PENYEARAH DIODA
Diode
adalah komponen aktif dua kutub yang pada umumnya bersifat semikonduktor, yang
memperbolehkan arus listrik mengalir ke satu arah (kondisi panjar maju) dan
menghambat arus dari arah sebaliknya (kondisi panjar mundur). Diode dapat
disamakan sebagai fungsi katup di dalam bidang elektronika. Diode sebenarnya
tidak menunjukkan karakteristik kesearahan yang sempurna, melainkan mempunyai
karakteristik hubungan arus dan tegangan kompleks yang tidak linier dan
seringkali tergantung pada teknologi atau material yang digunakan serta
parameter penggunaan. Beberapa jenis diode juga mempunyai fungsi yang tidak
ditujukan untuk penggunaan penyearahan.
Awal mula
dari diode adalah peranti kristal Cat's Whisker dan tabung hampa (juga disebut katup termionik). Saat
ini diode yang paling umum dibuat dari bahan semikonduktor seperti silikon atau germanium.
Salah satu
fungsi dioda adalah sebagai penyearah arus. Hal ini sesuai dengan karakteristik
dasar dioda yang hanya melewatkan arus listrik satu arah saja. Fungsi dioda
sebagai penyearah ini banyak diaplikasikan pada rangkaian power supply. Dan
pada tulisan kali ini akan dibahas lebih detail tentang prinsip kerja dioda sebagai
penyearah. Yang dimaksud penyearah disini adalah dioda digunakan untuk
menyearahkan arus bolak-balik(AC)menjadiarussearah(DC).
Prinsip ini
dipakai pada saat kita membutuhkan tegangan DC dari sumber tegangan AC seperti
pada listrik rumah tangga. Sumber listrik dirumah yang diperoleh dari PLN
merupakan tegangan AC sebesar 220V. Untuk bisa dipakai pada perangkat
elektronika seperti misalnya televisi, radio, dvd player, charger hp dan
sebagainya, tegangan AC tersebut harus diturunkan dan disearahkan lebih dahulu.
Nah, untuk keperluan penyearahan inilah dioda dibutuhkan.
Jenis-jenis
rangkaian dioda penyearah
Ada beberapa
jenis rangkaian dioda penyearah berdasarkan konfigurasi rangkaian dan
bentuk sinyal yang dihasilkan. Masing-masing konfigurasi memiliki kelebihan dan
kekurangan sendiri-sendiri. Pemilihan konfigurasi didasarkan pada kebutuhan
dengan memperhatikan aspek kestabilan, kehalusan dan tentunya biaya komponen.
Berikut ini beberapa jenis konfigurasi rangkaian dioda penyearah yang umum
dipakai yaitu :
1. Penyearah
setengah gelombang (half wave rectifier circuit)
Penyearah
setengah gelombang adalah penyearah yang hanya mengeluarkan setengah siklus
gelombang sinus dengan menggunakan satu blok dioda penyearah saja. Penyearah
setengah gelombang mempunyai kelebihan yaitu simpel dan sederhana serta hemat
biaya karena hanya menggunakan satu dioda dan satu fasa sinyal sinus.
Kelemahan
dari penyearah setengah gelombang adalah keluarannya memiliki riak (ripple)
yang sangat besar sehingga tidak halus dan membutuhkan kapasitor besar pada
aplikasi frekuensi rendah seperti listrik PLN 50Hz. Kelemahan ini tidak berlaku
pada aplikasi power supply frekuensi tinggi seperti pada rangkaian SMPS.
Kelemahan
penyearah setengah gelombang lainnnya adalah kurang efisien karena hanya
mengambil satu siklus sinyal saja. Artinya siklus yang lain tidak diambil alias
dibuang. Ini mengakibatkan keluaran dari penyearah setengah gelombang memiliki
daya yang lebih kecil.
2. Penyearah
gelombang penuh (full wave rectifier circuit)
Penyearah
gelombang penuh adalah penyearah yang mengeluarkan semua siklus gelombang sinus
dari sinyal AC. Peinsip kerja dari rangkaian penyearah gelombang penuh adalah
membuat penyearah ganda dengan lebih dahulu membalik siklus negatif dari
masukan. Artinya penyearah gelombang penuh membutuhkan dua fasa input, satu
fasa mengikuti masukan sinyal sinus dan satu fasa yang lain berbalikan dengan
sinyal input.
Kelebihan
penyearah gelombang penuh adalah lebih efisien karena mengambil semua bagian
dari siklus sinyal AC yang disearahkan. Hal ini membuat keluaran dari penyearah
gelombang penuh memiliki riak (ripple) yang kecil dan lebih halus. Daya yang
terserap juga lebih efisien karena tidak ada siklus yang dibuang.
Kelemahan
dari penyearah gelombang penuh adalah kebutuhan akan satu siklus pembalik yang
berarti harus menambah satu gulungan lilitan lagi pada transformator serta
penggunaan dua buah dioda untuk penyearahan. Ini berakibat pada penambahan
biaya yang harus ditanggung oleh rangkaian.
3. Penyearah
sistem jembatan (bridge rectifier circuit)
Penyearah
sistem jembatan adalah penyearah dengan memanfaatkan topologi dioda yang
disusun dengan sistem jembatan. Sistem ini mengambil semua siklus gelombang
sinus masukan namun dengan input fasa tunggal. Sistem lebih efisien pada sistem
power supply dengan input fasa tunggal karena menghemat penggunaan lilitan.
Penyearah
sistem jembatan memanfaatkan kerja forward secara bergantian pada masing-masing
dioda yang dimanfaatkan pada masing-masing siklus. Pada siklus positif, dioda
pertama dan kedua bekerja secara forward lalu pada siklus negatif, dioda ketiga
dan keempat yang ganti bekerja secara forward. Sistem ini dianggap paling baik
dan populer untuk aplikasi penyearah tegangan tunggal pada sinyal sinus dengan
frekuensi rendah seperti pada listrik rumah tangga.
Itulah
penjelasan tentang prinsip kerja dioda sebgai penyearah beserta beberapa jenis
konfigurasi rangkaiannya. Untuk pembahasan lebih detail masing-masing rangkaian
penyearah insyaAllah akan ditulis pada artikel selanjutnya.
Prinsip Kerja Dioda
Prinsip kerja
dioda termionik ditemukan kembali oleh Thomas
Edison pada 13 Februari 1880 dan dia diberi hak paten
pada tahun 1883 (U.S. Patent
307.031), namun tidak dikembangkan lebih lanjut. Braun mematenkan penyearah kristal
pada tahun 1899.
Penemuan Braun dikembangkan lebih lanjut oleh Jagdish Chandra Bose
menjadi sebuah peranti berguna untuk detektor radio.
Dioda
termionik
Simbol untuk
diode tabung hampa pemanasan taklangung, dari atas kebawah adalah anode, katode
dan filamen pemanas.Dioda termionik adalah sebuah peranti katup termionik yang
merupakan susunan elektrode-elektrode di ruang hampa dalam sampul gelas. Dioda
termionik pertama bentuknya sangat mirip dengan bola lampu pijar.
Dalam diode katup termionik, arus
listrik yang melalui filamen pemanas secara tidak langsung memanaskan katode
(Beberapa diode menggunakan pemanasan langsung, di mana filamen wolfram berlaku sebagai pemanas sekaligus juga sebagai
katode), elektrode internal lainnya dilapisi dengan campuran barium dan strontium oksida, yang merupakan oksida dari logam alkali tanah. Substansi tersebut dipilih karena memiliki fungsi
kerja yang kecil. Bahang yang dihasilkan menimbulkan pancaran termionik elektron
ke ruang hampa. Dalam operasi maju, elektrode logam disebelah yang disebut
anode diberi muatan positif jadi secara elektrostatik menarik elektron yang
terpancar.
Walaupun begitu, elektron tidak
dapat dipancarkan dengan mudah dari permukaan anode yang tidak terpanasi ketika
polaritas tegangan dibalik. Karenanya, aliran listrik terbalik apapun yang
dihasilkan dapat diabaikan.
Dalam sebagian besar abad ke-20,
diode katup termionik digunakan dalam penggunaan isyarat analog, dan sebagai
penyearah pada pemacu daya. Saat ini, diode katup hanya digunakan pada
penggunaan khusus seperti penguat gitar listrik, penguat audio kualitas tinggi
serta peralatan tegangan dan daya tinggi.
Dioda semikonduktor
Sebagian
besar diode saat ini berdasarkan pada teknologi pertemuan p-n semikonduktor.
Pada diode p-n, arus mengalir dari sisi tipe-p (anode) menuju sisi tipe-n
(katode), tetapi tidak mengalir dalam arah sebaliknya.Tipe lain dari diode
semikonduktor adalah diode Schottky yang
dibentuk dari pertemuan antara logam dan semikonduktor (sawar
Schottky) sebagai ganti pertemuan p-n konvensional.
Karakteristik arus–tegangan
Karakteristik
arus–tegangan dari diode, atau kurva I–V, berhubungan dengan perpindahan dari
pembawa melalui yang dinamakan lapisan penipisan atau daerah pengosongan (hole)
yang terdapat pada pertemuan p-n di antara semikonduktor. Ketika pertemuan p-n
dibuat, elektron pita konduksi dari daerah N menyebar ke daerah P di mana
terdapat banyak lubang yang menyebabkan elektron bergabung dan mengisi lubang
yang ada, baik lubang dan elektron bebas yang ada lenyap, meninggalkan donor
bermuatan positif pada sisi-N dan akseptor bermuatan negatif pada sisi-P.
Daerah disekitar pertemuan p-n menjadi dikosongkan (hole) dari pembawa muatan
dan karenanya berlaku sebagai isolator.
Walaupun
begitu, lebar dari daerah pengosongan tidak dapat tumbuh tanpa batas. Untuk
setiap pasangan elektron-lubang yang bergabung, ion pengotor bermuatan positif
ditinggalkan pada daerah terkotori-n dan ion pengotor bermuatan negatif
ditinggalkan pada daerah terkotori-p. Saat penggabungan berlangsung dan lebih
banyak ion ditimbulkan, sebuah medan listrik terbentuk di dalam daerah
pegosongan yang memperlambat penggabungan dan akhirnya menghentikannya. Medan
listrik ini menghasilkan tegangan tetap dalam pertemuan.
Beberapa 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.
1. Light
Emiting Diode (Dioda Emisi Cahaya)
Dioda yang
sering disingkat LED ini merupakan salah satu piranti elektronik yang
menggabungkan dua unsur yaitu optik dan elektronik yang disebut juga sebagai
Opteolotronic.dengan masing-masing elektrodanya berupa anoda (+) dan katroda
(-), dioda jenis ini dikategorikan berdasarkan arah bias dan diameter cahaya
yang dihasilkan, dan warna nya.
2.
Diode Photo (Dioda Cahaya)
Dioda jenis
ini merupakan dioda yang peka terhadap cahaya, yang bekerja pada pada
daerah-daerah reverse tertentu sehingga arus cahaya tertentu saja yang dapat
melewatinya, dioda ini biasa dibuat dengan menggunakan bahan dasar silikon dan
geranium. Dioda cahaya saat ini banyak digunakan untuk alarm, pita data
berlubang yang berguna sebagai sensor, dan alat pengukur cahaya (Lux Meter).
3.
Diode Varactor (Dioda Kapasitas)
Dioda jenis
ini merupakan dioda yang unik, karena dioda ini memiliki kapasitas yang dapat
berubah-ubah sesuai dengan besar kecilnya tegangan yang diberikan kepada dioda
ini, contohnya jika tegangan yang diberikan besar, maka kapasitasnya akan
menurun,berbanding terbalik jika diberikan tegangan yang rendah akan semakin
besar kapasitasnya, pembiasan dioda ini secara reverse. Dioda jenis ini banyak
digunakan sebagai pengaturan suara pada televisi, dan pesawat penerima radio.
4.
Diode Rectifier (Dioda Penyearah)
Dioda jenis
ini merupakan dioda penyearah arus atau tegangan yang diberikan, contohnya
seperti arus berlawanan (AC) disearahkan sehingga menghasilkan arus searah
(DC). Dioda jenis ini memiliki karakteristik yang berbeda-beda sesuai dengan
kapasitas tegangan yang dimiliki.
5.
Diode Zener
Dioda jenis
ini merupakan dioda yang memiliki kegunaan sebagai penyelaras tegangan baik
yang diterima maupun yang dikeluarkan, sesuai dengan kapasitas dari dioda
tersebut, contohnya jika dioda tersebut memiliki kapasitas 5,1 V, maka jika
tegangan yang diterima lebih besar dari kapasitasnya, maka tegangan yang
dihasilkan akan tetap 5,1 tetapi jika tegangan yang diterima lebih kecil dari
kapasitasnya yaitu 5,1, dioda ini tetap mengeluarkan tegangan sesuai dengan
inputnya.
Dapat
disimpulkan bahwa Jenis-Jenis Dioda tersebut memiliki berbagai kegunaan
tersendiri yang dapat memanipulasi berbagai tegangan yang masuk melalui dioda
tersebut. Jenis-jenis Dioda diatas merupakan beberapa contoh jenis dioda yang
saat ini sudah ada dan dikembangkan, masih banyak lagi contoh lain dari jenis
dioda ini.
6. 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.
7. 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 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.
8. 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. Kawatnya membentuk anode dan
kristalnya membentuk katode. Dioda Cat's whisker juga disebut diode kristal dan
digunakan pada penerima radio kristal.
9.
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.
10. 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.
11. 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.
12. 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.
13. Penyearah arus
Penyearah arus dibuat dari diode, di mana diode
digunakan untuk mengubah arus bolak-balik (AC) menjadi arus searah (DC). 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, di mana diode mengubah AC menjadi
DC dan memberikan performansi yang lebih baik dari cincin komutator dari dinamo
DC.