1
BAB I
PENDAHULUAN
1.1. 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.
1.2. Rumusan Masalah
Berdasarkan permasalahan yang terurai diatas maka penulis membuat rumusan masalah sebagai berikut :
1. Apa pengertian dari dioda ?
2. Bagaimana bentuk konstruksi dioda ? 3. Bagaimana prinsip kerja dioda ? 4. Apa saja jenis – jenis dioda ?
5. Bagaimana aplikasi/penerapan dioda ?
6. Bagaimana penerapan diode dalam rangkaian penyearah?
1.3. Tujuan
Tujuan dari penulisan makalah ini yaitu untuk mengetahui pengertian dari dioda, bentruk konstruksi dari dioda, prinsip kerja dioda, jenis-jenis dioda, penerapan dioda dan penerapan dioda dalam rangkaian penyearah.
2
BAB II
PEMBAHASAN
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 (1849-1945) pada tahun 1904.
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
3
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).
Simbol Dioda Konstruksi 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
4
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. Jenis – Jenis Dioda
Ada beberapa jenis dari diode pertemuan yang hanya menekankan perbedaan pada aspek fisik baik ukuran geometrik, tingkat pengotoran, jenis elektrode ataupun jenis pertemuan, atau benar-benar peranti berbeda seperti diode Gunn, diode laser dan diode MOSFET.
a. Dioda biasa
Beroperasi seperti penjelasan di atas. Biasanya dibuat dari silikon terkotori atau yang lebih langka dari germanium. Sebelum pengembangan diode penyearah silikon modern, digunakan kuprous oksida (kuprox)dan selenium, pertemuan ini memberikan efisiensi yang rendah dan penurunan tegangan maju yang lebih tinggi (biasanya 1.4–1.7 V tiap pertemuan, dengan banyak lapisan pertemuan ditumpuk untuk mempertinggi ketahanan terhadap tegangan terbalik), dan memerlukan benaman bahan yang besar (kadang-kadang perpanjangan dari substrat logam dari dioda), jauh lebih besar dari diode silikon untuk rating arus yang sama.
b. Dioda bandangan
Dioda yang menghantar pada arah terbalik ketika tegangan panjar mundur melebihi tegangan dadal dari pertemuan P-N. Secara listrik mirip dan sulit dibedakan dengan diode Zener, dan kadang-kadang salah disebut sebagai diode Zener, padahal diode ini menghantar dengan mekanisme yang berbeda yaitu efek bandangan. Efek ini terjadi ketika medan listrik terbalik
5
yang membentangi pertemuan p-n menyebabkan gelombang ionisasi pada pertemuan, menyebabkan arus besar mengalir melewatinya, mengingatkan pada terjadinya bandangan yang menjebol bendungan. Dioda bandangan didesain untuk dadal pada tegangan terbalik tertentu tanpa menjadi rusak. Perbedaan antara diode bandangan (yang mempunyai tegangan dadal terbalik diatas 6.2 V) dan diode Zener adalah panjang kanal yang melebihi rerata jalur bebas dari elektron, jadi ada tumbukan antara mereka. Perbedaan yang mudah dilihat adalah keduanya mempunyai koefisien suhu yang berbeda, diode bandangan berkoefisien positif, sedangkan Zener berkoefisien negatif.
c. Dioda Cat's whisker
Ini adalah salah satu jenis diode kontak titik. Dioda cat's whisker terdiri dari kawat logam tipis dan tajam yang ditekankan pada kristal semikonduktor, biasanya galena atau sepotong batu bara[5]. Kawatnya membentuk anode dan kristalnya membentuk katode. Dioda Cat's whisker juga disebut diode kristal dan digunakan pada penerima radio kristal.
d. Dioda arus tetap
Ini sebenarnya adalah sebuah JFET dengan kaki gerbangnya disambungkan langsung ke kaki sumber, dan berfungsi seperti pembatas arus dua saluran (analog dengan Zener yang membatasi tegangan). Peranti ini mengizinkan arus untuk mengalir hingga harga tertentu, dan lalu menahan arus untuk tidak bertambah lebih lanjut.
e. Esaki atau diode terobosan
Dioda ini mempunyai karakteristik resistansi negatif pada daerah operasinya yang disebabkan oleh quantum tunneling, karenanya memungkinkan penguatan isyarat dan sirkuit dwimantap sederhana. Dioda ini juga jenis yang paling tahan terhadap radiasi radioaktif.
f. Dioda Gunn
Dioda ini mirip dengan diode terowongan karena dibuat dari bahan seperti GaAs atau InP yang mempunyai daerah resistansi negatif. Dengan panjar yang semestinya, domain dipol terbentuk dan bergerak melalui dioda, memungkinkan osilator gelombang mikro frekuensi tinggi dibuat.
6 g. Demodulasi radio
Penggunaan pertama diode adalah demodulasi dari isyarat radio modulasi amplitudo (AM). Dioda menyearahkan isyarat AM frekuensi radio, meninggalkan isyarat audio. Isyarat audio diambil dengan menggunakan tapis elektronik sederhana dan dikuatkan.
h. Pengubahan daya
dibuat dari dioda, dimana diode digunakan untuk mengubah arus bolak-balik menjadi arus searah. Contoh yang paling banyak ditemui adalah pada rangkaian adaptor. Pada adaptor, diode digunakan untuk menyearahkan arus bolak-balik menjadi arus searah. Sedangkan contoh yang lain adalah alternator otomotif, dimana diode mengubah AC menjadi DC dan memberikan performansi yang lebih baik dari cincin komutator dari dinamo DC.
2.5. 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.
7 2.6.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 gelombang Sumber : 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.
8
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,
9
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
10
elektrolit kapasitas besar, paralel dengan beban R, seperti pada gambar rangkaian sistem perataan di bawah ini.
Rangkaian Penyearah Gelombang Penuh berfilter Sumber : analisis 2009
(a) (b)
(a) Bentuk sinyal input dan (b) Bentuk sinyal output penyearah berfilter Sumber : 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.
11
BAB III
PENUTUP
3.1. Kesimpulan
Berdasarkan paparan di atas dapat disimpulkan bahwa dioda 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 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.
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.
12
DAFTAR RUJUKAN
Hendra. 2009. Tugas; Makalah; Dioda Daya; BAB I, (Online), (http://tugashendra.blogspot.com/2009/04/tugas-makalah-dioda-daya-bab-1.html), diakses 04 Maret 2012.
Wikipedia. 2012. Diode, (Online), (http://id.wikipedia.org/wiki/Diode), diakses 04 Maret 2012
Ariztik. 2010. Apa itu Dioda (Online), (http://ariztik.wordpress.com/apa-itu-dioda/), diakses 04 Maret 2012
Smkmuh 3 klaten. 2012. Prinsip kerja Dioda (Online), (http://smkmuh3ku.sch.id/?pilih=news&mod=yes&aksi=lihat&id=14), diakses 04 Maret 2012
Aldera. 2008. Dioda. (http://duniaelektronika.blogspot.com/2008/08/dioda-adalah-piranti-semikonduktor.html). diakses 04 Maret 2012
