Jenis Dioda Dan Prinsip Kerja Contoh Perhitungan

JENIS JENIS DIODA DAN PRINSIP KERJANYA Prinsip Kerja Dioda pada umumnya adalah sebagai alat yang terbentuk dari beberapa bahan semikonduktor dengan muatan Anode (P) dan muatan Katode (N) yang biasanya terdiri dari geranium atau silikon yang digabungkan, dan muatan yang bertipe N merupakan bahan dengan kele bihan elektron, dan sebaliknya muatan bertipe P merupakan bahan dengan kekurangan satu elektron yang dipisahkan oleh depletion layer yang terjadi akibat keseimbangan kedua muatan tersebut, oleh karena itu dioda tersebut menghasilkan suatu hole yang berfungsi sebagai pembawa tegangan atau muatan sehingga terjadi perpindahan sekaligus pengaliran arus yang terjadi di hole tersebut yang menghasilkan tegangan arus searah atau biasa disebut dengan DC. Prinsip Kerja Dioda berbeda dengan prinsip atau teori elektron yang menyebutkan bahwa arus listrik yang terjadi dikarenakan oleh pergerakan elektron dari kutub positif menuju ke kutub negatif, tetapi dioda ini hanya mengalirkan arus satu arah saja, yaitu DC. Oleh karena j ika dioda dialiri oleh tegangan P yang lebih besar dari muatan N, maka elektron yang terdapat pada muatan N akan mengalir ke muatan P yang disebut sebagai Forward Bias, bila terjadi sebaliknya, yaitu jika dioda tersebut dialiri dengan tegangan N yang lebih besar daripada tegangan P, maka elektron yang ada di dalamnya tidak akan bergerak, sehingga dioda tidak mengaliri muatan apapun, pada kondisi seperti ini sering disebut sebagai reverse bias. Gambar Skema Prinsip Kerja Dioda

Dengan demikian dapat disimpulkan bahwa Prinsip Kerja Dioda merupakan salah satu alat yang sangat unik karena mampu memanipulasi muatan hingga menjadi muatan yang searah atau DC. Sambungan antara muatan anoda (P) dengan muatan katoda (N) dinamakan sebagai depletion layer (lapisan deplesi) dimana terjadi keseimbangan muatan elektron dan hole. Biasanya pada sisi P banyak terbentuk hole-hole yang siap menerima muatan elektron, sedangkan pada sisi N banyak elektron yang siap untuk membebaskan diri, dengan kata lain jika sisi P diberi muatan potensial yang lebih, maka e lektron dari sisi N akan langsung mengisi setiap hole-hole yang ada di sisi P.

Jenis-Jenis Dioda dan Fungsinya Jenis-Jenis Dioda terbagi menjadi beberapa bagian, mulai dari Light Emiting Diode (Dioda Emisi Cahaya) yang biasa disingkat LED, Diode Photo (Dioda Cahaya), Diode Varactor (Dioda Kapasitas), Diode Rectifier

1

(Dioda Penyearah) dan yang terakhir adalah Diode Zener yang biasa disebut juga sebagai Voltage Regulation Diode. Semua jenis dioda ini memiliki fungsi yang berbeda-beda yang sesuai dengan nama dioda itu sendiri. Dioda disempurnakan oleh William Henry Eccles pada tahun 1919 dan mulai memperkenalkan istilah diode yang artinya dua jalur tersebut, walaupun sebelumnya sudah ada dioda kristal (semikonduktor) yang dikembangkan oleh peneliti asal Jerman yaitu Karl Ferdinan Braun pada tahun 1874, dan dioda termionik pada tahun 1873 y ang dikembangkan lagi prinsip kerjanya oleh Frederic Gutherie.

Simbol Dioda untuk masing-masing diode berbeda dan masing-masing simbol menggambarkan cara kerja serta struktur dari dioda tersebut. Dioda sendiri disimbolkan dengan gambar yang menyerupai anak panah yang pada sisi ujungnya terdapat garis mendatar yang melintang, mengarah kearah kanan dengan dibatasi oleh garis vertikal yang memisahkan antara anak panah dengan garis mendatar yang melintang tersebut. Yang pada pangkal anak panah nya disebut anoda atau kaki positif (+), dan ujung anak panah tersebut dinamakan katoda atau kaki negatif (-). Contoh Beberapa Simbol Dioda

Berikut ini adalah pengertian dari Jenis-Jenis Dioda :

Light Emiting Diode (Dioda Emisi Cahaya) Dioda yang sering disingkat LED ini merupakan salah satu piranti elektronik yang menggabungkan dua unsur yaitu optik dan elektronik yang disebut juga sebagai Opteolotronic.dengan masing-masing elektrodanya berupa anoda (+) dan katroda (-), dioda jenis ini dikategorikan berdasarkan arah bias dan diameter cahaya yang dihasilkan, dan warna nya.

2

Diode Photo (Dioda Cahaya) Dioda jenis ini merupakan dioda yang peka terhadap cahaya, yang bekerja pada pada daerah-daerah reverse tertentu sehingga arus cahaya tertentu saja yang dapat melewatinya, dioda ini biasa dibuat dengan menggunakan bahan dasar silikon dan geranium. Dioda cahaya saat ini banyak digunakan untuk alarm, pita data berlubang yang berguna sebagai sensor, dan alat pengukur cahaya (Lux Meter).

Diode Varactor (Dioda Kapasitas) Dioda jenis ini merupakan dioda yang unik, karena dioda ini memiliki kapasitas yang dapat berubah-ubah sesuai dengan besar kecilnya tegangan yang diberikan kepada dioda ini, contohnya jika tegangan yang diberikan besar, maka kapasitasnya akan menurun,berbanding terbalik jika diberikan tegangan yang rendah akan semakin besar kapasitasnya, pembiasan dioda ini secara reverse. Dioda jenis ini banyak digunakan sebagai pengaturan suara pada televisi, dan pesawat penerima radio.

Diode Rectifier (Dioda Penyearah)

3

Dioda jenis ini merupakan dioda penyearah arus atau tegangan yang diberikan, contohnya seperti arus berlawanan (AC) disearahkan sehingga menghasilkan arus searah (DC). Dioda jenis ini memiliki karakteristik yang berbeda-beda sesuai dengan kapasitas tegangan yang dimiliki.

Diode Zener Dioda jenis ini merupakan dioda yang memiliki kegunaan sebagai penyelaras tegangan baik yang diterima maupun yang dikeluarkan, sesuai dengan kapasitas dari dioda tersebut, contohnya jika dioda tersebut memiliki kapasitas 5,1 V, maka jika tegangan y ang diterima lebih besar dari kapasitasnya, maka tegangan yang dihasilkan akan tetap 5,1 tetapi jika tegangan yang diterima lebih kecil dari kapasitasnya yaitu 5,1, dioda ini tetap mengeluarkan tegangan sesuai dengan inputnya. Dapat disimpulkan bahwa Jenis-Jenis Dioda tersebut memiliki berbagai kegunaan tersendiri yang dapat memanipulasi berbagai tegangan yang masuk melalui dioda tersebut. Jenis-jenis Dioda diatas merupakan beberapa contoh jenis dioda yang saat ini sudah ada dan dikembangkan, masih banyak lagi contoh lain dari jenis dioda ini.

DIODA BRIDGE - Rangkaian Dioda Penyearah (Rectifier) Arus sinyal AC yang berbentuk sinusiodal yang dilewatkan melalui sebuah dioda akan disearahkan menghasilkan sinyal positif saja atau sinyal negatif saja yang dinamakan sinyal DC bergelombang. Sinyal AC yang dihasilkan dari sebuah dioda hanya setengahnya saja tergantung dari arah dioda yang dipasang,  jika sinyal input AC masuk pada pada kaki anoda maka sinyal keluaran dari dari katoda hanya bagian positifnya positifnya saja begitu juga sebaliknya, sehingga jika dibutuhkan sinyal output penuh diperlukan dua buah dioda yang diberi input dari dua sinyal AC yang berbeda phasa 180 ⁰. Itulah prinsip dasar dari rangkaian dioda penyearah (rectifier).

4

Penyearah Setengah Gelombang (Half Wave Rectifier)

Penjelasan dari contoh gambar diatas adalah penyearahan sinyal AC m enjadi sinyal setengah gelombang. Karena bagian positif anoda pada dioda dijadikan sebagai inputnya maka hanya sinyal AC bagian positifnya saja yang akan dilewatkan oleh dioda, sedangkan bagian negatifnya akan ditahan. Istilah untuk gambar diatas adalah rangkaian penyearah setengan gelombang atau dalam bahasa asing dinamakan Half Wave Rectifier.

Tegangan output dari sebuah dioda penyearah dapat dihitung dapat diketahui Nilainya dengan menggunbakan rumus Vmax x 0,318 atau Vrms x0,45, bentuk persamaan tersebut dapat digambarkan sebagai berikut :

Dimana Vmax adalah nilai maksimum dari puncak tegangan dan Vrms adalah rata-rata tegangan DC yang dihasilkan. Karena tegangan yang disearahkan hanya setengan gelombang (50% dari teganagan

5

sinusoidalnya), maka tegangan Vmax adalah sama dengan tegangan input dikurangi tegangan drop dioda kemudian dikalikan 50%. Dan VRMS (Root Mean Sequared) adalah rata-rata tegangan DC dari magnitude tegangan AC sinusoidal , nilai tegangan RMS adalah 0,707 x tegangan puncak maksimum (Vmax. Persamaan umum dari pernyataan tersebut saya contohkan soal berikut ini :

CONTOH SOAL Rangkaian penyearah setengah gelombang yang dibuat dari dioda silikon di berikan tegangan input sebesar 48V. diberikan tahanan beban (R) sebesar 10ohm, hitunglah nilai tegangan DCnya (VDC) dan arus DCnya (IDC) dan daya yang mengalir pada beban (R) outputnya.

Penyelesaian :

Vmax = (Vin - 0,7) x 50% = (48 - 0,7) x 50% = 23,3V Vrms = Vmax x 0,7071 = 23,3 x 0,7071 0,707 1 = 16,475V persamaan lain untuk Vmax jika Vrms diketahui:

Vmax = Vrms x 1,414 = 16,475 x 1,414 = 23,3V Vdc = Vrms x 0,45 = 16,475 x 0,45 = 7,4V atau

Vdc = Vmax x 0,318 = 23,3 x 0,318 = 7,4V Idc = Vdc/R = 7,4/10 = 0,74A P = I x atau P = I² x R = 0,74² x 10 = 5,476W

V

=

0,74

x

7,4

=

5,476W

Kelemahan rangkaian dioda penyearah setengah gelombang hanya dapat diaplikasikan untuk daya rendah. Hal ini karena daya yang dihasilkan hanya setengah dari daya input.

Penyearah Gelombang Penuh (Full Wave Rectifier)

6

diperlukan dua buah dioda untuk membuat rangkaian dioda penyearah gelombang penuh, se perti contoh diatas setengan gelombang bagian positif akan dihasilkan oleh setiap dioda, sehingga tegangan outputnya adalah 100% yaitu gabungan penjumlahan setengah phasa positipnya, sehingga rata-rata tegangan keluaran DC yang mengalir pada resistor beban adalah dua kali lipat dari rangkaian penyearah tunggal atau menjadi 0,637 x Vmax. Sehingga Se hingga diperoleh persamaan dasar sebagai beikut :

Vdc = (2xVmax) / π = 0,637 x Vmax = 0,9 x Vrms Vrms

Dimana; Vmax adalah nilai puncak dari satu dioda penyearah.

Penyearah Bridge Gelombang Penuh (Bridge Rectifier) Jika dibutuhkan tegangan positif dan juga sinyal negatif dengan sinyal penuh, maka diperlukan rangkaian penyearah dengan 4 buah dioda yang saling terhubung secara tertutup. Rangkaian tersebut dikenali dengan nama dioda dengan sistem jembatan atau sering disebut dioda bridge. Rangkain jenis ini sangat berguna untuk pemakain pada jenis trafo yang tidak ada Center Tape (CT). Perhatikan gambar dibawah ini:

7

Tegangan output dari rangkaian Bridge ini adalah tegangan positif dan tegangan negatif, dimana pada contoh rangkaian diatas tegangan positif (+) diperoleh dari dioda D1 dan D2 dan tegangan negatif (-) dihasilkan oleh dioda D3 dan D4 dengan sistem penyearahan gelombang penuh. D1 dan D2 akan melewatkan gelombang gelom bang arus positifnya karena posisi diodanya forward bias (arus maju), sedangkan D3 dan D4 hanya akan melewatkan gelombang arus negatifnya saja karena posisi dioda tersebut reverse bias. Frekuensi output pada rangkaian penyearah Bridge adalah 2x frekuensi input, contoh jika frekeunsi dari trafo sebesar 50Hz maka frekuensi output adalah 100Hz, tetapi jika menggunakan trafo CT besarnya frekuensi dari masing masih phasa terhadap CT adalah sama seperti frekuensi input.

DIODA ZENER Dioda zener adalah dioda silikon yang khusus dibuat untuk beroperasi di daerah breakdown (bias mundur) dari suatu dioda. Dioda zener mer upakan tulang punggung rangkaian pengatur tegangan, rangkaian yang mampu mempertahankan tegangan tetap konstan pada suatu nilai walaupun ada perubahan pada tegangan input maupun resistor beban.

Grafik I – V Gambar 1,a menunjukkan simbol suatu dioda zener. Garis yang membentuk huruf “z” sebagai tanda bahwa itu adalah dioda zener. Dioda zener dapat beroperasi pada daerah bias maju, bocor, dan breakdown. Gambar 1.c menunjukkan grafik I-V dari suatu dioda zener. Dalam daerah maju, dioda zener mulai menghantar pada tegangan 0,7 V, seperti dioda biasa. Dalam daerah bocor (leakage), yaitu daerah antara nol dan breakdown, hanya mempunyai arus balik yang kecil. Dalam daerah bre akdown, dioda zener mempunyai “lutut” yang tajam, yang diikuti oleh pertambahan arus yang hampir vertikal. Pada titik tersebut, tegangan breakdown akan konstan pada nilai Vz. Pada gambar 1.c juga terlihat adanya arus mundur IZT dan arus mundur maksimum I ZM. Sepanjang arus mundur belum mencapai I ZM maka dioda zener aman beroperasi.

8

Gambar 1. Simbol dan grafik I  – V dioda zener

Regulator Zener Dioda zener terkadang disebut sebagai dioda regulator tegangan karena mampu mempertahankan tegangan output tetap pada sustu nilai walaupun ada perubahan arus yang melaluinya. Dalam gambar 2.a terlihat gambar operasi normal dari suatu dioda zener, dimana dioda zener harus diberi bias mundur untuk dapat beroperasi. Untuk mencapai operasi pada daerah breakdown, sumber tegangan V s harus lebih besar dari tegangan breakdown dioda zener V Z. Sebuah resistor Rs dipasang seri untuk membatasi arus zener kurang dari batas arus maksimum yang diperbolehkan.

Gambar 2. (a) rangkaian dasar (b) rangkaian alternatif alternatif (c) power supply dengan dengan regulator zener Dalam gambar 2.b. tegangan pada resistor Rs adalah sebanding dengan perbedaan tegangan antara Vs dan Vz . Sehingga arus yang me ngalir pada Rs adalah :

Setelah mendapatkan nilai Is maka kita juga akan mengetahui arus yang mengalir pada dioda zener yang nilainya sama dengan Is, nilai I sharus lebih kecil dari pada nilai I ZM. Dioda Zener Ideal Untuk troubleshooting dan analisa awal k ita bisa melakukan pendekatan pada daerah breakdown adalah vertikal. Artinya tegangan zener akan konstan walaupun ada perubahan arus, yang artinya kita mengabaiakan adanya resistor bulk. Gambar 3. Menunjukkan pendekatan ideal dari zener, t ampak zener dianggap sebagai sumber tegangan dengan nilai Vz jika beroperasi didaerah breakdown.

9

Gambar 2. Pendekatan ideal zener

Contoh soal 1 Diasumsikan zener pada gambar berikut mempunyai tegangan breakdown 10 V. Tentukan nilai arus zener minimum dan maksimumnya?

Jawab : Tegangan input Vs berubah antara 20 V sampai 40 V, sedangkan jika menggunakan pendekatan ideal maka tegangan zener akan bernilai 10 V sehingga tegangan output tetap 10 V untuk tegangan input antara 20 sampai 40 V. Untuk mencari arus minimum maka digunakan tegangan input minimum yaitu 20 V. Sehingga tegangan pada resistor adalah 20 V  – 10 V = 10 V. Dengan menggunakan hukum ohm maka didapat : Is = 10 / 820 = 12,2 mA Untuk mencari arus maksimum maka digunakan tegangan input maksimum yatu 40 V. Sehingga tegangan resistor adalah 40 – 10 V = 30 V. Dan arus yang mengalir pada resistor adalah : Is = 30 / 820 = 36,6 mA Penerapan regulator zener Gambar 4 menunjukan rangkaian penerapan regulator zener. Zener beroperasi pada daerah breakdown dan akan mempertahankan tegangan beban. Walaupun tegangan sumber berubah dan atau resistor beban beruabah, tegangan beban akan tetap sebesar tegangan ze ner.

Gambar 4. Pembebanan pada reguletor tegangan zener Dengan melihat rangkaian pada gambar 4, terlihat antar Vs, Rs dan RLakan membentuk rangkaian pembagi tegangan. Dengan menerapkan rumus pembagi tegangan maka didapatkan :

10

Ini adalah tegangan jika zener dicopot dari rangkaian. Tegangan ini harus lebih besar dari tegangan zener untuk memastikan terjadinya zener berada pada daerah breakdown. Arus yang mengalir pada resistor dinyatakan : (1)

Secara ideal tegangan beban akan sama dengan tegangan zener, VL = VZ (2), karena resistor beban paralel dengan zener. Dengan hukum ohm, arus yang mengalir pada beban IL = VL / RL. (3)

Arus Zener Menggunakan hukum arus kirchof : I s = Iz + IL. Zener dipasang paralel dengan resistor beban. Jumlah arus zener dan resistor beban akan sama dengan arus total, yang akan sama dengan arus yang mengalir melalui resistor seri. Dengan mengatur persamaan diatas maka didapatkan arus zener sebagai berikut ; I z = Is – IL  (4). Ada langkah-langkah untuk menganalisa menganalisa rangkaian pembebanan regulator zener, semuanya ditunjukkan dalam tabel berikut : Langkah Proses Komemntar 1 Hitung arus seri Is, pers. (1) Gunakan hukum ohm pada Rs 2 Hitung tegangan beban, Pers.(2) Tegangan beban = tegangan zener 3 Hitung arus beban, pers. (3) Terapkan hukum ohm pada RL 4 Hitung arus zenner , pers (4) Terapkan hukum arus kirchof pada zener Contoh soal 2 Cek apakah zener pada rangkaian berikut berada pada daerah breakdown?

Jawab: Dari rumus pembagi tegangan :

Karena tegangan VTH lebih besar dari tegangan zener , maka zener beroperasi pada daerah brekdown.

Contoh soal 3 Hitung nilai arus zener pada gambar rangkaian (b) diatas. Jawab : Tegangan yang melalui resistor seri adalah 18 v  – 10 V = 8 V Sehingga arus seri Is = 8 V / 270 Ω = 29,6 mA Karena tegangan zener = 10 V maka tegangan beban VL = 10 V sehingga arus beban : IL = VL / RL = 10 V / 1k Ω = 10 mA Arus zener adalah IZ = Is – IL = 29,6 mA – 10 mA = 19,6 mA

11

Pada setengah siklus negatif, aksi akan terbalik. Zener bawah beroperasi dan zener atas breakdown, sehingga keluaran akan mirip gelombang kotak.

Pendekatan ke-2 dioda zener Gambar 5 menunjukan pendekatan ke-2 dari zener. Sebuah resistansi zener dipasang seri dengan ideal baterai. Tegangan yang mengalir pada zener akan sama dengan tegangan breakdown ditambah tegangan yang mengalir pada resistansi zener. Karena nilai RZ sangat kecil akan mengakibatkan me ngakibatkan efek yang kecil pada tegangan yang mengalir pada zener. Bagaiamana cara menghitung efek dari resistansi zener pada tegangan beban? Gambar 5 b akan memeperlihatkan bahwa idealnya tegangan beban akan sama dengan tegangan zener tetapi dengan pendekatan ke-2 zener seprti gambar 5 .c maka ada penambahan drop tegangan pada resistansi zener. Karena arus zener mengalir melalui me lalui resistansi zener maka tegangan beban kan bernilai : VL = VZ + IZRZ

Gambar 5. pendekatan ke-2 zener

Efek pada ripple Seperti pada gambar 6 terlihat bahwa yang mempengaruhi ripple adalah ketiga resistor yang ada. Karena dalam desain RZ sangat kecil dibanding dengan RL maka hanya ada dua komponen yang signifikan berakibat pada ripple yaitu tahan seri dan tahanan zener (seperti gambar 6.b). Suhingga menggunakan rumus pembagi tegangan kita dapat menulis rumus tegangan output riple sebagai :

dan karena RZ