Dioda, Jenis-Jenis Dioda, dan Teori Dioda

Fungsi Dioda dan Cara mengukurnya  

Dioda (Diode) adalah Komponen Elektronika Aktif yang terbuat dari bahan semikonduktor dan mempunyai fungsi untuk menghantarkan arus listrik ke satu arah tetapi menghambat arus listrik dari arah sebaliknya. Oleh karena itu, Dioda sering dipergunakan sebagai penyearah dalam Rangkaian Elektronika. Dioda pada umumnya mempunyai 2 Elektroda (terminal) yaitu Anoda (+) dan Katoda (-) dan memiliki prinsip kerja yang berdasarkan teknologi pertemuan p-n semikonduktor yaitu dapat mengalirkan arus dari sisi tipe-p (Anoda) menuju ke sisi tipe-n (Katoda) tetapi tidak dapat mengalirkan arus ke arah sebaliknya.

Fungsi Dioda and Jenis-jenisnya

Berdasarkan Fungsi Dioda, Dioda dapat dibagi menjadi beberapa Jenis, diantaranya adalah :

• Dioda Penyearah (Dioda Biasa atau Dioda Bridge) yang berfungsi sebagai penyearah arus AC ke arus DC.
• Dioda Zener yang berfungsi sebagai pengaman rangkaian dan juga sebagai penstabil tegangan.
• Dioda LED yang berfungsi sebagai lampu Indikator ataupun lampu penerangan.
• Photodioda yang berfungsi sebagai sensor cahaya.
• Dioda Schottky yang berfungsi sebagai Pengendali.

Simbol Dioda

Gambar dibawah ini menunjukan bahwa Dioda merupakan komponen Elektronika aktif yang terdiri dari 2 tipe bahan yaitu bahan tipe-p dan tipe-n :

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) dihubungkan 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.

Jenis-Jenis Dioda

Ada berbagai jenis dioda yang dibuat sesuai dengan fungsinya tanpa meninggalkan karakteristik serta spesifikasinya, seperti dioda penyearah (rectifier),dioda Emisi Cahaya (LED), dioda Zenner, dioda photo (Photo-Dioda) dan Dioda Varactor.

  

1.      DIODA PENYEARAH (RECTIFIER)

Dioda penyearah adalah jenis dioda yang terbuat dari bahan Silikon yang berfungsi sebagai penyearah tegangan / arus dari arus bolak-balik (ac) ke arus searah (dc) atau mengubah arus ac menjadi dc. Secara umum dioda ini disimbolnya.

Kaki-kaki dioda yaitu kaki katoda ditandai dengan garis pada ujungnya

Gambar 1. dioda penyearah

2.      DIODA ZENER 

Dioda Zener merupakan dioda junction P dan N yang terbuat dari bahan dasar silikon. Dioda ini dikenal juga sebagai Voltage Regulation Diode yang bekerja pada daerah reverse (kuadran III). Potensial dioda zener berkisar mulai 2,4 sampai 200 volt dengan disipasi daya dari ¼ hingga 50 watt.

Fenomena tegangan breakdown dioda ini menginspirasi pembuatan komponen elektronika kerabat dioda yang bernama Zener. Tidak ada perbedaan struktur dasar dari Zener dengan dioda. Dengan memberi jumlah doping yang lebih banyak pada sambungan P dan N, ternyata tegangan breakdown dioda bisa makin cepat tercapai. Jika pada dioda biasanya baru terjadi breakdown pada tegangan ratusan volt, pada Zener bisa terjadi pada angka puluhan dan satuan volt. Di datasheet ada Zener yang memiliki tegangan Vz sebesar 2 volt, 5.6 volt dan sebagainya. Fungsi dari komponen ini biasanya dipakai untuk pengamanan rangkaian setelah tegangan Zener.

Perhatikan rangkaian berikut, input tegangan akan yang masuk ke rangkaian lain dan beban akan dibatasi oleh dioda zener. Jika input tegangan dibawah 5.6V, dioda tidak menghantarkan arus sehingga arus akan mengalir ke rangkaian lain dan beban. Jika input tegangan mencapai 5,6 V atau lebih maka dioda zener akan terjadi brekadown dan arus akan mengalir melalui dioda, bukan ke rangkaian atau beban.

Gambar 2. dioda zener

3.       DIODA EMISI CAHAYA ( LIGHT EMITTING DIODE ) 

Dioda emisi cahaya atau dikenal dengan singkatan LED merupakan Solid State Lamp yang merupakan piranti elektronik gabungan antara elektronik dengan optik, sehingga dikategorikan pada keluarga “Optoelectronic”. Sedangkan elektroda-elektrodanya sama seperti dioda lainnya, yaitu anoda (+) dan Katoda (-). Ada tiga kategori umum penggunaan LED, yaitu :

·         Sebagai lampu indikator,

·         Untuk transmisi sinyal cahaya yang dimodulasikan dalam suatu jarak tertentu,

·         Sebagai penggandeng rangkaian elektronik yang terisolir secara total.

Simbol, bangun fisiknya dan konstruksinya diperlihatkan pada gambar berikut.

Gambar 3. dioda LED dan simbolnya

Bahan dasar yang digunakan dalam pembuatan LED adalah bahan Galium Arsenida (GaAs) atau Galium Arsenida Phospida (GaAsP) atau juga Galium Phospida (GaP), bahan-bahan ini memancarkan cahaya dengan warna yang berbeda-beda. Bahan GaAs memancarkan cahaya infra-merah, Bahan GaAsP memancarkan cahaya merah atau kuning, sedangkan bahan GaP memancarkan cahaya merah atau hijau.

Seperti halnya piranti elektronik lainnya , LED mempunyai nilai besaran terbatas dimana tegangan majunya dibedakan atas jenis warna 

TABEL LED DAN TEGANGANYA

Warna	Tegangan Maju
Merah	1.8 volt
Orange	2.0 volt
Kuning	2.1 volt
Hijau	2.2 volt

Sedangkan besar arus maju suatu LED standard adalah sekitar 20 mA. Karena dapat mengeluarkan cahaya, maka pengujian LED ini mudah, cukup dengan menggabungkan dengan sumber tegangan dc kecil saja atau dengan ohmmeter dengan polaritas yang sesuai dengan elektrodanya.

LED konvensional terbuat dari mineral inorganik yang bervariasi sehingga menghasilkan warna sebagai berikut:

·         Aluminium Gallium Arsenide (AlGaAs) – merah dan inframerah

·         Gallium Aluminium Phosphide – hijau

·         Gallium Arsenide/Phosphide (GaAsP) – merah, oranye-merah, oranye, dan kuning

·         Gallium Nitride (GaN) – hijau, hijau murni (atau hijau emerald), dan biru

·         Gallium Phosphide (GaP) – merah, kuning, dan hijau

·         Zinc Selenide (ZnSe) – biru

·         Indium Gallium Nitride (InGaN) – hijau kebiruan dan biru

·         Indium Gallium Aluminium Phosphide – oranye-merah, oranye, kuning, dan hijau

·         Silicon Carbide (SiC) – biru

·         Diamond (C) – ultraviolet

·         Silicon (Si) – biru (dalam pengembangan)

·         Sapphire (Al2O3) – biru

LED biru pertama kali dan bisa dikomersialkan menggunakan substrat galium nitrida. LED ini ditemukan oleh Shuji Nakamura tahun 1993 sewaktu berkarir di Nichia Corporation di Jepang.
LED ini kemudian populer di penghujung tahun 90-an. LED biru ini dapat dikombinasikan ke LED merah dan hijau yang telah ada sebelumnya untuk menciptakan cahaya putih.

4.      DIODA CAHAYA ( PHOTO-DIODE)

Dioda cahaya ini bekerja pada daerah reverse, jadi hanya arus bocor saja yang melewatinya. Dalam keadaan gelap, arus yang mengalir sekitar 10 A untuk dioda cahaya dengan bahan dasar germanium dan 1A untuk bahan silikon. Kuat cahaya dan temperature keliling dapat menaikkan arus bocor tersebut karena dapat mengubah nilai resistansinya dimana semakin kuat cahaya yang menyinari semakin kecil nilai resistansi dioda cahaya tersebut. Penggunaan dioda cahaya diantaranya adalah sebagai sensor dalam pembacaan pita data berlubang (Punch Tape), dimana pita berlubang tersebut terletak diantara sumber cahaya dan dioda cahaya. Jika setiap lubang pita itu melewati antara tadi, maka cahaya yang memasuki lubang tersebut akan diterima oleh dioda cahaya dan diubah dalam bentuk signal listrik. Sedangkan penggunaan lainnya adalah dalam alat pengukur kuat cahaya (Lux-Meter), dimana dalam keadaan gelap resistansi dioda cahaya ini tinggi sedangkan jika disinari cahaya akan berubah rendah. Selain itu banyak juga dioda cahaya ini digunakan sebagai sensor sistem pengaman (security) misal dalam penggunaan alarm.

Gambar 4. Fotodioda dan simbolnya.

5.      DIODA VARACTOR

Dioda Varactor disebut juga sebagai dioda kapasitas yang sifatnya mempunyai kapasitas yang berubah-ubah jika diberikan tegangan. Dioda ini bekerja didaerah reverse mirip dioda Zener. Bahan dasar pembuatan dioda varactor ini adalah silikon dimana dioda ini sifat kapasitansinya tergantung pada tegangan yang diberikan padanya. Jika tegangan tegangannya semakin naik, kapasitasnya akan turun. Dioda varikap banyak digunakan pada pesawat penerima radio dan televisi di bagian pengaturan suara (Audio). 

Gambar 5. Dioda Varactor, simbol, dan karakterikstiknya

6. DIODA SCHOTTKY (SCR)

            DIODA SCR singkatan dari Silicon Control Rectifier. Adalah Dioda yang mempunyai fungsi sebagai pengendali. SCR atau Tyristor masih termasuk keluarga semikonduktor dengan karateristik yang serupa dengan tabung thiratron. Sebagai pengendalinya adalah gate (G). SCR sering disebut Thyrystor. SCR sebetulnya dari bahan campuran P dan N. Isi SCR terdiri dari PNPN (Positif Negatif Positif Negatif) dan biasanya disebut PNPN Trioda.

Gambar 6. Dioda Schottky dan simbolnya.

Teori Tentang Dioda

Dioda merupakan komponen elektronika yang non linier karena dalam gambar kurva karakteristik arus terhadap tegangan tidak menggambarkan garis yang lurus. Ketika tegangan dioda kurang dari tegangan batas, arus dioda kecil. Ketika tegangan dioda melebihi tegangan batas (tegangan knee) arus dioda naik secara cepat.

Gambar simbol skematik dioda terlihat seperti pada gambar dibawah ini. Sisi p disebut sebagai anoda dan sisi n disebut sebagai katoda. Gambar 1b. menunjukan beberapa bentuk fisik dari dioda. Beberapa atau tidak selalu kaki katoda pada dioda dikenali dengan adanya tanda gelang berwarna. Sedangkan gambar 1.c menunjukan gambar rangkaian bias maju suatu dioda dimana kaki anoda tersambung dengan kutub positif baterai dan kaki katoda tersambung dengan kutub negatif baterai.

Gambar 1

Dengan memberi bias maju kepada dioda seperi gambar c diatas, kita dapat mengukur arus dan tegangan dioda. Kemudian kita buat plot data hasil pengukuran menjadi gambar grafik kurva dioda seperti pada gambar 2.

Pada gambar tersebut nampak bahwa pada bagian bias maju dimana arus dioda naik secara cepat dimulai pada suatu nilai tegangan tertentu yang dikenal sebagai tegangan lutut (knee voltage) V_k = 0,7 V.

Dari gambar juga tampak bahwa setelah tegangan dioda melewati tegangan lutut arus akan naik, hal ini disebapkan adanya parameter yang disebut sebagai Ohmic Resistance dalam dioda. Karena dioda terbentuk dari gabungan komponen sisi p dan n dimana masing-masing mempunyai nilai hambatan tertentu maka dalam dioda terdapat hambatan dalam yang disebut sebagai hambatan bulk yang merupakan penjumlahan kedua hambatan ohmic dioda.

R_B = R_p + R_n

Gambar 2

1.      Pendekatan Ideal Dioda

Kurva dioda seperti pada gambar 2 kadang berbeda untuk masing-masing dioda, walaupun untuk dioda silikon nilai tegangan knee akan tetap 0,7 V. Untuk mempermudah analisa suatu rangkaian dioda akan coba dibuat 3 pendekatan yang bisa dipergunakan. Yang pertama adalah pendekatan ideal suatu dioda dimana dioda disimpulkan seperti sebuah saklar pada suatu rangkaian yanga akan menutup jika dibias maju dan akan terbuka jika dibias mundur.

Gambar 3.

Dari gambar kurva dioda ideal nampak bahwa dioda seolah-olah mempunyai hambatan = 0 saat dibias maju dan hambatan tak terhingga saat dibias mundur.

2.      Pendekatan ke-2 Dioda

Dalam pendekatan ini, kita gambarkan dioda sebagai sebuah saklar yang terhubung seri dengan tegangan lutut Vk = 0,7 V. Jika tegangan pengganti tevenin yang tersambung ke dioda melebihi 0,7 V maka saklar akan menutup.

 Gambar 4. Pendekatan 2

3.      Pendekatan ke-3 Dioda

Pendekatan ini jarang dipergunakan karena nilai hambatan bulk sangat kecil sehingga bisa diabaikan. Jika nilai hambata bulk memenuhi syarat :  R_B < 0,01 R_T (tahanan tevenin di depan dioda) maka R_B bisa diabaikan. Dalam pendekatan  ini dioda digambarkan sebagai sebuah saklar yang tersambung seri dengan tegangan lutut dan sebuah hambatan bulk.

Nilai V_D = 0,7 V + I_DR_B

Gambar 5. Pendekatan 3

Contoh soal pembahasan pendekatan dioda :

Suatu rangkaian dioda tampak seperti gambar 7. Hitung nilai I_L dan V_L untuk masing-masing pendekatan 1, 2, dan 3 untuk gambar 7.a dan 7b. Untuk pendekatan ke-3 dimisalkan menggunakan dioda 1N4001 dengan R_B = 0,23 Ω.

Jawab :

1.       Untuk gambar 7a :

·         Pendekatan ideal : 

Karena dioda dibias maju maka dioda dianggap sebagai saklar tertutup sehingga tegangan sumber akan terukur pada beban atau V_L = V_s = 10 V.

Dengan menggunakan hukum ohm didapatkan nilai arus beban :

·         Pendekatan ke-2 :

Karena dioda dibias maju, maka tegangan beban V_L  akan berupa tegangan sumber dikurangi drop tegangan di dioda.

Dan

·         Pendekatan ke-3 :

Karena nilai R_B = 0,23 Ω dan sangan kecil jika dibandingkan dengan nilai R_L = 1 KΩ, maka nilai R_B dapat diabaikan sehingga nilai I_L dan V_L akan sama dengan nilai I_L pada pendekatan ke-2 sebesar 9,3 mA dan nilai V_L = 9,3 V.

2.       Untuk gambar 7b : 

Untuk menyelesaikan soal seperti gambar 7b. maka terlebih dahulu perlu dibuat penyederhanaan menggunakan teori tevenin norton seperti gambar dibawah ini.

Terlihat ada rangkaian pembagi tegangan dengan hambatan 6 KΩ dan hambatan 3 KΩ sebelum dioda jika dilihat dari tegangan sumber. Sehingga didapatkan nilai teganagn tevenin (tegangan di hambatan 3 KΩ ) sebesar :

Dan nilai tahanan tevenin (tahanan paralel antara 3KΩ dan 6KΩ) = 2 KΩ

·         Pendekatan dioda ideal

Dari gambar penyederhanaan tevenin bisa dihitung nilai IL sebesar :

R adalah hambatan seri antara 1 KΩ dan 2 KΩ
Dan nilai V_L = I_L x R_L = 4 mA x 1 KΩ = 4 V

·         Pendekatan ke-2 :  

Karena tegangan dioda sebesar 0,7 V maka nilai IL :

Dan nilai VL = IL x RL = 3,77 mA x 1 KΩ = 3,77 V

·         Pendekatan ke-3

Karena nilai R_B = 0,23 Ω dan sangat kecil jika dibandingkan dengan nilai R_L = 1 KΩ, maka nilai R_B dapat diabaikan sehingga nilai I_L dan V_L akan sama dengan nilai I_L pada pendekatan ke-2 sebesar 3,77 mA dan nilai V_L = 3,77 V.

Soal untuk pendekatan ke-3 :

Jika nilai tahanan beban pada gambar 7a. diganti dengan tahanan senilai 10 Ω maka hitung IL dan VL.

Jawab :

ekuivalen dengan

Sehingga total hambatan menjadi R_T = 0,23 Ω + 10 Ω = 10,23 Ω

Tegangan yang melewati R_T sebesar V_T = 10 V – 0,7 V = 9,3 V

Maka nilai  

dan V_L = I_L x R_L = 0,909 x 10 Ω = 9,09 V

Analisa Up-Down

Analisa ini digunakan untuk lebih memahami suatu rangkaian. Misalkan dioda dirangkai seperi pada gambar berikut :

Pada pendekatan ke-2 ada 3 parameter yaitu V_s (tegangan sumber), R_L (hambatan beban) dan V_k (tegangan knee)  dan ada 5 parameter yang tergantung dari ketiga nilai tersebut yaitu V_L (tegangan beban), I_L (arus beban), P_D (daya dioda) , P_L (daya beban), dan P_T (daya total). Jika tegangan sumber dinaikkan maka akan terlihat parameter mana yang akan naik (Up), turun (Down) atau tetap (No change).

Dari pernyataan tersebut bisa dibuat tabel sebagai berikut :

	VL	IL	PD	PL	PT
Vs naik	U	U	U	U	U
RL naik	N	D	D	D	D
Vk naik	D	D	U	D	D

Garis Beban Dioda

Garis beban seperti yang sering akan dijumpai pada transistor digunakan untuk mengetahui nilai sebenarnya dari suatu arus dan tegangan dioda pada suatu rangkaian.

Misal dioda dirangkai bias maju seperti gambar berikut : 

Maka akan didapatkan garis beban dengan melalui tahap sebagai berikut:

berdasarkan rumus tersebut akan kita cari nilai I_D jika V_D = 0 dan V_D = V_S.
      1. Untuk VD = 0 maka nilai 

      2. Untuk VD = VS= 2 V maka nilai 

Dari kedua nilai I_D tersebut dan nilai V_D masing-masing ke dalam kurva dioda maka dapat ditarik garis yang nantinya akan disebut garis beban. Titik yang berpotongan antara garis beban dan garis kurva dioda disebut titik Q yang akan menunjukkan nilai sebenarnya dari arus dioda dan tegangan dioda untuk rangkaian dioda tersebut.  

Gambar garis beban dan titik Q seperti pada gambar berikut :   

Referensi

https://teknikelektronika.com/fungsi-dioda-cara-mengukur-dioda/
http://duniaelektonika.blogspot.co.id/2013/01/jenis-jenis-dioda-beserta-fungsinya.html
https://bismarmaulani.blogspot.co.id/2011/04/teori-dioda.html