Dioda

1. Pendahuluan

Tahun 1883, secara tidak sengaja Edison telah membuat dioda pertama melalui pengujian bola lampunya. Bila salah satu elektroda diberi tegangan positif terhadap kawat (filamen) maka ada arus mengalir antara dua kawat dan bila diberi tegangan negatif maka tidak ada arus mengalir. Kata “dioda” adalah di = dua dan ode = elektroda Jadi dioda adalah piranti dua terminal yang terbuat dari bahan semikonduktor dengan arah arus tertentu.

Dioda-dioda semula berupa piranti-piranti tagung hampa dengan filamen panas (disebut katoda) yang memancarkan elektron-elektron bebas dan suatu pelat positif (disebut anoda) yang mengumpulkan elektron-elektron tersebut.

Dioda modern memakai piranti semikonduktor dengan bahan tipe n yang menyediakan elektron-elektron bebas dan bahan tipe p yang mengumpulkannya. Bahan tipe n adalah terbentuknya elektron bebas tidak disertai terbentuknya hole tetapi terbentuk ion positif yang tidak dapat bergerak seperti gambar 15. Dimana, tanda - adalah elektron-elektron bebas sebagai pembawa-pembawa mayoritas (majority carriers), tanda – adalah hole-hole sebagai pembawa-pembawa minoritas (minority carriers) dan tanda plus dilingkari adalah ion-ion donor atau ion-ion positif. Dan sebaliknya bahan tipe p adalah terbentuknya hole disertai terbentuknya ion negatif yang tidak dapat bergerak seperti gambar 16. Dimana, tanda + adalah hole-hole (pembawa-pembawa mayoritas) dan tanda minus dilingkari adalah ion-ion akseptor atau ion-ion negatif.

A. Lapisan Pengosongan (depletion layer)

Batas antara bahan tipe p dan bahan tipe n disebut persambungan (junction) seperti gambar 17.

Secara difusi bila suatu elektron memasuki daerah p maka elektron ini sebagai pembawa minoritas. Dengan dikelilingi oleh lubang-lubang yang berjumlah banyak, pembawa minoritas akan masuk ke salah satu lubang, lubang bersangkutan akan lenyap dan elektron bebas menjadi elektron valensi. Daerah yang mengandung ion-ion positif dan negatif disebut lapisan pengosongan (depletion layer) karena pada daerah ini mengalami pengosongan dari pembawa-pembawa muatan elektron maupun hole. Hubungan pn ini yang disebut dioda dengan kaki yang bertanda positif (A) disebut anoda dan kaki yang bertanda negatif (K) disebut katoda. Adapun simbol dioda adalah seperti pada gambar 18.

B. Forward bias

Hubungan forward bias (bias maju) adalah bila kaki Anoda (bahan tipe p) dihubungkan ke sumber tegangan positif dan kaki Katoda (bahan tipe n) dihubungkan ke sumber tegangan negatif. Elektron-elektron bebas di bahan n bergerak menuju ke persambungan yang meninggalkan ion-ion positif di sebelah kanan kristal. Ion-ion positif ini kemudian akan menarik elektron-elektron bebas dari baterai (sumber tegangan) lewat kawat rangkaian. Jadi, arah aliran elektron adalah dari bahan tipe n ( K) ke bahan tipe p (A) dan sebaliknya arah arus dari bahan tipe p (A) ke bahan tipe n (K) seperti gambar 19.

C. Reverse Bias

Reverse Bias adalah pemberian sumber tegangan yang terbalik dimana kaki Anoda (bahan tipe p) dihubungkan ke sumber tegangan negatif dan kaki Katoda (bahan tipe n) dihubungkan ke sumber tegangan positf. Pembawa-pembawa mayoritas tidak dapat menyeberangi persambungan dan elektron-elektron bebas tidak mempunyai energi yang cukup besar untuk menyeberangi persambungan sehingga tidak ada aliran arus dari katoda ke Anoda seperti gambar 20.

Dioda disebut aktif atau ‘on’ apabila mendapat arus maju IF (forward bias) dari hubungan baterai seperti gambar 19 dan dioda disebut tidak aktif atau ‘off’ apabila mendapat arus mundur IR (reverse bias ) dari hubungan baterai seperti gambar 20. Adapun karakteristik Dioda adalah seperti pada gambar 21.

Dioda aktif apabila Vd>=Vf,untuk bahan semikonduktor Silikon VF = 0,7 Volt dan untuk bahan semikonduktor Germanium VF = 0,3 Volt. Dioda tidak aktif apabila VD < 0 maka untuk semikonduktor Silikon ID = 0 mA dan untuk semikonduktor Germanium ID =IR. Pada saat arus reverse bias maksimum atau sama dengan VBD (Breakdown Voltage) maka arus tak terhingga atau dioda dapat menjadi rusak. Rumus umum untuk arus dioda ID adalah:

2. Dioda Zener

Prinsip kerja Dioda Zener adalah sama dengan kondisi arus reverse dioda dimana pada saat dimana VBD disebut juga dengan VZ maka dioda zener akan aktif dan teganan tetap sebesar tegangan zener VZ walaupun VD diberikan < VZ seperti gambar 30.

3. Aplikasi Dioda

Contoh:
Diket:
Untuk rangkaian dioda seperti gambar 31(a) dan menggunakan karakteristik seperti terlihat pada grafik 31(b). Ditanya:
Tentukanlah,
a. VDq dan IDq
b. VR

Jawab:

perbedaan perhitungan VR dikarenakan pendekatan pembacaan nilai IDq dan VDq dari karakteristik dioda gambar 32 diatas. Adapun hasil simulasi rangkaian dan bentuk gelombang input dan output seperti pada gambar 33.

1 Gerbang OR dan AND

1.1 Gerbang OR

Rangkaian gerbang OR dapat dirancang dengan memakai dioda seperti gambar 34. Sesuai dengan tabel kebenaran gerbang OR apabila kedua input berlogika ‘0’ maka output gerbang OR akan berlogika ‘0’ dan apabila salah satu atau kedua input berlogika ‘1’ maka output gerbang OR akan berlogika ‘1’

Contoh, seperti gambar rangkaian 34 diatas bahwa V1 = 10 V (berlogika ‘1’) dan V2 = 0 Volt (berlogika ‘0’) maka hasil tabel kebenaran adalah berlogika ‘1’ (VO = 10 Volt). Dengan memakai rumus KVL akan mendapatkan hasil yang sama, yakni dengan V2 di-ground maka dioda D2 tidak aktif dan dengan V1 berlogika ‘1’ maka ada arus dari V1=10 V melalui R = 1k Ω ke ground. Dimana, VO paralel dengan tegangan di R sehingga VO = VR = V1 – VD = 10 – 0,7 = 9,3 V (logika ‘1’). Jadi hasilnya sama dengan di tabel kebenaran yaitu berlogika ‘1’. 1.2 Gerbang AND

Hal yang sama seperti analisa rangkaian gerbang OR dapat diterapkan di rangkaian gerbang AND seperti gambar 35 yaitu dengan memakai rumus KVL. Jika V1 =’1’ dan V2 = ‘0’ maka dioda D1 tidak aktif karena kaki Anoda bertegangan 10 Volt dan kaki katoda bertegangan 10 Volt juga. Dioda D2 aktif sehingga tegangan output VO = Vi - VR = VD2 = 0,7 Volt (berlogika ‘0’).

2 Penyearah (rectification)

2.1 Penyearah setengah gelombang (half-wave rectification)

Adapun rangkaian half-wave rectification dengan gelombang tegangan input Vi berbentuk sinus seperti gambar 36. Pada saat tegangan input bertegangan setengah gelombang positif maka dioda aktif atau terjadi short circuit pada dioda jika dimisalkan dioda adalah dioda ideal seperti gambar 37. Tegangan setengah gelombang positif terbentuk di tahanan R seperti terlihat pada hasil simulasi gambar 38. Dan sebaliknya, pada saat tegangan input Vi bertegangan setengah gelombang negatif maka dioda tidak aktif (seperti rangkaian terbuka) sehingga tidak ada arus yang mengalir di tahanan R atau VO =VR = 0 Volt.

2.2 Penyearah gelombang penuh (full-wave rectification)

2.2.1 Bridge network

Adapun rangkaian dan bentuk output hasil simulasi seperti gambar 39. Pada saat tegangan input Vi bertegangan setengah gelombang positif maka arus dari Vi mengalir ke dioda D2, terus ke tahanan R, ke D3 dan kembali ke Vi, sehingga tegangan setengah gelombang positif terbentuk di tahanan R dengan arah arus mengalir di tahanan R dari kanan ke kiri. Dan sebaliknya pada saat tegangan input bertegangan setengah gelombang negatif maka dioda D1 dan D4 aktif sehingga arus di tahanan R tetap berarah dari kanan ke kiri.

2.2.2 Centre Tapped Transformer

Rangkaian dan bentuk output hasil simulasi seperti gambar 40. Pada saat tegangan input Vi bertegangan setengah gelombang positif maka arus dari Vi mengalir ke dioda D1, terus ke tahanan R dan kembali ke Vi, sehingga tegangan setengah gelombang positif terbentuk di tahanan R dengan arah arus mengalir di tahanan R dari kanan ke kiri. Dan sebaliknya pada saat tegangan input bertegangan setengah gelombang negatif maka dioda D2 aktif sehingga arus di tahanan R tetap berarah dari kanan ke kiri.

3. Clippers

Rangkaian clippers adalah rangkaian pemotong sinyal input Vi dengan memanfaatkan kerja dioda.

a). seri

Rangkaian dan bentuk gelombang input Vi dan output VO serta hasil simulasi seperti gambar 41. Pada saat tegangan input Vi bertegangan setengah gelombang positif maka arus dari Vi mengalir ke dioda D1, terus ke tahanan R dan kembali ke Vi, sehingga tegangan setengah gelombang positif terbentuk di tahanan R. Dan sebaliknya pada saat tegangan input bertegangan setengah gelombang negatif maka dioda D1 tidak aktif sehingga tegangan di VO = VR = 0 Volt

b). Clipper seri dengan DC

Rangkaian suatu sumber tegangan dc yang diserikan dengan dioda seperti gambar 42.

c). Paralel

Adapun rangkaian dan bentuk gelombang input Vi dan output VO serta hasil simulasi seperti gambar 43. Pada saat tegangan input Vi bertegangan setengah gelombang positif maka arus dari Vi mengalir ke tahanan R, terus ke dioda D1 dan kembali ke Vi, sehingga tegangan VO = VD = 0,7 Volt. Dan sebaliknya pada saat tegangan input bertegangan setengah gelombang negatif maka dioda D1 tidak aktif sehingga tegangan di VO = Vi.

d). Clipper paralel dengan DC

Rangkaian suatu sumber tegangan dc yang diparalelkan dengan dioda seperti gambar 44.

4.4 Clamper Rangkaian clamper adalah rangkaian yang menarik tegangan (peak to peak) ke atas atau ke bawah dengan memanfaatkan prinsip kerja kapasitor seperti gambar 45. Pada setengah gelombang positif (saat dioda aktif) maka C mengisi sehingga VC = Vi dan setengah gelombang negatif maka dioda tidak aktif dan C membuang sebesar VC ke tahanan R sehingga VR = 2 Vi = Vi +VC.

Dari gambar 45(e) untuk mendapatkan hasil output maka dipakai rumus KVL. Dimulai dari tegangan input setengah gelombang negatif maka dioda aktif dan kapasitor C mengisi sehingga VO = Vdc = -5 Volt (misal dioda ideal VF=0 Volt) serta,

Dan saat tegangan input setengah gelombang positif maka dioda tidak aktif dan kapasitor C (VC = 10 Volt) membuang sehingga,

4.5 Dioda Zener Dioda zener saat ‘on’ bertegangan sebesar Vz dan saat ‘off’ bertegangan sebesar VD seperti gambar 46 yaitu gambar rangkaian ekivalen dioda zener. Dari gambar 46(c) untuk mendapatkan hasil output maka dipakai rumus KVL. Bila diberikan tegangan input setengah gelombang positif maka dioda zener aktif (VD ≥ VBD) maka V0=Vz=4,7volt.

Jika diberikan tegangan input setengah gelombang negatif maka dioda zener tidak aktif (berfungsi seperti dioda biasa aktif) sehingga V0=Vd=0,7volt.

4.6 Voltage Multiplier Circuit

Rangkaian pengganda tegangan (Voltage Multiplier Circuit) adalah rangkaian yang dapat melipatgandakan keluaran tegangan outputnya dengan memanfaatkan prinsip kerja kapasitor seperti gambar 47.

DAFTAR PUSTAKA

1. Boylestad, R. and Nashelsky, L. 1999, “Electronic Devices and Circuit Theory”, Prentice Hall, New Jersey.

2.    Hayt, W. H. and Neudeck, G. W., “Electronic Circuit Analysis and Design”, Houghton Mifflin Company, Boston.

3.    Coughlin, R. F. and Driscoll F. F., 1985, “Operational Amplifiers and Linear Integrated Circuits”, Prentice Hall, New Jersey.

4.    Paynter, R. T.,1997, ”Introductory Electronic Devices and Circuits”, Prentice Hall, New Jersey.

5.     Malvino, 1985, “ Aproksimasi Rangkaian Semikonduktor: Pangantar Transistor dan Rangkaian Terpadu”, Penerbit Erlangga.

6.    Mike Tooley, 2002, “ Rangkain Elektronika: Prinsip dan Aplikasi”, Penerbit Erlangga

7.    Darwison, 2008, “Diktat Elektronika Analog”, Teknik Elektro – Unand, Padang.

8.    Darwison, 2010, “Diktat Dasar Elektronika”, Teknik Elektro – Unand, Padang.

9.    Darwison, 2010, “Panduan Praktikum Dasar Elektronika Digital”, Teknik Elektro – Unand, Padang.