PENGERTIAN, JENIS DAN RANGKAIAN DIODA

Mei 03, 2014

PENGERTIAN, JENIS DAN RANGKAIAN DIODA

DIODA

Foto dari diode semikonduktor

Simbol

Tipe :

Komponen aktif

Kategori :

Semikonduktor (diode kristal)
Tabung hampa (diode termionik)

Penemu :

Frederick Guthrie (1873) (diode termionik)
Karl Ferdinand Braun (1874) (diode kristal)

Berbagai diode semikonduktor, bawah adalah penyearah jembatan

Struktur dari diode tabung hampa.

Diode adalah komponen aktif dua kutub yang pada umumnya bersifat semikonduktor, yang memperbolehkan arus listrik mengalir ke satu arah (kondisi panjar maju) dan menghambat arus dari arah sebaliknya (kondisi panjar mundur). Diode dapat disamakan sebagai fungsi katup di dalam bidang elektronika. Diode sebenarnya tidak menunjukkan karakteristik kesearahan yang sempurna, melainkan mempunyai karakteristik hubungan arus dan tegangan kompleks yang tidak linier dan seringkali tergantung pada teknologi atau material yang digunakan serta parameter penggunaan. Beberapa jenis diode juga mempunyai fungsi yang tidak ditujukan untuk penggunaan penyearahan.

Awal mula dari diode adalah peranti kristal Cat's Whisker dan tabung hampa (juga disebut katup termionik). Saat ini diode yang paling umum dibuat dari bahan semikonduktor seperti silikon atau germanium.

Sejarah

Walaupun diode kristal (semikonduktor) dipopulerkan sebelum diode termionik, diode termionik dan diode kristal dikembangkan secara terpisah pada waktu yang bersamaan. Prinsip kerja dari diode termionik ditemukan oleh Frederick Guthrie pada tahun 1873 Sedangkan prinsip kerja diode kristal ditemukan pada tahun 1874 oleh peneliti Jerman, Karl Ferdinand Braun .

Pada waktu penemuan, peranti seperti ini dikenal sebagai penyearah (rectifier). Pada tahun 1919, William Henry Eccles memperkenalkan istilah diode yang berasal dari di berarti dua, dan ode (dari ὅδος) berarti "jalur".

Prinsip kerja

Prinsip kerja diode termionik ditemukan kembali oleh Thomas Edison pada 13 Februari 1880 dan dia diberi hak paten pada tahun 1883 (U.S. Patent 307.031), namun tidak dikembangkan lebih lanjut. Braun mematenkan penyearah kristal pada tahun 1899 . Penemuan Braun dikembangkan lebih lanjut oleh Jagdish Chandra Bose menjadi sebuah peranti berguna untuk detektor radio.

Penerima radio

Penerima radio pertama yang menggunakan diode kristal dibuat oleh Greenleaf Whittier Pickard. Dioda termionik pertama dipatenkan di Inggris oleh John Ambrose Fleming (penasihat ilmiah untuk Perusahaan Marconi dan bekas karyawan Edison) pada 16 November 1904 (diikuti oleh U.S. Patent 803.684 pada November 1905). Pickard mendapatkan paten untuk detektor kristal silikon pada 20 November 1906 (U.S. Patent 836.531).

Dioda termionik

Simbol untuk diode tabung hampa pemanasan taklangung, dari atas kebawah adalah anode, katode dan filamen pemanas

Dioda termionik adalah sebuah peranti katup termionik yang merupakan susunan elektrode-elektrode di ruang hampa dalam sampul gelas. Dioda termionik pertama bentuknya sangat mirip dengan bola lampu pijar.

Dalam diode katup termionik, arus listrik yang melalui filamen pemanas secara tidak langsung memanaskan katode (Beberapa diode menggunakan pemanasan langsung, dimana filamen wolfram berlaku sebagai pemanas sekaligus juga sebagai katode), elektrode internal lainnya dilapisi dengan campuran barium dan strontium oksida, yang merupakan oksida dari logam alkali tanah. Substansi tersebut dipilih karena memiliki fungsi kerja yang kecil. Bahang yang dihasilkan menimbulkan pancaran termionik elektron ke ruang hampa. Dalam operasi maju, elektrode logam disebelah yang disebut anode diberi muatan positif jadi secara elektrostatik menarik elektron yang terpancar.

Walaupun begitu, elektron tidak dapat dipancarkan dengan mudah dari permukaan anode yang tidak terpanasi ketika polaritas tegangan dibalik. Karenanya, aliran listrik terbalik apapun yang dihasilkan dapat diabaikan.

Dalam sebagian besar abad ke-20, diode katup termionik digunakan dalam penggunaan isyarat analog, dan sebagai penyearah pada pemacu daya. Saat ini, diode katup hanya digunakan pada penggunaan khusus seperti penguat gitar listrik, penguat audio kualitas tinggi serta peralatan tegangan dan daya tinggi.

Dioda semikonduktor

Sebagian besar diode saat ini berdasarkan pada teknologi pertemuan p-n semikonduktor. Pada diode p-n, arus mengalir dari sisi tipe-p (anode) menuju sisi tipe-n (katode), tetapi tidak mengalir dalam arah sebaliknya.

Tipe lain dari diode semikonduktor adalah diode Schottky yang dibentuk dari pertemuan antara logam dan semikonduktor (sawar Schottky) sebagai ganti pertemuan p-n konvensional.

Karakteristik arus–tegangan

Karakteristik arus–tegangan dari dioda, atau kurva I–V, berhubungan dengan perpindahan dari pembawa melalui yang dinamakan lapisan penipisan atau daerah pemiskinan yang terdapat pada pertemuan p-n di antara semikonduktor. Ketika pertemuan p-n dibuat, elektron pita konduksi dari daerah N menyebar ke daerah P dimana terdapat banyak lubang yang menyebabkan elektron bergabung dan mengisi lubang yang ada, baik lubang dan elektron bebas yang ada lenyap, meninggalkan donor bermuatan positif pada sisi-N dan akseptor bermuatan negatif pada sisi-P. Daerah disekitar pertemuan p-n menjadi dimiskinkan dari pembawa muatan dan karenanya berlaku sebagai isolator.

Walaupun begitu, lebar dari daerah pemiskinan tidak dapat tumbuh tanpa batas. Untuk setiap pasangan elektron-lubang yang bergabung, ion pengotor bermuatan positif ditinggalkan pada daerah terkotori-n dan ion pengotor bermuatan negatif ditinggalkan pada daerah terkotori-p. Saat penggabungan berlangsung dan lebih banyak ion ditimbulkan, sebuah medan listrik terbentuk di dalam daerah pemiskinan yang memperlambat penggabungan dan akhirnya menghentikannya. Medan listrik ini menghasilkan tegangan tetap dalam pertemuan.

Jenis-jenis diode semikonduktor

Dioda

Dioda Zener

LED

SCR

Simbol berbagai jenis dioda

Kemasan diode sejajar dengan simbolnya, pita menunjukkan sisi katode

Jenis – Jenis Dioda :

Dioda Penyearah (rectifier)

Berfungsi untuk menyearahkan tegangan, dari tegangan AC ke tegangan DC.

Terbuat dari bahan silicon.
Banyak digunakan pada rangkaian catu daya (adaptor).
Penentuan kaki anoda dan katoda dapat dilakukan dengan melihat garis / gelang pada body dioda, kaki yang dekat dengan gelang adalah kaki katoda.
Apabila garis sudah hilang, penentuan kaki dapat dilakukan dengan menggunakan multimeter. Atur multimeter analog pada fungsi Ohmmeter, hubungkan kedua probe ke kaki dioda. Tukar probe ke keki sisi lain apabila jarum belum menyimpang. Apabila jarum multimeter sudah menyimpang maka kaki yang terhubung dengan probe hitam adalah kaki anoda sedangkan kaki yang terhubung dengan probe merah adalah kaki katoda.
Perhatikan gambar di bawah, gember tersebut menunjukkan pengujian dioda yang masih normal. Dioda dinyatakan rusak apabila pada gambar A dan B jarum multimeter tetap menyimpang.

2. Dioda Jembatan (Bridge)

Digunakan untuk rangkaian penyearah gelombang penuh pada catu daya (adaptor)

Memiliki empat kaki, 2 kaki input untuk disambungkan ke sumber tegangan AC, 2 kaki output DC ( + / - )sebagai hasil penyearahan.
Dapat dibentuk dari 4 buah dioda penyearah yang dirangkai seperti pada gambar.
Untuk dioda brigde dengan kemampuan daya yang besar disertai plat / dudukan pendingin.

3. Dioda Zener

Dioda Zener dibuat untuk bekerja pada daerah breakdownnya. Apabila sebuah dioda Zener diberikan bias mundur dengan tegangan kecil, dioda ini akan bereaksi seperti dioda biasa yaitu tidak menghantarkan arus listrik. Namun apabila diberi bias mundur dengan tegangan melebihi batas tegangan Zenernya maka dioda akan menghantarkan arus listrik dari Katoda ke Anoda.

Tegangan Zener dari sebuah ditetapkan pada saat dioda tersebut dibuat. Tegangan ini biasanya berada dalam kisaran 2,7 V hingga 200 V, dengan toleransi 5 %. Nilai tegangan Zener tertulis pada body dioda Zener. Kemampuan daya yang dimiliki dioda Zener mulai dari 1/4 Watt sampai 50 Watt. Semakin besar ukuran fisik dioda zener semakin besar pula kemampuan daya dioda tersebut. Daya dioda Zener adalah perkalian antara tegangan dan arusnya yaitu:

Pz = V z x Iz

Selama Pz kurang dari Pz maksimumnya dioda zener tidak akan rusak. Dioda Zener banyak digunakan sebagai penyetabil tegangan / pembatas tegangan.

4. Light Emiting Dioda (LED)

Bila dioda di forward bias, elektron pita konduksi melewati junction dan jatuh ke dalam hole. Pada saat elektron-elektron jatuh pada pita konduksi ke pita valensi, mereka memancarkan energi. Pada dioda LED energy ini dipancarkan sebagai cahaya, sedangkan pada dioda penyearah energy ini keluar sebagai panas. Dengan menggunakan bahan dasar seperti gallium, arsen, dan phosphor pabrik dapat membuat LED yang dapat memancarkan cahaya berwarna merah, kuning, hijau, biru, dan infra merah (tidak kelihatan).

LED biasa digunakan sebagai indicator, peralatan display, jam digital dan lain sebagainya, sedangkan LED infra merah banyak digunakan pada remote televisi, peralatan pengamanan dari tindak pencurian. Keuntungan lampu LED dibandingkan lampu pijar adalah umurnya yang lebih panjang dan tegangannya rendah. LED umumnya hanya memerlukan 2 volt untuk dapat menyala secara normal. Apabila LED mendapatkan tegangan yang lebih besar maka LED akan mengalami kerusakan, maka dalam pemasangannya LED memerlukan resisrtor yang dipasang secara seri sebagai pembatas arus dan tegangan.

Penentuan kaki LED dapat dilakukan dengan melihat kakinya, kaki yang panjang adalah kaki Anoda, sedangkan kaki Katoda adalah kaki yang pendek. Cara lain yaitu sama seperti menentukan kaki pada dioda penyearah. Atur multimeter analog pada fungsi Ohmmeter, hubungkan kedua probe ke kaki LED. Tukar probe ke keki sisi lain apabila jarum belum menyimpang. Apabila jarum multimeter sudah menyimpang atau LED menyala maka kaki yang terhubung dengan probe hitam adalah kaki anoda sedangkan kaki yang terhubung dengan probe merah adalah kaki katoda.

Pengujian LED juga mirip dengan pengujian dioda penyearah, bedanya apabila LED normal saat di uji LED juga akan menyala pada saat Anoda terhubung dengan probe hitam dan Katoda terhubung dengan probe merah.

5. Photo Dioda

Bila diperhatikan, simbol Photo Dioda hampir mirip dengan simbol LED, bedanya adalah simbol LED memiliki anak panah kea rah luar yang artinya memancarkan cahaya. Sedangkan pada simbol Photo Dioda memiliki arah anak panah ke dalam, ini artinya Photo Dioda meneima cahaya dari luar. Nanum pada bentuk fisik antara LED dan Photo dioda memiliki kesamaan.

Energi Thermal menghasilkan pembawa minoritas dalam dioda, makin tinggi suhu makin besar arus dioda yang terbias reverse. Energy cahaya juga menghasilkan pembawa minoritas. Dengan menggunakan jendela kecil untuk membuka junction agar terkena sinar, pabrik dapat membuat photo dioda. Jika cahaya luar mengenai junction photo dioda yang di rangkai bias mundur (revesre bias) akan dihasilkan pasangan elektron-hole dalam lapisan pengosongan. Makin kuat cahaya makin banyak jumlah pembawa yang dihasilkan cahaya makin besar arus bias mundur (reverse). Oleh sebab itu Photo dioda dapat digunakan sebagai sensor cahaya yang baik.

6. Dioda Schottky
Dioda jenis ini menggunakan logam emas, perak, atau platina pada salah satu sisi junction (biasanya pada tipe-N) yang di dop ke sisi lain. Dioda semacam ini adalah piranti unipolar (tidak berpolaritas) karena electron bebas merupakan pembawa mayoritas pada kedua sisi junction. Dioda Schottky tidak memiliki lapisan pengosongan atau penyimpanan muatan, sehingga ia dapat di switch (nyala-mati) lebiih cepat daripada dioda bipolar. Sebagai hasilnya piranti ini dapat menyerahkan tegangan diatas frequensi 300MHz, jauh diatas kemampuan dioda bipolar (dioda penyearah). Rangkaian –

Rangkaian Dioda:

Rangakaian Penyearah Setengah Gelombang

Rangkaian penyearah adalah rangkaian yang mampu mengkonversikan tegangan AC menjadi tegangan DC. Rangkaian Penyearah Setengah Gelombang adalah rangkaian penyearah yang hanya menghasilkan arus output dari setengah siklus arus input. Rangkaiannya terdiri dari sebuah diode penyearah saja.

Pada rangkaian dibawah, diperlihatkan kondisi pada kondisi setangah siklus positif fase memiliki tegangan lebih tinggi (+) dari netral (-) sehingga dioda mendapat bias maju (forward bias) sehingga dapat menghantarkan arus. Arus mengalir melewati dioda ke beban dan kembali menuju trafo melewati jalur 0 volt.

Bentuk gelombang arus yang melewati beban dapat dilihat pada gambar dibawah. Meskipun terlihat naik turun, tegangan tetap bernilai positif. Tegangan semacam ini setara dengan tegangan DC.

Dengan membandingkan grafik tegangan input AC dan tegangan output DC kita dapat mengetahui bahwa:

Tidak terdapat output selama setengah siklus negatif. Setengah dari daya input terbuang sia-sia.
Amplitudo (tinggi gelombang) / tegangan output lebih kecil dibandingkan dengan amplitudo input. Hal ini disebabkan oleh timbulnya tegangan maju (tegangan konduksi) pada diode.

2. Rangkaian Penyearah Gelombang Penuh

Sesuai dengan namanya, rangkaian penyearah gelombang penuh akan menghasilkan gelombang secara penuh baik pada setengah siklus positif atau pada setengah siklus negatif. Rangkaian dibawah ini menyearahkan tegangan AC menggunakan sebuah rangkaian dioda jembatan (bridge) yang terdiri dari 4 buah dioda.

Selama setenga siklus positif, dioda D1 dan diode D2 mendapat bias maju, sehingga keduanya menghantarkan arus. Diode D3 dan diode D4 mendapatkan bias mundur, sehingga tidak menhantarkan arus. Arus mengalir melewati beban sebagaimana diperlihatkan gambar berikut ini:

Kesimpulan yang dapat kita peroleh adalah bahwa arus terus mengalir melewati beban, pada arah yang sama sebagaimana sebelumnya. Grafik-grafik tegangan input dan tegangan output adalah sebagai berikut:

Rangkaian penyearah tetap menghasilkan output selama berlangsungnya kedua siklus setengah gelombang, sehingga rangkaian ini efisien 100 %.

Rangkaian Penyearah Gelombang Penuh juga dapat dibuat menggunakan 2 buah diode saja, tetapi menggunakan transformator tipe center tap (CT). Trafo CT memiliki 2 buah fase dan sebuah terminal CT sebagai 0 atau netral. setiap fase memiliki sudut yang berbeda 180°. Perbedaan sudut fase inilah yang dimanfaatkan untuk mendapatkan hasil penyearahan gelombang penuh. Apabila diperhatikan rangkaian penyearah gelombang penuh menggunakan trafo CT sebenarnya sama dengan 2 buah rangkaian penyarah setengah gelombang.