Penyearah Diode

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.