteristik dioda tidak linier, maka resistansi dioda berbeda-beda antara satu titik operasi ke titik operasi lainnya.  Pemberian tegangan dc kepada suatu rangkaian yang ada dioda semikonduktornya akan menentukan titik kerja dioda tersebut pada kurva karakteristik.  Apabila tegangan dc yang diberikan tidak berubah maka titik kerja dioda juga tidak berubah.  Perbandingan antara tegangan pada titik kerja dengan arus yang mengalir pada dioda disebut dengan Resistansi DC atau Resistansi Statis. 

Resistansi dc pada daerah bias maju akan lebih kecil dibanding dengan resistansi pada daerah bias mundur.  Untuk lebih jelasnya dapat diperhatikan contoh 1.1 di bawah ini.  

1.9  Rangkaian Ekivalen Dioda

Rangkaian ekivalen adalah gabungan dari beberapa elemen yang dianggap paling mewakili karakteristik suatu komponen atau sistem yang sesungguhnya. 

Secara umum terdapat tiga macam pendekatan yang digunakan untuk membuat rangkaian ekivalen suatu dioda semikonduktor.  Pendekatan yang paling sederhana adalah model dioda ideal.  Gambar 1.19 menunjukkan model dioda ideal dan karakteristiknya. 

  

Dioda ideal menyerupai suatu saklar, bila VD positip saklar akan menutup (dioda ON) sehingga arus ID besar dan bila VD negatip saklar akan membuka (dioda OFF) sehingga arus ID = 0.  Model dioda ideal dipakai terutama dalam kondisi apabila tegangan dan resistansi jaringan sangat besar, misalnya dalam power supply.

Pendekatan kedua adalah lebih lengkap dari model ideal yaitu model dioda sederhana.  Gambar 1.20 menunjukkan model dioda sederhana dan karakteristiknya.  Rangkaian ekivalennya terdiri atas dioda ideal yang diseri dengan tegangan baterai sebesar 0.7 V (untuk dioda silikon).   Tegangan baterai ini sebesar tegangan cut-in dari dioda yang bersangkutan. 

 Pendekatan ketiga adalah yang paling komplek yaitu rangkaian ekivalen piecewise

linier.  Meskipun rangkaian ekivalen ini dianggap paling akurat, namun bagian nonlinier dari kurva bias maju tetap dianggap sebagai linier.  Sehingga diperoleh seperti gambar 1.21.

 

Ringkasan

Dioda semikonduktor dibentuk dengan menyambungkan dua buah bahan semikonduk

tor tipe P dan tipe N.  Bahan semikonduktor tipe P mempunyai pembawa muatan mayoritas hole, sedangkan pada tipe N pembawa muatan mayoritasnya adalah elektron.  Dengan demikian pada persambungan dua bahan tersebut timbul daerah pengosongan.

Apabila dioda semikonduktor diberi bias maju, maka arus akan mengalir.  Namun

apabila dioda diberi bias mundur, maka dioda tidak mengalirkan arus, hanya terdapat arus yang sangat kecil yang disebut dengan arus bocor.   SEKIAN........