View
99
Download
4
Category
Preview:
Citation preview
PENDAHULUAN
Latar Belakang
Dioda pada umumnya merupakan komponen elektronika yang berfungsi sebagai
penyearah (rectifier) untuk mengubah tegangan bolak-balik (AC) menjadi tegangan searah
(DC). Dioda menjadi sangat penting karena hampir semua peralatan elektronika memerlukan
sumber arus searah (DC).
Dioda daya mempunyai spesifikasi yang sama dengan dioda biasa pada umumnya,
perbedaan yaitu dioda daya mempunyai kapasitas daya (arus dan tegangan) yang lebih tinggi
dari dioda-dioda sinyal biasa, namun kecepatan penyaklaran pada dioda daya relatif lebih
rendah.
Melihat karakteristik dioda daya yang mempunyai kapasitas daya yang lebih tinggi dari
dioda biasa, maka seringkali doda daya digunakan di dalam rangkaian elektronika sebagai
penyearah. Selain sebagai penyearah, dioda daya juga seringkali digunakan sebagai
freewheeling (bypass) pada regulator-regulator penyakelaran, rangkaian pemisah, rangkaian
umpan balik dari beban ke sumber, dan lain-lain.
Dioda
Prinsip Kerja Dioda
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. Kata dioda berasal dari pendekatan kata yaitu dua elektroda yang
mana (di berarti dua) mempunyai dua buah elektroda yaitu anoda dan katoda. Anoda
digunakan untuk polaritas positif dan katoda untuk polaritas negatip. Didalam dioda terdapat
junction (pertemuan) dimana daerah semikonduktor type-p dan semi konduktor type-n
bertemu.
Dioda semikonduktor hanya dapat melewatkan arus pada satu arah saja, yaitu pada
saat dioda memperoleh catu arah maju (forward bias). 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 terbalik (Reverse bias) maka dioda tidak
bekerja dan pada kondisi ini dioda mempunyai tahanan dalam yang tinggi sehingga arus sulit
mengalir. Dari kondisi tersebut maka dioda hanya digunakan pada beberapa pemakain saja
antara lain sebagai penyearah gelombang (rectifier), disamping kegunaan-kegunaan lainya
misalnya sebagai Klipper, Clamper , pengganda tegangan dan lain-lain.
Sifat-Sifat Dioda
a. Dioda Silikon:
1. Menghantar dengan tegangan maju kira-kira 0.6 Volt
2. Perlawanan maju cukup kecil
3. Perlawanan terbalik sangat tinggi, dapat mencapai beberapa Mega ohm
4. Arus maju maksimum yang dibolehkan cukup besar, sampai 1000 A
5. Tegangan terbalik maksimum yang dibolehkan cukup tinggi, dapat mencapai 1000 V
6. Bentuk fisik bulat, warna umumnya hitam pekat
b. Dioda Germanium
1. Menghantar dengan tegangan maju kira-kira 0,2 Volt
2. Perlawanan maju agak besar
3. Perlawanan terbalik kurang tinggi ( kurang dari 1 M ohm)
4. Arus maju maksimum yang dibolehkan kurang besar
5. Tegangan terbalik masimum yang dibolehkan kurang tinggi
6. Bentuk fisik bulat, bening seperti kaca
Karakteristik Dioda
a. Forward Bias
Apabila kutub positif dihubungkan pada tipe P dan kutub negatif pada tipe N,
hubungan ini disebut forward bias Forward bias menghasilkan arus yang besar karena
kutub negatif dari sumber menolak elektron bebas di dalam daerah N ke arah junction
Forward bias menunjukkan bahwa tegangan atau arus yang digunakan menyebabkan
diode ON
b. Reverse Bias
Apabila kutub positif dihubungkan pada tipe N dan kutub negatif pada tipe P
Elektron bebas di dalam daerah N berpindah dari junction ke arah terminal sumber,
hole di daerah P juga bergerak menjauhi junction ke arah terminal negatif
Makin besar reverse ,makin cepatlah elektron bergerak Pada saat menaikkan tegangan
balik, pada suatu saat akan mencapai titik tegangan maksimum, itulah yang disebut
tegangan breakdown diode (biasanya lebih besar dari 50 volt)
Teknik Pembuatan Dioda
Proses pembentukan semikonduktor tipe P dan tipe N
Dengan menambahkan unsur dopan valensi 5 seperti Posphor (P), maka kristal silicon
akan kelebihan satu elektron yang tidak terikat atau merupakan elektron bebas. Karena
terdapat kelebihan elektron yang bermuatan negatif maka atom silicon yang diberikan doping
valensi 5 menjadi semikonduktor ekstrinsik tipe N,
Si Si Si Si
Si
Si
Si Si
P
Si
SiSi
elektron bebas(-)
BSK Murni(Intrinsik)
Unsur DopanValensi 5
SK Tipe N
+4q
+4q +4q
+4q
+5q
Elektronbebas
Gambar 1.1 Pembentukan Semikonduktor tipe N
Dengan memberikan doping unsur valensi 3 seperti Aluminium (Al), maka dalam
struktur tersebut akan kekurangan satu elektron. Kondisi tersebut ekivalen dengan lobang
(hole) yang bermuatan positif. Karena itu semikonduktor yang dihasilkan disebut
semikonduktor ekstrinsik tipe P.
Si Si Si Si
Si
Si
Si Si
Al
Si
SiSi
hole bebas (+)
BSK Murni(Intrinsik)
Unsur DopanValensi 3
SK Tipe P
+4q
+4q +4q
+4q
+3q
Hole bebas
Gambar 1.2 Pembentukan Semikonduktor tipe P
Proses Pembentukan DIODA Persambungan P-N :
Secara visualisasi yang diperbesar, struktur SK tipe P dan tipe N diperlihatkan pada
gambar 1. Proses pembentukan persambungan P – N diperlihatkan seperti pada gambar 2,
dimana SK tipe P dan SK tipe N didekatkan satu sama lain dengan teknik tertentu.
SK tipe P SK tipe N Tipe NTipe P
Gambar 1 Gambar 2
Beberapa elektron dalam sisi tipe N ditarik ke tipe P dan pada saat yang sama hole
dalam jumlah yang sama ditarik ke sisi N. Muatan-muatan tersebut menghasilkan pasangan
elektron – hole yang netral. Namun demikian, efek ini tidak mencakup ion-ion unsur dopan .
Ion-ion tersebut menimbulkan potensial barrier internal VB pada kedua sisi persambungan.
VB mempunyai polaritas yang mencegah lebih banyak elektron bebas atau hole bebas yang
menyeberangi persambungan. Akibatnya VB mempertahankan elektron bebas dalam tipe N
dan hole bebas dalam tipe P, untuk mencegah kedua sisi semikonduktor saling menetralisir.
Meskipun Potensial Barrier tidak dapat diukur secara langsung, tetapi efeknya dapat
diatasi dengan 0,3 Volt untuk persambungan Ge dan 0,7 Volt untuk persambungan Si.
Potensial barrier untuk Si lebih besar dari Ge karena nomor atom yang lebih rendah sehingga
lebih stabil dalam ikatan kovalen. Potensial barrier dapat diatur dengan memberikan tegangan
dari luar. Pemberian tegangan maju (forward) dapat menghilangkan VB sebagian atau
seluaruhnya. Pemberian tegangan balik (reverse bias) tidak akan menghilangkan VB. VB
dipengaruhi oleh temperature. Baik Si maupun Ge, VB akan turun sebesar 2,5 mV untuk
setiap kenaikan temperature 1o C.
Karena pasangan elekron – hole yang netral, daerah persambungan merupakan daerah
pengosongan (depletion layer) artinya tidak ada pembawa muatan yang bebas. Proses
terbentuknya struktur persambungan P N diperlihatkan pada gambar 1.3 dan kondisi akhir
diperlihatkan pada gambar 1.4.
Medanlistrik
Tipe NTipe PTipe P Tipe N
Gambar 1.3 Proses pembentukan persambungan P – N
Tipe P Tipe N
Lapisan deplesiAnoda
(A)Katoda
(K)
Gambar 1.4 Kondisi akhir terbentuknya persambungan P-N.
Dalam keadaan demikian persambungan PN sudah membentuk dioda PN atau dioda
semikonduktor yang disimbolkan secara umum pada gambar 5.
a. Dioda penyearah b. Dioda Zener, c. Light Emitting
Gambar 1.5 simbol-simbol dioda
Macam – Macam Dioda
a. Dioda Pemancar Cahaya (LED : Light Emitting Diode)
Bila dioda dibias forward, electron pita konduksi melewati junction dan jatuh ke dalam hole.
Pada saat elektron-elektron jatuh dari pita konduksi ke pita valensi, mereka memancarkan
energi. Pada dioda Led energi dipancarkan sebagai cahaya, sedangkan pada dioda penyearah
energi ini keluar sebagai panas. Dengan menggunakan bahan dasar pembuatan Led seperti
gallium, arsen dan phosphor pabrik dapat membuat Led dengan memancarkan cahaya warna
merah, kuning, dan infra merah (tak kelihatan).
Led yang menghasilkan pancaran yang kelihatan dapat berguna pada display peralatan, mesin
hitung, jam digital dan lain-lain. Sedangkan Led infra merah dapat digunakan dalam sistim
tanda cahaya pencuri dan lingkup lainnya yang membutuhkan cahaya tak kelihatan.
Keuntungan lampu Led dibandingkan lampu pijar adalah umurnya panjang (± 25 tahun),
tegangannya rendah dan saklar nyala matinya cepat. Gambar
2.1 dibawah ini menjukkan lambang atau simbol dari macam dioda.
Gambar 2.1. (a). LED, (b). Dioda photo, (c). Dioda Varactor
(d). Dioda Schottky, (e). Dioda Step-recovery, (f). Dioda Zener
b. Dioda Photo
Energi thermal menghasilkan pembawa minoritas dalam dioda, makin tinggi suhu makin
besar arus dioda yang terbias reverse. Energi cahaya juga menghasilkan pembawa minoritas.
Dengan menggunakan jendela kecil untuk membuka junction agar terkena sinar, pabrik dapat
membuat dioda photo. Jika cahaya luar mengenai junction dioda photo yang dibias reverse
akan dihasilkan pasangan electron-hole dalam lapisan pengosongan. Makin kuat cahaya
makin banyak jumlah pembawa yang dihasilkan cahaya makin besar arus reverse. Oleh sebab
itu dioda photo merupakan detektor cahaya yang baik sekali. Gambar 1b menunjukkan
lambang atau symbol dari dioda photo
c. Dioda Varactor
Seperti kebanyakan komponen dengan kawat penghubung, dioda mempunyai kapasitansi
bocor yang mempengaruhi kerja pada frekuensi tinggi, kapasitansi luar ini biasanya lebih
kecil dari 1 pF. Yang lebih penting dari kapasitansi luar ini adalah kapasitansi dalam junction
dioda. Kapasitansi dalam ini kita sebut juga kapasitansi peralihan CT. Kata peralihan disini
menyatakan peralihan dari bahan type-p ke type-n. Kapasitansi peralihan dikenal juga sebagai
kapasitansi lapisan pengosongan, kapasitansi barier dan kapasitansi junction. Apakah
kapasitansi peralihan itu?. Perhatikan gambar 2.2 dibawah ini.
Lapisan pengosongan melebar hingga perbedaan potensial sama dengan tegangan riverse
yang diberikan. Makin besar tegangan riverse makin lebar lapisan pengosongan. Karena
lapisan pengosongan hampir tak ada pembawa muatan ia berlaku seperti isolator atau
dielektrik. Dengan demikian kita dapat membayangkan daerah p dan n dipisahkan oleh
lapisan pengosongan seperti kapasitor keeping sejajar dan kapasitor sejajar ini sama dengan
kapasitansi peralihan. Jika dinaikkan teganag riverse membuat lapisan pengosongan menjadi
lebar, sehingga seperti memisahkan keeping sejajar terpisah lebih jauh. Dan sebagai
akibatnya kapasitansi peralihan dari dioda berkurang bila tegangan riverse bertambah. Dioda
silicon yang memanfaatkan efek kapasitansi yang berubah-ubah ini disebut varactor.
Dalam banyak aplikasi menggantikan kapasitor yang ditala secara mekanik, dengan
perkataan lain varaktor yang dipasang parallel dengan inductor merupakan rangkaian tangki
resonansi. Dengan mengubah-ubah tegangan riverse pada varactor kita dapat mengubah
frekuensi resonansi. Pengontrolan secara elektronik pada frekuensi resonansi sangat
bermanfaat dalam penalaan dari jauh.
d. Dioda Schottky
Dioda schottky menggunakan logam emas, perak atau platina pada salah satu sisi
junction dan silicon yang di dop (biasanya type-n) pada sisi yang lain. Dioda semacam ini
adalah piranti unipolar karena electron bebas merupakan pembawa mayoritas pada kedua sisi
junction. Dan dioda Schottky ini tidak mempunyai lapisan pengosongan atau penyimpanan
muatan, sehingga mengakibatkan ia dapat di switch nyala dan mati lebih cepat dari pada
dioda bipolar. Sebagai hasilnya piranti ini dapat menyearahkan frekuensi diatas 300 Mhz dan
jauh diatas kemampuan diode bipolar.
e. Dioda Step-Recovery
Dengan mengurangi tingkat doping dekat junction pabrik dapat membuat dioda step-
recovery piranti yang memanfaatkan penyimpanan muatan. Selama konduksi forward dioda
berlaku seperti diode biasa dan bila dibias riverse dioda ini konduksi sementara lapisan
pengosongan sedang diatur dan kemudian tiba-tiba saja arus riverse menjadi nol. Dalam
keadaan ini seolah-olah dioda tiba-tiba terbuka menjepret (snaps open) seperti saklar, dan
inilah sebabnya kenapa dioda step-recovery sering kali disebut dioda snap.
Dioda step-recovery digunakan dalam rangkaian pulsa dan digital untuk menghasilkan pulsa
yang sangat cepat.Snap-off yang tiba-tiba dapat menghasilkan pensaklaran on-off kurang dari
1 ns. Dioda khusus ini juga digunakan dalam pengali frekuensi.
f. Dioda Zener
Dioda zener dibuat untuk bekerja pada daerah breakdown dan menghasilkan tegangan
breakdown kira-kira dari 2 samapai 200 Volt. Dengan memberikan tegangan riverse
melampaui tegangan breakdown zener, piranti berlaku seperti sumber tegangan konstan. Jika
tegangan yang diberikan mencapai nilai breakdown, pembawa minoritas lapisan pengosongan
dipercepat hingga mencapai kecepatan yang cukup tinggi untuk mengeluarkan electron dari
orbit luar. Efek zener berbeda-beda, bila dioda di-dop banyak maka lapisan pengosongan
amat sempit. Sehingga medan listrik pada lapisan pengosongan sangat kuat.
Pada gambar 3 menunjukkan kurva tegangan arus dioda zener. Pada dioda zener breakdown
mempunyai knee yang sangat tajam, diikuti dengan kenaikan arus yang hampir vertikal.
Perhatikan bahwa tegangan kira-kira konstan sama dengan Vz pada sebagian besar daerah
breakdown. Lembar data biasanya menentukan nilai VZ pada arus test IZT tertentu diatas
knee ( perhatikan gambar2.3 )
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.
Gambar 2.6. Rangkaian Penyearah setengah gelombangSumber : analisis 2009
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) (b)
(a) Bentuk sinyal input dan (b) Bentuk sinyal output penyearah setengah gelombang
Sumber : analisis 2009
b. 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.
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) (b)
(a) Bentuk sinyal input dan (b) Bentuk sinyal output penyearah gelombang penuh
Sumber : analisis 2009
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.
c. 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.
Rangkaian Penyearah Gelombang Penuh berfilterSumber : analisis 2009
(a) (b)
(a) Bentuk sinyal input dan (b) Bentuk sinyal output penyearah berfilterSumber : analisis 2009
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 ujung-
ujung beban adalah agak lebih rata.
Daftar Pustaka
http://rizkyblog.com/komponen-dasar-dioda/
http://id.wikipedia.org/wiki/Diode
http://duniaelektronika.blogspot.com/2008/08/dioda-adalah-piranti-semikonduktor.html
Makalah Devais ElektronikaDioda
Dosen Pembimbing :Bhudi priyanto Drs, Msi
Oleh: Muchamad Aldi Ananta Nim: 201010130311153kelas: Teknik Elektro 4c
JURUSAN TEKNIK ELEKTRO
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH MALANG
2011/2012
KATA PENGANTAR
Bismillahirrahmanirrahim
Dengan rahmat dan nikmat dari Allah Swt yang telah dilimpahkan kepada umatnya,
Alhamdulillah saya dapat menyusun makalah yang berisi tentang diode.
Makalah ini disusun sebagai teori mata kuliah yang wajib dipelajari oleh mahasiswa
khususnya jurusan elektro. Tujuan dilakukan pembutan makalah ini supaya mahasiswa bisa
tahu secara nyata teori–teori yang terdapat di dalam matakuliah devais elektronika dan
menambah pengalaman yang lebih banyak.
Akhirnya, penyusun menyadari bahwa makalah ini masih jauh dari kesempurnaan
sehingga perlu untuk ditinjau ulang dan disempurnakan. Untuk itu segala saran yang
konstruktif sangat diharapkan dari para pembaca.Semoga makalah ini bermanfaat pagi adek –
adek tingkat kami.
Malang, 4 Juni 2012
Penyusun
Recommended