TEORI DASAR. 2.1 Pengertian

Transkripsi

1 TEORI DASAR 2.1 Pengertian Dioda adalah piranti elektronik yang hanya dapat melewatkan arus/tegangan dalam satu arah saja, dimana dioda merupakan jenis VACUUM tube yang memiliki dua buah elektroda. Karena itu, dioda dapat dimanfaatkan sebagai penyearah arus listrik, yaitu piranti elektronik yang mengubah arus atau tegangan bolak-balik (AC) menjadi arus atau tegangan searah (DC). Dioda jenis VACUUM tube pertama kali diciptakan oleh seorang ilmuwan dari Inggris yang bernama Sir J.A. Fleming ( ) pada tahun Dioda daya umumnya digunakan sebagai penyearah arus/tegangan (rectifier) dengan karakteristik puncak tegangannya maksimum dan arus maju maksimum. Dioda daya pada umumnya terbuat dari bahan silikon. Dioda daya merupakan salah satu komponen semikonduktor yang banyak digunakan dalam rangkaian elektronika daya seperti pada rangkaian penyearah, freewheeling (bypass) pada regulator-regulator penyakelaran, rangkaian pemisah, rangkaian umpan balik dari beban ke sumber, dan lain-lain. Dalam penerapannya, seringkali dioda daya dianggap sebagai saklar ideal walaupun dalam prakteknya ada perbedaan. Dalam berbagai rangkaian elektronika komponen semikonduktor dioda sering kita jumpai jenis dan type yang berbeda beda tergantung dari model dan tujuan penggunaan rangkaian tersebut dibuat. Dioda merupakan komponen semiconductor yang paling sederhana. Kata dioda berasal dari pendekatan kata yaitu dua elektroda yang mana (di berarti dua) mempunyai dua buah elektroda yaitu anoda dan katoda. 2.2 Konstruksi dioda Dioda terbentuk dari bahan semikonduktor tipe P dan N yang digabungkan. Dengan demikian dioda sering disebut PN junction. Dioda adalah gabungan bahan semikonduktor tipe N yang merupakan bahan dengan kelebihan elektron dan tipe P adalah kekurangan satu elektron sehingga membentuk Hole. Hole dalam hal ini berfungsi sebagai pembawa muatan. Apabila kutub P pada dioda (anoda) dihubungkan dengan kutub positif sumber maka akan terjadi pengaliran arus listrik dimana elektron bebas pada sisi N (katoda) akan berpindah mengisi hole sehingga terjadi pengaliran arus. Sebaliknya apabila sisi P dihubungkan dengan negatif baterai/sumber, maka elektron akan berpindah ke arah terminal positif sumber. Didalam dioda tidak akan terjadi perpindahan elektron. Konstruksi dioda daya sama dengan dioda-dioda sinyal sambungan PN. Bedanya adalah dioda daya mempunyai kapasitas daya (arus dan tegangan) yang lebih tinggi dari dioda-dioda sinyal biasa, namun kecepatan penyaklarannya lebih rendah. Dioda daya merupakan komponen semikonduktor sambungan PN yang mempunyai dua terminal sebagaimana dioda pada umumnya, yaitu terminal anoda (A) dan katoda (K). Gambar 2.1. Simbol Dioda

2 Gambar 2.2. Kontruksi Dioda Sisi Positif (P) disebut Anoda dan sisi Negatif (N) disebut Katoda. Lambang dioda seperti anak panah yang arahnya dari sisi P ke sisi N. Karenanya ini mengingatkan kita pada arus konvensional dimana arus mudah mengalir dari sisi P ke sisi N. 2.3 Prinsip Kerja Dioda Hampir semua peralatan elektronika memerlukan sumber arus searah. Penyearah digunakan untuk mendapatkan arus searah dari suatu arus bolak-balik. Arus atau tegangan tersebut harus benar-benar rata tidak boleh berdenyut-denyut agar tidak menimbulkan gangguan bagi peralatan yang dicatu. Dioda semikonduktor hanya dapat melewatkan arus pada satu arah saja, yaitu pada saat dioda memperoleh catu arah/bias maju (forward bias). Karena di dalam dioda terdapat junction (pertemuan) dimana daerah semikonduktor type-p dan semi konduktor type-n bertemu. Pada kondisi ini dioda dikatakan bahwa dioda dalam keadaan konduksi atau menghantar dan mempunyai tahanan dalam dioda relative kecil. Sedangkan bila dioda diberi catu arah/bias mundur (Reverse bias) maka dioda tidak bekerja dan pada kondisi ini dioda mempunyai tahanan dalam yang tinggi sehingga arus sulit mengalir. Apabila dioda silicon dialiri arus AC, maka yang mangalir hanya satu arah saja sehingga arus output dioda berupa arus DC. Dari kondisi tersebut maka dioda hanya digunakan pada beberapa pemakaian saja antara lain sebagai penyearah setengah gelombang (Half Wave Rectifier), penyearah gelombang penuh (Full Wave Rectifier), rangkaian pemotong (Clipper), rangkaian penjepit (Clamper) maupun pengganda tegangan (Voltage Multiplier). 2.4 Karakteristik Dioda Karakteristik dasar dioda dikenal dengan karakteristik V-I. Karakterisik ini penting untuk dipahami agar tidak terjadi kesalahan dalam aplikasi dioda. Dalam karakteristik ini dapat diketahui keadaan-keadaan yang terjadi pada dioda ketika mendapat tegangan bias maju dan tegangan bias mundur.

3 Gambar 2.3. Karakteristik dioda ( karakteristik V-I ) Jika kedua terminal dioda disambungkan ke sumber tegangan dimana tegangan anoda lebih positif dibandingkan dengan tegangan katoda, maka dioda dikatakan dalam keadaan bias maju. Sebaliknya, bila tegangan anoda lebih negatif dari katoda, dioda dikatakan dalam keadaan bias mundur. a. Dioda Diberi Tegangan Nol Ketika dioda diberi tegangan 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. b. Dioda Diberi Tegangan Negative (Reverse Bias) Gambar 2.4. Dioda diberi tegangan/bias negatif Dioda diberi tegangan negative dalam hal ini polaritas tegangan dibalik yaitu dengan memberikan bias negatif. 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.

4 Dalam hal ini, sisi N mendapat polaritas tegangan lebih besar dari sisi P. Sehingga tidak akan terjadi perpindahan elektron atau aliran hole dari P ke N maupun sebaliknya. Karena baik hole dan elektron masing-masing tertarik ke arah kutup berlawanan. Lapisan deplesi (depletion layer) semakin besar dan menghalangi terjadinya arus. Jika tegangan mundur melebihi suatu tegangan yang telah ditentukan, yang dikenal dengan tegangan dadal (breakdown voltage), maka arus arah mundur akan meningkat tajam dengan sedikit perubahan pada tegangan. Keadaan ini tidak selalu merusak dioda bila masih terjaga pada level aman seperti yang ditentukan dalam data sheetnya. Bila tidak, maka dioda akan rusak. c. Dioda Diberi Tegangan Positive (Forward Bias) Gambar 2.5. Dioda Diberi tegangan/bias Positif 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. Perbedaan voltage antara katoda dan anoda disebut threshold voltage atau knee voltage. Besar voltage ini tergantung dari jenis diodanya, bisa 0.2V, 0.6V dan sebagainya. 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. Pada kenyataannya memang dioda banyak digunakan sebagai penyearah tegangan AC menjadi tegangan DC. d. Rating dioda Ada dua rating dioda daya yang paling penting untuk diketahui, yaitu tegangan dadal arah mundur (reverse breakdown voltage), dan arus arah maju maksimumnya (forward current). Harga dioda meningkat dengan semakin tinggi kedua rating ini. Oleh karena itu, dalam aplikasinya, dioda dioprasikan mendekati tegangan puncak mundur maksimum dan rating arus majunya. 2.5 Jenis-jenis dioda Berdasarkan karakteristik dan batasan-batasan dalam penerapannya, dioda diklasifikasikan ke dalam tiga kelompok, yaitu dioda standard (dioda untuk keperluan umum), dioda berkecepatan tinggi dan dioda Schottky.

5 a. Dioda standard Dioda standar ini merupakan jenis dioda yang digunakan untuk keperluan umum. Dioda ini digunakan dalam aplikasi-aplikasi kecepatan rendah, seperti penyearah dan konverter dengan frekuensi masukan sampai 1 khz. Dioda ini mempunyai rating arus dari 1 sampai ribuan ampere dan tegangan dari 50 V sampai 5 kv. b. Dioda kecepatan tinggi Dioda jenis ini mempunyai kemampuan penyaklaran dengan dengan kecepatan yang lebih tinggi dari dioda standard. Oleh karena itu, dalam penggunaannya biasa diaplikasikan pada rangkaian DC-chopper (DC-DC) dan inverter (DC-AC) di mana aspek kecepatan merupakan faktor yang sangat penting. Diode jenis ini mempunyai rating arus lebih kecil dari 1 A sampai ratusan ampere, dengan dari 50 V sampai 3 kv. c. Dioda Schottky Dioda Schottky dibangun dengan merekayasa pada sambungan PN sehingga sangat cocok untuk aplikasi-aplikasi catu daya DC dengan arus tinggi dan tegangan rendah. Rating tegangan dibatasi sampai 100 V dengan arus dari A. Walaupun begitu, diode ini juga cocok digunakan untuk catu daya arus rendah untuk meningkatkan efisiensinya. 2.6 Aplikasi dioda Dioda banyak diaplikasikan pada rangkaian penyerah arus power suplay atau konverter AC ke DC. Masing-masing tipe berbeda tergantung dari arus maksimum dan juga tegangan breakdwon-nya. Aplikasi dioda pada kendaraan banyak digunakan untuk penyearahan arus seperti pada sistem pengisian. Sebagaimana 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. 2.7 Penerapan Dioda Dalam Rangkaian Penyearah Karena sebuah dioda sambungan PN hanya dapat mengalirkan arus listrik dalam satu arah, maka dioda dapat dimanfaatkan sebagai penyearah untuk mengubah arus bolak-balik (AC) menjadi arus searah (DC). Ada dua jenis penyearah yang kita pelajari, yaitu penyearah setengah-gelombang dan penyearah gelombang penuh. a. Penyearah setengah gelombang Rangkaian penyearah yang paling sederhana adalah penyearah setengah gelombang, terdiri dari sebuah dioda 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.

6 Gambar 2.6. Rangkaian Penyearah setengah gelombang Tegangan sisi sekunder trafo, merupakan tegangan masukan untuk rangkaian penyearah setengah gelombang. Tegangan masukan ini adalah tegangan bolak balik yang berbentuk sinusoida. Dalam satu periode, polaritas tegangan positif dan negatif berubah secara bergantian. Kita hanya meninjau satu periode gelombang saja, yaitu setengah periode positif dan setengah periode negatif. Dalam setengah periode positif, dioda diberi panjar maju (anoda (A) berhubungan dengan polaritas positif dan katoda (K) berhubungan dengan polaritas negatif), sehingga dioda akan mengalirkan arus melalui beban R. Untuk beban yang dianggap resistif murni R, tegangan keluaran atau ujung-ujung beban sama dengan tegangan masukan. Karena itu, bentuk teganga keluaran sama dengan setengah gelombang tegangan. Dalam setengah periode negatif berikutnya, dioda diberi panjar mundur (anoda (A) berhubungan dengan polaritas negatif dan katoda (K) berhubungan dengan polaritas positif), sehingga dioda tidak akan mengalirkan arus melalui beban R. Ini mengakibatkan tegangan keluaran antara ujung-ujung beban sama dengan nol, dan digambarkan dengan garis lurus mendatar seperti pada gambar bawah. Bentuk gelombang tegangan keluaran pada rangkaian penyearah setengah gelombang ditunjukkan pada gambar bawah. Karena menghasilkan tegangan keluaran searah hanya dalam setengah periode positif dari gelombang tegangan masukan, maka penyearah ini disebut penyearah setengah gelombang. (a) Gambar 2.7. (a) Bentuk sinyal input dan (b) Bentuk sinyal output penyearah setengah gelombang (b)

7 a. 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. Gambar 2.8. Rangkaian Penyearah Gelombang Penuh 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, 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 a ke b. Jadi, dalam periode ini, tegangan keluaran sama dengan tegangan masukan. Dalam setengah periode 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 a ke b, seperti pada gambar. Dapat kita katakan bahwa tegangan masukan yang bernilai negatif dijadikan positif pada keluaran. Selanjutnya, bentuk gelombang tegangan masukan dan tegangan keluaran ditunjukkan pada gambar di bawah. (a)

8 Gambar 2.9. (a) Bentuk sinyal input dan (b) Bentuk sinyal output penyearah gelombang penuh 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. b. Prinsip Perataan Penyearah Gelombang Penuh 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 sistem perataan di bawah ini. (b) Gambar Rangkaian Penyearah Gelombang Penuh berfilter (a)

9 Gambar (a) Bentuk sinyal input dan (b) Bentuk sinyal output penyearah berfilter Rangkaian system perataan kapasitor ini disebut kapasitor perata atau kapasitor penyimpan (reservoir circuit). 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 antara 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. Tampak bahwa riak gelombang tegangan menjadi lebih kecil dan tegangan searah yang dihasilkan pada ujungujung beban adalah agak lebih rata. (b)