DIODE

Diode adalah komponen elektronika semikonduktor yang memiliki 1 buah junction, sering disebut sebagai komponen 2 lapis (lapis N dan P) dan secara fisik digambarkan :

Gambar 1. Simbol Dioda

Bias diode adalah cara pemberian tegangan luar ke terminal diode. Apabila A diberi tegangan positif dan K diberi tegangan negative maka bias tersebut dikatakan bias maju (forward bias). Pada kondisi bias ini akan terjadi aliran arus dengan ketentuan beda tegangan yang diberikan ke diode atau VA-VK > Vj dan selalu positif. Sebaliknya apabila A diberi tegangan negative dan K diberi tegangan positif, arus yang mengalir (IR) jauh lebih kecil dari pada kondisi bias maju. Bias ini dinamakan bias mundur (reverse bias) pada arus maju (IF) diperlakukan baterai tegangan yang diberikan dengan IF tidak terlalu besar maupun tidak ada peningkatan IR yang cukup significant.

Gambar 2. Bias Dioda

A. Bias diode

Ada 2 macam bias :

1. bias positif atau bias maju (forward bias)

2. bias negative atau bias mundur (reverse bias)

1. bias positif atau bias maju (forward bias)

Ketika kaki katoda disambungkan dengan kutub negatif batere dan anoda disambungkan dengan kutub positif, maka dikatakan bahwa dioda sedang dibias dengan tegangan maju. Bias maju ini diperlihatkan pada gambar berikut.

Gambar 3. Dioda Dengan Bias Tegangan Maju

Dalam bias maju, kutub negatif batere akan menolak elekton-elektron bebas yang ada dalam semikonduktor tipe N, jika energi listrik yang digunakan adalah melebihi tegangan barir, maka elektron yang tertolak tersebut akan melintasi daerah deplesi dan bergabung dengan hole yang ada pada tipe P, hal ini terjadi terus menerus selama rangkaian di gambar tersebut adalah tertutup. Kondisi inilah yang menyebabkan adanya arus listrik yang mengalir dalam rangkaian.

Gambar 4. Arus Yang Mengalir Pada Dioda

εj = medan listrik yang ada dijunction

ε = medan lisrik sumber bias dari luar (medan luar)

Apabila ε > εj maka akan terjadi arus difusi didalam diode untuk hole dari P ke N untuk electron dari N ke P. Arus difusi didalam diode tersebut diimbangi oleh aliran arus listrik dari kutub positif sumber ke diode dan berakhir ke kutub negative sumber. Dikatakan diode menghantar pada kondisi tegangan anode-katoda berkisar Vji yang disebut dengan cut in thereshold untuk Si Vji 0.6 – 0.7v Ge 0.3 – 0.4 Lazimnya tegangan anode-katode sedikit diatas Vji. Pada bias positif, diode bersifat serupa konduktor dengan nilai hambatan yang disebut hambatan maju (RF). Nilai RF=RP+RN , RP dan RN disebut hambatan bulk.

Karakteristik arus tegangan diode dapat ditinjau melalui 2 pendekatan :

1. Diode Ideal

2. Diode Riil

diode ideal, didekati melalui pendekatan setengah linier (Piece Wise Linier) ada 3 pendekat-an, yang didekati secara grafis.

Gambar 3. Grafik Dioda ideal

disini diode dimodelkan sebagai saklar ideal yaitu suatu saklar yang memiliki cirri untuk kondisi pertutup R=0 dan untuk kondisi terbuka R= ~ . Untuk bias negative diode dianggap sebagai isolator dengan nilai hambatan RR >> RF. Pada model ini untuk bias positif sebagai saklar tertutup (on) dan pada bias negative sebagai saklar terbuka (off), kedua kondisi bias dilukiskan pada grafik I/V.

Model kedua adalah untuk bias positif sebagai saklar non-ideal pada kondisi tertutup R≠0. Untuk bias negative sebagai saklar ideal. Kedua bias tersebut dilukiskan sebagai berikut:

Gambar 4. Grafik Dioda non-ideal

Untuk model ketiga bias positif sebagai saklar non-ideal yang tertutup terpasang seri dengan sumber tegangan Vji. Untuk bias negative sebagai saklar ideal terbuka dengan grafik sebagai berikut :

Gambar 5. Grafik Dioda Ideal Sebagai Saklar

 

Diode Riil model diode riil, didekati oleh pendekatan ke-3 dari diode ideal dengan pendekatan tambahan, pada bias negative nilai RR≠ ~ sehingga terjadi arus reverse yang disebut arus bocor atau arus saturasi. Umumnya dalam orde nanoampere. Ditulis sebagai IB atau IS, arus IS, dipandang sebagai gerakan pembawa minoritas nilai IS berubah terhadap suhu atau IS = aT3. Untuk bias positif terjadi hubungan eksponensial antara arus dan tegangan. ID ≈ e V/VT , VT=tegangan termal = kT/g. Grafik karakteristik diode riil digambarkan sebagai berikut :

Gambar 6. Grafik Dioda Riil

Pada nilai VR = VBVO, terjadi peningkatan Is yang luar biasa besarnya. Arus diode pada kondisi riil, umumnya dinyatakan sebagai berikut : ID=IS(eV/VT – 1)

Catatan :

Carrier : partikel bermuatan yang menentukan sifat hantaran suatu semi-konduktor. Diode (dua electrode)

Gambar 7. Diode Dua Elektroda

Kasus diatas :

Suatu diode dihubungkan seri dengan hambatan R=60 ohm dan sumber E=12 volt system diode D, R dan E membentuk suatu lup tertutup, apabila diode terbuat dari bahan SK Silikon, tentukan arus didalam rangkaian untuk kondisi berikut ini :

a. diode dianggap ideal

b. diode dianggap riil (dengan anggapan hambatan forward 1 ohm)

Jawab :

a) Pendekatan diode ideal dianggap sebagai saklar tertutup sehingga rangkaian diatas dapat dituliskan sebagai berikut :

maka besar arus I yang mengalir dalam rangkaian :

Va+VR-E=Va

VR-E=0

VR=E

Dimana : VR=I.R

IR-E=0

IR=E

I=E/R = 12v/60ohm=0.2A

b) Pendekatan diode riil

untuk Si Vji= 0.7

RF=1 Ω

Va+VR+Vji+RF-E=Va

I.R+0.7+I.RF-E=0

IR+IRF =E-0.7

I(R+RF) =12-0.7

I(60+1) =12-0.7

I =11.3 / 61 (Ampere)

2. bias negative atau bias mundur (reverse bias)

Sebaliknya jika kaki katoda disambungkan dengan kutub positif batere dan anoda disambungkan dengan kutub negatif batere, maka kondisi ini disebut sebagai bias tegangan balik, seperti terlihat dalam gambar berikut.

Gambar 8. Dioda Dengan Bias Tegangan Mundur

Ketika dioda dibias mundur, maka tidak ada aliran arus listrik yang melewati dioda. Hal ini dikarenakan elekton bebas yang ada pada tipe N tertarik oleh kutub positif batere dan demikian juga hole pada tipe P berekombinasi dengan elektron dari batere, sehingga lapisan pengosongan menjadi semakin lebar. Dengan semakin lebarnya lapisan pengosongan ini, maka dioda tidak akan mengalirkan arus listrik. Ketika tegangan bias mundur terus diperbesar, maka pada suatu harga tegangan tertentu dioda akan rusak, karena adanya proses avalan yang menyebabkan dioda rusak secara fisik.

B. Macam-macam diode

Secara umum semua diode memiliki konstruksi dan prinsip kerja yang sama. Semua diode terbentuk oleh sambungan PN yang secara fisik diode dikenali melalui nama elektrodenya yang khas yaitu : anode dan katode. Diode dibedakan menurut fungsinya, disini dalam refresentasi simbolik dilukiskan secara berbeda demikian pula karakteristiknya.

Jenis diode	Fungsi	Simbol
Rectifier	penyearah
Zener	regulator
LED	display
Fotodiode	sensor cahaya
Schothly	saklar kec.tinggi
Tunnel	osilator
Varaktor	variable kapasitor

1. Diode rectifier

Kerja diode ini berdasarkan efek penyearahan, yaitu akan melewatkan arus pada bias forward dan menahan arus pada bias reverse. Ada 2 tipe penyearah, yaitu:

(1) penyearah ½ gelombang (half wave rectifier)

Gambar 9. Grafik Keluaran Dioda ½ Gelombang

Vs adalah sumber tegangan bolak-balik (AC) yang memiliki pola tegangan sinusoidal Vs = Vm Sin w t Dimana fasa Vs berubah-ubah setiap setengah periode T untuk T/2 yang pertama Vs berfasa positif pada kisaran nilai 0<wt< π 28 Diode on untuk T/2 yang kedua V1 berfasa negative pada kisaran nilai π<wt<2π. Diode off tegangan Vs yang muncul di R(tegangan jatuh) hanya berlaku yang fasanya positif saja dan disebut sebagai besaran DC. Nilai yang terukur dapat dinyatakan VDC= Vm / π

(2) penyearah gelombang penuh (full wave rectifier)

ada 2 jenis :

a. CT (center tap)

b. Bridge (jembatan)

a. Tipe CT

Titik 1 pada trafo CT fasanya berubah-ubah positif dan negative terhadap titik CT demikian pada titik 2. Fasa titik 1 selalu berlawanan dengan fasa titik 2 pada saat V1 positif terhadap CT V2 negatif dan sebaliknya. Pada saat V1 positif, diode 1 on dan diode 2 off (kenapa?) sebaliknya saat V1 negatif D2 on (kenapa?) relasi V1,V2 terhadap VR dilukiskan sebagai berikut : (jawabnya ingat prinsip bias diode!)

b. Tipe Bridge

Diode bridge sebagai penyearah gelombang penuh.

Diode adalah komponen elektronika semikonduktor yang memiliki 1 buah junction yang sering di sebut sebagai komponen 2 lapis (lapis N dan lapis P). Untuk mengkonfigurasikan sebuah diode dibutuhkan suatu bias diode. Bias diode adalah pemberian tegangan luar ke terminal diode. Apabila anode diberi tegangan positif dan katode diberi tegangan negatif maka diode tersebut dalam keadaan bias maju. Pada keadaan bias ini akan terjadi aliran arus dengan ketentuan beda tegangan yang diberikan ke diode atau VA-VK > VJ dan selalu positif, sebaliknya apabila anode di beri tegangan negatif dan katode diberi tegangan positif, arus akan mengalir (IR) jauh lebih kecil dari kondisi bias maju. Bias ini di sebut bias mundur (VR). Dibawah ini merupakan bentuk fisik dari diode bridge.

Gambar 10. Dioda bridge

Gambar 11. Dioda bridge

Pada saat A positif titik B negative. Diode 21 dan 43 On aliran arus dari A menuju diode 21 menuju RL menuju diode 43 dan menuju titik B (terjadi aliran karena terdapat beda potensial dari titik A dan B dari tinggi ke rendah dan karena prinsip bias diode). Bentuk tegangan di RL mirip dengan tipe CT dan VDC= 2Vm / π

Gambar 12. Grafik Keluaran Dioda bridge

2. Diode Zener

Pada dasarnya diode zener memiliki karakteristik yang hampir sama dengan diode rectifier yaitu memiliki karakteristik maju dan mundur. Pada diode zener bias maju nilai Vji≈0 sedangkan pada bias mundur pada saat terjadi gejala yang serupa breakdown pada diode rectifier, diode zener akan menghantarkan tanpa kerusakan, tegangan ini disebut tegangan zener

Gambar 13. Grafik Dioda Zener

Suatu diode zener yang dirancang akan menghantar pada tegangan zenernya untuk bias reverse lazimnya dalam kemasan ditulis sebagai xvy misalkan : x=2, y=3 berarti Vz=2,3V atau 2v3. Daya zener maksimal. Pada saat VR=Vz, diode zener akan menghantar arus Iz yang disebut arus zener. Besaran Iz harus dibatasi agar tidak muncul disipasi yang tidak berlebihan (power) karena hal ini dapat merusak diode zener. Nilai Iz terbesar, tanpa diode mengalami kerusakan memenuhi relasi Pz=VzIz disebut Pz maks dan Iz maks.

Dalam desain rangkaian untuk membatasi Iz<Izm dipergunakan resistor yang terpasang seri seperti digambarkan sebagai berikut :

Untuk VR<Vz, VD=VR = Terbuka

VR≥Vz, VD=Vz

Iz= VR-Vz / R

R dipilih agar Iz<Izm (Izm-Iz≈15%Izm)

Suatu diode zener 5V3 dipasang seri dengan R. Apabila Pz=1W. Tentukan nilai VD untuk :

a) V=4V

b) V=6V

c) Berapakah nilai tegangan pada R untuk kondisi a) dan b)

d) Berapakah nilai R, agar diode tetap aman?

Jawab:

a) V= 4 Volt

V<Vz, VD=VR

4V<5V3

Diode dalam keadaan terbuka. Maka nilai VD sama dengan nilai VR yaitu 4 Volt

b) V= 6 Volt

V>Vz, VD=Vz

6>5V3 maka nilai VD sama dengan Vz yaitu 5V3

c) VR pada tegangan = 4 Volt

P=V . I

1W= 4V . I

I=P / V = 1W / 4V = 0.25A

V= I . R

4 = 0.25A . R

R = 4 / 0.25 = 16 ohm

Iz = VR – Vz / R

VR=(Iz . R)+Vz

= (0.25A . 16Ω)+5V3

= 4 + 5V3 = 9V3

d) VR pada tegangan = 6 Volt

P=V . I

1W= 6V . I

I=P / V = 1W / 6V = 0.16A 31

V= I . R

6 = 0.16A . R

R = 6 / 0.16 = 37.5 ohm

Iz = VR – Vz / R

VR=(Iz . R)+Vz

= (0.16A . 37.5Ω)+5V3

= 6 + 5V3 = 11V3

e) Nilai R agar diode dalam kondisi aman

Pz = Vz.Iz

1W = 5V3.Iz

Iz = 1W / 5V3 = 0.18 A

R dipilih agar aman Iz<Izm

0.18<Izm

Iz = VR-Vz / R

0.18 = 11V3 – 5V3 / R

R = 11V3 – 5V3 / 0.18 11V3 merupakan tegangan VR pada tegangan V = 6 V

= 33.3 Ω karena V > Vz = 6 > 5V3 dan dianggap telah

melebihi tegangan zenernya (batas aman) maka digunakan

tegangan 11V3 untuk memilih nilai R agar aman

33.3 Ω < 37.5 Ω

DOWNLOAD PPT

DOWNLOAD DOC

DOWNLOAD FLAH