dioda zener

MAKALAH LISTRIK DAN ELEKTRONIKA DASAR

• DIODA

A. Pengertian Dioda

Dioda adalah piranti elektronik yang hanya dapat melewatkan arus dalam satu arah saja. Karena itu, dioda dapat dimanfaatkan sebagai penyearah arus listrik, yaitu piranti elektronik yang mengubah arus atau tegangan bolak-balik (AC) menjadi arus tegangan searah (DC).

B. Prinsip Kerja 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 (biasa disebut anode) dihubungakan dengan kutub positif sumber maka akan terjadi pengaliran arus listrik dimana elektron bebas pada sisi N (katode) 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.

C. Jenis –Jenis Dioda

Pada dasarnya setiap dioda memiliki karakteristik yang sama tetapi ada beberapa dioda yang memiliki keistimewaan khusus, diantaranya :

a. Dioda Zener

Dioda zener adalah tipe dioda yang spesial, dimana arus dapat mengalir pada arah kebalikan. Dioda zener sebenarnya sama seperti dioda biasa dapat mengalirkan arus pada arah bias maju. Jika di bias terbalik juga bekerja seperti biasa, kecuali bila mencapai tegangan yang bekerja pada zener/break down voltage, dioda zener akan mengalirkan arus listrik dalam arah bias terbalik atau mundur. Dioda menolak aliran arus pada arah kebalikan selama tegangan balik (reversing voltage) tetap rendah. Tetapi jika tegangan mendekati batas break down, dioda zener akan dialiri arus pada arah kebalikan. Dengan kata lain tahanan dioda zener break down mendekati nol dan arus balik (reverse current) dapat mengalir.
Apabila arah arus ke depan, dioda zener memiliki karakteristik yang sama dengan dioda-dioda secara umum, tetapi karakteristik lainnya adalah arus akan mengalir ke dioda zener secara tiba-tiba dari satu tegangan balik tertentu apabila tegangan digunakan pada arah berlawanan. Tegangan kerja pada saat itu disebut dengan tegangan break down yang besarnya antara beberapa volt sampai beberapa ratus volt. Aplikasi dioda zener pada otomotif adalah pada sistem pengisian elektronika dan beberapa komponen-komponen elektronik lainnya. Ukuran dioda zener yang banyak dijumpai di pasaran adalah :

• Tegangan Zener : dibuat dalam berbagai ukuran tegangan, misal 3.3, 4.7, 5.1, 6.2, 6.8, 9.1, 10, 11, 12, 13, 15 sampai 200 volt.

• Untuk ukuran daya lebih banyak dibutuhkan dalam arah/bias mundur contoh : P= 1.0,7=0,7 W, bias maju arus 1 A. P= 1.10=10 watt, bias mundur 1 A

b. Light Emiting Dioda(LED)

Yaitu jenis dioda yang mampu menghasilkan cahaya apabila pada dioda tersebut bekerja arus listrik dengan arah forward bias/ bias arus maju. Arus listrik juga akan bekerja hanya pada arus bias maju. LED didesign dengan rumah atau case dari bahan epoxy trasnparan. Warna cahaya yang dihasilkan dapat dibuat sesuai dengan dopping bahan pada LED.

c. Dioda Foto

Jika semi konduktor menyerap cahaya, maka dapat tercipta pasangan elektron bebas-lubang yang melebihi jumlah yang telah ada dalam semi konduktor itu akibat kegiatan termal. Gejala ini disebut penyerapan foto (foto absorption). Meningkatnya konduktifitas listrik akibat kelebihan muatan pembawa oleh penyerapan foto disebut konduktifitas foto (foto konduktivity). Jika bungkus semi konduktor diberi “jendela” transparan (tembus cahaya) maka konduktifitas listrik semi konduktor tergantung pada intensitas cahaya yang jatuh padanya. Inilah prinsip kerja sebuah dioda foto.

D. Aplikasi dioda

Aplikasi dioda pada kendaraan banyak digunakan untuk penyearahan arus seperti pada sistem pengisaian. 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.

E. Penerapan Dioda Dalam Rangkaian Penyearah

Karena sebuah dioda sambungan P-N hanya dapat mengalirkan arus listrik dalam satu arah, maka diode dapat dimanfaatkan sebagai penyearah (rectifier) untuk mengubah arus bolak-balik (AC) menjadi arus searah (DC). Ada dua jenis penyearah yang kita pelajari, yaitu penyearah setengah-gelombang (half-wave rectifier) dan penyearah gelombang–penuh (full-wave rectifier) .

a. Penyearah setengah-gelombang

Rangkaian penyearah yang paling sederhana adalah penyearah setengah-gelombang, terdiri dari sebuah diode 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.

Rangkaian Penyearah setengah gelombang

Tegangan sisi sekunder trafo, yaitu Vi, merupakan tegangan masukan untuk rangkaian penyearah setengah-gelombang. Tegangan masukan (Vi) ini adalah tegangan bolak balik yang berbentuk sinusoida, seperti pada gambar a (atas). Dalam satu periode, polaritas tegangan positif dan negatif berubah secara bergantian. Kita hanya meninjau satu periode gelombang saja, yaitu setengah periode positif Oab dan setengah periode negatif bcd.
Dalam setengah periode positif Oab, diode diberi panjar maju (anode A berhubungan dengan polaritas + dan katode K berhubungan dengan polaritas -), sehingga diode akan mengalirkan arus melalui beban R. Untuk beban yang dianggap resistif murni R, tegangan keluaran (Vo) atau ujung-ujung beban sama dengan tegangan masukan (Vi). Karena itu, bentuk teganga keluaran (Vo) sama dengan setengah gelombang tegangan Oab.
Dalam setengah periode negatif berikutnya, yaitu bcd, dioda diberi panjar mundur (anode A berhubungan dengan polaritas K berhubungan dengan +), sehingga dioda tidak akan mengalirkan arus melalui beban R. Ini mengakibatkan tegangan keluaran (Vo) antara ujung-ujung beban sama dengan nol, dan digambarkan dengan garis lurus mendatar bd seperti pada gambar a (bawah).

Bentuk gelombang tegangan keluaran pada rangkaian penyearah setengah gelombang, ditunjukkan pada gambar a bawah dengan garis putus-putus tidak disertakan. Karena menghasilkan tegangan keluaran searah hanya dalam setengah periode positif dari gelombang tegangan masukan, maka penyearah ini disebut penyearah setengah-gelombang.

Gambar a. Bentuk gelombang pada sisi masukan dioda Vi (atas)
dan sisi keluaran dioda Vo (bawah)

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

Tegangan masukan dipasang antara terminal A dan B, sedang beban R dipasang antara terminal P dan Q. Untuk 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, (Vi 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 Q ke P. Jadi, dalam periode ini, tegangan keluaran (Vo) sama dengan tegangan masukan (Vi).
Dalam setengah periode negatif (Vi 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 Q ke P, seperti pada gambar. Dapat kita katakan bahwa tegangan masukan (Vi) yang bernilai negatif dijadikan positif pada keluaran. Selanjutnya, bentuk gelombang tegangan masukan (Vi) pada terminal A dan tegangan keluaran (Vo) pada terminal PQ ditunjukkan pada (gambar b), tidak termasuk garis titik-titik.

Gambar b. Bentuk gelombang masukan dan keluaran

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

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 system perataan di bawah ini.

Rangkaian system peratan

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 anatara 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 BD. Tampak bahwa riak gelombang tegangan menjadi lebih kecil dan tegangan searah yang dihasilkan pada ujung-ujung beban adalah lebih rata.