Dioda

A.   PENGERTIAN

Dioda berasal dari kata DI = dua dan ODA = elektroda atau dua elektroda, dimana elektroda-elektrodanya tersebut adalah ANODA yang berpolaritas positif dan KATODA yang berpolaritas negatif.  Kedua elektroda pada dioda itu aktif dengan syarat apabila dialiri listrik, dan kebanyakan diode digunakan karena karakteristik satu arah yang dimilikinya. Dioda merupakan salah satu komponen yang sangat sering digunakan seperti halnya resistor dan kapasitor. Secara sederhana sebuah dioda bisa di asumsikan sebuah katup, dimana katup tersebut akan terbuka apabila air yang mengalir dari belakang katup menuju kedepan, sedangkan katup akan menutup oleh dorongan aliran air dari depan katup.  Dioda ini ditemukan oleh J.A Fleming pada tahun 1904, seorang ilmuwan dari Inggris (1849-1945).

 Gambar1. Simbol Dioda

Dioda disimbolkan dengan gambar anak panah yang pada ujungnya terdapat garis yang melintang. Simbol tersebut sebenarnya adalah sebagai perwakilan dari cara kerja dioda itu sendiri. Pada pangkal anak panah disebut juga sebagai anoda (kaki positif = P) dan pada ujung anak panah disebut sebagai katoda (kaki negatif = N).

A.   Teori Dasar

Dioda merupakan jenis Vacuum tube yang memiliki dua buah elektroda.

 

Gambar2. Struktur Dioda

Pada struktur dioda tersebut, plate diletakkan dalam posisi mengelilingi katoda sedangkan heater disisipkan di dalam katoda. Elektron pada katoda yang dipanaskan oleh heater akan bergerak dari katoda menuju plate.

Untuk dapat memahami bagaimana cara kerja dioda pada rangkaian elektronik kita dapat meninjau 3 situasi sebagai berikut ini yaitu :

1. Dioda diberi tegangan nol

2. Dioda diberi tegangan negative

3. Dioda diberi tegangan positive

1. Dioda diberi tegangan nol

Ketika dioda diberi tegangan nol maka tidak ada medan listrik yang menarik elektron dari katoda. Elektron yang mengalami pemanasan pada katoda hanya mampu melompat sampai pada posisi yang tidak begitu jauh dari katoda dan membentuk muatan ruang (Space Charge). Tidak mampunyai elektron melompat menuju katoda disebabkan karena energi yang diberikan pada elektron melalui pemanasan oleh heater belum cukup untuk menggerakkan elektron menjangkau plate.

2.    Dioda diberi tegangan negatif

Ketika dioda diberi tegangan negatif maka potensial negatif yang ada pada plate akan menolak elektron yang sudah membentuk muatan ruang sehingga elektron tersebut tidak akan dapat menjangkau plate, sebaliknya akan terdorong kembali ke katoda, sehingga tidak akan ada arus yang mengalir.

2.    Dioda diberi tegangan positif

Ketika dioda diberi tegangan positif  maka potensial positif  yang ada pada plate akan menarik elektron yang baru saja terlepas dari katoda oleh karena emisi thermionic, pada situasi inilah arus listrik baru akan terjadi. Besar arus listrik yang akan mengalir tergantung daripada besarnya tegangan positif yang dikenakan pada plate. Semakin besar tegangan plate akan semakin besar pula arus listrik yang akan mengalir.Oleh karena sifat dioda yang seperti ini yaitu hanya dapat mengalirkan arus listrik pada situasitegangan tertentu saja, maka dioda dapat digunakan sebagai penyearah arus listrik (rectifier). Pada kenyataannya memang dioda banyak digunakan sebagai penyearah tegangan AC menjadi tegangan DC pada rangkaian elektronik.

 

A.    Karakteristik Dioda 

Hampir semua peralatan elektronika memerlukan sumber arus searah. Penyearah digunakan untuk mendapatkan arus searah dari suatu arus bolak-balik. Arus atau tegangan tersebut harus benar-benar rata tidak boleh berdenyut-denyut agar tidak menimbulkan gangguan bagi peralatan yang dicatu. Dioda sebagai salah satu komponen aktif sangat popular digunakan dalam rangkaian elektronika, karena bentuknya sederhana dan penggunaannya sangat luas. Ada beberapa macam rangkaian dioda, diantaranya :

-          penyearah setengah gelombang (Half-Wave Rectifier),

-          penyearah gelombang penuh (Full-Wave Rectifier),

-          rangkaian pemotong (Clipper),

-          rangkaian penjepit (Clamper), dan

-          pengganda tegangan (Voltage Multiplier).

Di bawah ini merupakan gambar yang melambangkan dioda penyearah

 

Sisi Positif (P) disebut Anoda dan sisi Negatif (N) disebut Katoda. Lambang dioda seperti anak panah yang arahnya dari sisi P ke sisi N. Karenanya ini mengingatkan kita pada arus konvensional dimana arus mudah mengalir dari sisi P ke sisi N.

Dioda  termasuk  komponen  elektronika  yang  terbuat  dari  bahan semikonduktor. Beranjak dari penemuan dioda, para ahli menemukan juga komponen turunan lainnya yang unik. Dioda memiliki fungsi yang unik yaitu hanya dapat mengalirkan arus satu arah saja. Struktur dioda tidak lain adalah sambungan semikonduktor P dan N. Satu sisi adalah semikonduktor dengan tipe P dan satu sisinya yang lain adalah tipe N. Dengan struktur demikian arus hanya akan dapat mengalir dari sisi P menuju sisi N.

 

Gambar ilustrasi di atas menunjukkan sambungan PN dengan sedikit  porsi kecil yang disebut lapisan deplesi (depletion layer), dimana terdapat keseimbangan hole dan elektron. Seperti yang sudah diketahui, pada sisi P banyak terbentuk hole-hole yang siap menerima elektron sedangkan di sisi N banyak terdapat elektron-elektron yang siap untuk bebas. Lalu jika diberi bias positif, dengan arti kata memberi tegangan potensial sisi P lebih besar dari sisi N, maka elektron dari sisi N dengan serta merta akan tergerak untuk mengisi hole di sisi P. Tentu kalau elektron mengisi hole disisi P, maka akan terbentuk hole pada sisi N karena ditinggal elektron. Ini disebut aliran hole dari P menuju N, Kalau menggunakan terminologi arus listrik, maka  dikatakan terjadi aliran listrik dari sisi P ke sisi N.  

 

Sebaliknya jika polaritas tegangan dibalik yaitu  dengan  memberikan  bias  negatif  (reverse  bias).  Dalam  hal  ini,  sisi  N mendapat polaritas tegangan lebih besar dari sisi P. Lalu akan terjadi perpindahan elektron atau aliran hole dari P ke N maupun sebaliknya. Karena baik hole dan elektron masing-masing tertarik ke arah kutup berlawanan. Bahkan lapisan deplesi (depletion  layer)  semakin  besar  dan  menghalangi  terjadinya  arus

 

Untuk bias negatif dioda tidak dapat mengalirkan arus, namun memang ada batasnya. Sampai beberapa puluh bahkan ratusan volt baru  terjadi  breakdown,  dimana  dioda  tidak  lagi  dapat  menahan  aliran  elektron yang terbentuk di lapisan deplesi.

Karakteristik  dioda  ini juga dapat  ditunjukkan  oleh  hubungan  antara  arus  yang  lewat  dengan  beda  potensial  ujung-ujungnya.

Dengan  memvariasi  potensial  P  dan  mencatat  V  dan  I  kemudian menggambarkan  dalam  grafik,  maka  diperoleh  kurva  karakteristik  dioda (karakteristik statis) sebagai berikut:

 

Tampak untuk dioda Ge, arus baru mulai ada pada tegangan 0,3 V sedang untuk dioda Si pada 0,7 V. Tegangan ini sesuai dengan tegangan  penghalang  pada  sambungan  P-N,  dan  disebut  tegangan  patah  atau  tegangan lutut (cut in voltage atau kneevoltage).  Tampak pula bahwa arus IR = Io dalam orde µA, sedang arus maju IF  dalam  orde  mA.  Dari  lengkungan  kurve  yang  tidak  linier,  maka  tentu saja  tahanan  dioda  tidak  tetap,  baik  tahanan  maju  maupun  tahanan baliknya. 

Jika tegangan balik diperbesar maka akan mencapai keadaan arus meningkat  secara  tajam,  yang  hanya  dapat  dibatasi  oleh  tahanan  luar. Tegangan  kritis  ini  disebut  tegangan  dadal  (break  down  voltage  =  peak inverse voltage).

D.  Macam-macam Dioda

Dioda dibedakan menjadi dua macam, yaitu:

-        Dioda Umum

-        Dioda Khusus

·         Dioda Umum

Dioda umum adalah dioda yang dipergunakan dalam rangkaian-rangkaian sederhana dan biasanya berfungsi sebagai perata atau pembatas arus listrik. Dioda umum ini dalam operasinya dapat bekerja bila diberi arus bolak balik atau searah. Arus listrik yang melewati dioda sebagian akan dilewatkan baik tegangan positifnya maupun tegangan negatifnya tergantung cara pemasangannya. Yang termasuk didalam golongan dioda umum ini diantaranya:

1)   Dioda Silikon

Fungsi-fungsi sebagai berikut:

-        Penyearah sinyal AC

-        Pemotong level

-        Sensor suhu

Ciri-ciri:

-        menghantar dengan tegangan maju kira-kira 0.6 Volt 

-        perlawanan maju cukup kecil

-        perlawanan terbalik sangat tinggi, dapat mencapai beberapa Megaohm

-         Arus maju maksimum yang dibolehkan cukup besar, sampai 1000 A.

-        Tegangan terbalik maksimum yang dibolehkan cukup tinggi, dapat mencapai 1000 V

2)   Dioda Germanium

Fungsi-fungsi sebagai berikut:

-        Penurun tegangan

-        Pengaman polaritas terbalik pada dc input

-        Penyearah sinyal AC

-        Pemotong level

-        Sensor suhu

Ciri-ciri :

-        Menghantar dengan teganagnmaju kira-kira 0,2 Volt 

-        Perlawanan maju agak besar

-        Perlawanan terbalik kurang tinggi ( kurang dari 1M ohm)

-        Arus maju maksimum yang dibolehkan kurang besar 

-        Tegangan terbalik masimum yang dibolehkan kurang tinggi

3)   Dioda Rectifier 

Rectifier berfungsi sebagai penyearah Arus ( AC keDC ). Biasanya Rectifier lebih dikenal sebagai dioda karena penyearah arus ialah fungsi dasar dari dioda, tetapi lebih spesifik lagi merupakan fungsi dari rectifier

4)   Dioda Selenium

Dioda ini disebut dioda selenium karena banyak terbuat dari selenium. Dioda ini memiliki keandalan yang tinggi & mampu dialiri tegangan arus listrik yang cukup tinggi. Biasanya dipergunakan sebagai perata dalam rangkaian power supply. Dioda selenium dirancang memiliki 4 kaki; 2 kaki diantaranya merupakan bagian inputnya tegangan arus AC & 2 kaki lainnya sebagai output yang di beri tanda (+) & (-) yang menghasilkan arus DC.

5)   Dioda Kiprok

Kiprok berfungsi untuk regulator tegangan yang biasa digunkan pada kendaraan bermotor. Maka jika arus 12 volt maka arus akan tetap stabil menjadi 12 volt meskipun arus naik. Namun memiliki ampere yang berbeda-beda. Sebenarnya tidak ada bedanya dengan rectifier, namun kiprok merupakan gabungan komponen tambahan sebagai penyetabil tegangan. Sehingga bila tunggangan tak dilengkapi aki, bohlam lampu pada sepedamotor tidak cepat putus.

·         Dioda Khusus

Dioda jenis ini tidak hanya bekerja sebagai perata/pembatas arus namun pemakaiannya sangat bervariasi, beberapa aplikasinya adalah sensor, stabilizer, penyearah terkendali dan lain sebagainya.

Yang termasuk dioda khusus antara lain:

1)      Dioda Zener

Dioda zener adalah diode yang berfungsi sebagai penstabil tegangan atau berfungsi sebagai regulator. Selain itu dioda zener juga dapat dipakai sebagai pembatas tegangan pada level tertentu untuk keamanan rangkaian. Karena kemampuan arusnya yang kecil maka pada penggunaan dioda zener sebagai penstabil tegangan untuk arus besar diperlukan sebuah buffer arus. Dioda zener ini dibias mundur (reverse).

1)      Dioda LED

LED adalah singkatan dari Light Emitting Dioda, merupakan komponen yang dapat mengeluarkan emisi cahaya. Strukturnya juga sama dengan dioda, tetapi belakangan ditemukan bahwa elektron yang menerjang sambungan P-N juga melepaskan energi berupa energi panas dan energi cahaya. LED dibuat agar lebih efisien jika mengeluarkan cahaya. Untuk mendapatkan emisi cahaya pada semikonduktor, doping yang dipakai adalah gallium, arsenic dan phosphorus. Jenis doping yang berbeda menghasilkan warna cahaya yang berbeda pula.

Pada saat ini warna-warna cahaya LED yang ada adalah warna merah, kuning dan hijau. LED berwarna biru sangat langka. Pada dasarnya semua warna bisa dihasilkan, namun akan menjadi sangat mahal dan tidak efisien. Dalam memilih LED selain warna, perlu diperhatikan tegangan kerja, arus maksimum dan disipasi daya-nya.

LED terbuat dari berbagai material setengah penghantar campuran seperti misalnya gallium arsenida fosfida (GaAsP), gallium fosfida (GaP), dan gallium aluminium arsenida (GaAsP). Karakteristiknya yaitu kalau diberi panjaran maju, pertemuannya mengeluarkan cahaya dan warna cahaya bergantung pada jenis dan kadar material pertemuan. Ketandasan cahaya berbanding lurus dengan arus maju yang mengalirinya. Dalam kondisi menghantar, tegangan maju pada LED merah adalah 1,6 sampai 2,2 volt, LED kuning 2,4 volt, LED hijau 2,7 volt. Sedangkan tegangan terbaik maksimum yang dibolehkan pada LED merah adalah 3 volt, LED kuning 5 volt, LED hijau 5 volt. LED mengkonsumsi arus sangat kecil, awet dan kecil bentuknya (tidak makan tempat), selain itu terdapat keistimewaan tersendiri dari LED itu sendiri yaitu dapat memancarkan cahaya serta tidak memancarkan sinar infra merah.

1)      Dioda Photosel/Photo Dioda

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. 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.

1)      Dioda Thyristor

Berfungsi sebagai penyearah terkendali silicon. Thyristor berfungsi sebagai penyearah yang tegangannya dikontrol oleh tegangan pemicu yang diberikan pada terminal SCR. SCR pada umumnya dipakai sebagai sistem saklar catu daya arus bolak balik (AC), dengan tujuan agar dapat membatasi arus & tegangan yang dipakai suatu beban

2)      Dioda Schottky

Dioda Schottky dibangun dengan merekayasa pada sambungan PN sehingga sangat cocok untuk aplikasi-aplikasi catu daya DC dengan arus tinggi dan tegangan rendah. Rating tegangan dibatasi sampai 100 V dengan arus dari1 – 300 A. Walaupun begitu, diode ini juga cocok digunakan untuk catu daya arus rendah untuk meningkatkan efisiensinya. Dioda ini berfungsi sebagai saklar kecepatan tinggi.

1)      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). Dioda ini berfungsi sebagai pengganti variabel kapasitor.

1)      Dioda DIAC

Fungsinya sebagai pemicu atau mengendalikan tegangan yang diperuntukkan mensuplai komponen silicon kontrol dioda atau sebagai pengatur daya. Tegangan yang dikendalikan adalah tegangan arus bolak balik (AC).

2)      Dioda TRIAC

Kelebihannya yaitu tidak mengakibatkan gangguan frekuensi terhadap pesawat penerima. Komponen triac dalam pemakaian biasanya menghasilkan panas yang berlebihan sehingga diperlukan kepingan pendingin yang terbuat dari logam yang berfungsi untuk meredam panas.

3)      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. Kaki-kaki dioda yaitu kaki katoda ditandai dengan garis pada ujungnya

Jenis-jenis Dioda

Ada beberapa jenis dari dioda pertemuan yang hanya menekankan perbedaan pada aspek fisik baik ukuran geometrik, tingkat pengotoran, jenis elektroda ataupun jenis pertemuan, jenis-jenis dioda tersebut antara lain:

1)      Dioda Biasa

Dioda ini biasanya dibuat dari silikon terkotori atau yang lebih langka dari germanium. Sebelum pengembangan dioda 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 dioda silikon untuk rating arus yang sama.

2)      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 dioda Zener, dan kadang-kadang salah disebut sebagai dioda Zener, padahal dioda 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 dioda bandangan (yang mempunyai tegangan dadal terbalik diatas 6.2 V) dan dioda 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, dioda bandangan berkoefisien positif, sedangkan Zener berkoefisien negatif.

3)      Dioda Chats Whisker 

Ini merupakan 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.

4)      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.

5)      Dioda Terobosan/Esaki

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.

6)      Dioda Gunn

Dioda ini mirip dengan dioda 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.

Aplikasi Penggunaan Dioda

Dioda banyak diaplikasikan pada rangkaian penyearah arus (rectifier) power suplai atau konverter AC ke DC. Banyak ditemukan dioda seperti 1N4001, 1N4007 dan lain-lain. Masing-masing tipe berbeda tergantung dari arus maksimum dan juga tegangan breakdown-nya. Zener banyak digunakan untuk aplikasi regulator tegangan (voltage regulator). Zener yang ada dipasaran tentu saja banyak jenisnya tergantung dari tegangan breakdown-nya. Di dalam data sheet biasanya spesifikasi ini disebut Vz (zener voltage) lengkap dengan toleransinya, dan juga kemampuan dissipasi daya.

LED juga sering dipakai sebagai indikator yang masing-masing warna bisa memiliki arti yang berbeda. Menyala, padam dan berkedip juga bisa berarti lain. LED dalam bentuk susunan (array) bisa menjadi display yang besar. Dikenal juga LED dalam bentuk 7 segment atau ada juga yang 14 segment. Biasanya digunakan untuk menampilkan angka numerik dan alphabet.