BAB 2 Rangkaian Dioda

1. RANGKAIAN DIODA
Penerapan dioda semikonduktor dalam bidang elektronika sangatlah luas.  Hal ini ka-rena sifat dioda yang sangat mendasar yaitu hanya dapat melewatkan arus dalam satu arah sa-ja.  Rangkaian penyearah merupakan penerapan dioda yang sangat penting untuk dibahas lebih dahulu.  Sesuai dengan bentuk gelombang outputnya, maka penyearah terdapat dua macam yaitu setengah gelombang dan gelombang penuh.
Rangkaian pemotong dan penggeser merupakan penerapan lain yang juga banyak di-gunakan dalam teknik pulsa. Jenis dioda semikonduktor yang khusus dioperasikan pada bias mundur yang pada titik break-down-nya sering disebut dengan dioda Zener. Zener ini merupakan inti dari rangkaian penyetabil tegangan.  Disamping itu juga dibahas beberapa macam rangkaian pelipat tegangan.

Penyearah setengah gelombang
Penerapan dioda yang paling banyak dijumpai adalah sebagai penyearah.  Penyearah berarti mengubah arus bolak-balik (ac) menjadi arus searah (dc).  Sebagian besar peralatan elektronik membutuhkan sumber daya yang berupa arus searah.  Untuk kebutuhan daya dan tegangan yang kecil biasanya cukup digunakan baterai atau accu, namun untuk lebih dari itu diperlukan power supply yang berupa penyearah. Penyearah yang paling sederhana adalah penyearah setengah gelombang, yaitu yang terdiri dari sebuah dioda. Melihat dari namanya, maka hanya setengah gelombang saja yang akan disearahkan. Rangkaian penyearah setengah gelombang mendapat masukan dari skunder trafo yang berupa sinyal ac berbentuk sinus, vi = Vm Sin ωt. Dari persamaan tersebut, Vm merupakan tegangan puncak atau tegangan maksimum.  Harga Vm ini hanya bisa diukur dengan CRO yakni dengan melihat langsung pada gelombangnya.  Sedangkan pada umumnya, hubungan antara tegangan puncap Vm dengan tegangan efektif (Veff) atau tegangan rms (Vrms) adalah:

Vm
Veff = Vrms =  = 0.707 Vm √ 2

2. TEGANGAN (ARUS) EFEKTIF
Tegangan (arus) efektif atau rms (root-mean-square) adalah tegangan (arus) yang terukur oleh voltmeter (amperemeter).  Karena harga Vm pada umumnya jauh lebih besar dari pada Vγ (tegangan cut-in dioda), maka pada pembahasan penyearah ini Vγ diabaikan. Prinsip kerja penyearah setengah gelombang adalah bahwa pada saat sinyal input be-rupa siklus positip maka dioda mendapat bias maju sehingga arus (i) mengalir ke beban (RL), dan sebaliknya bila sinyal input berupa siklus negatip maka dioda mendapat bias mundur se-hingga tidak mengalir arus.

Resistansi dioda pada saat ON (mendapat bias maju) adalah Rf, yang umumnya ni-lainya lebih kecil dari RL.  Pada saat dioda OFF (mendapat bias mundur) resistansinya besar sekali atau dalam pembahasan ini dianggap tidak terhigga, sehingga arus dioda tidak mengalir atau i = 0. Apabila arah dioda dibalik, maka arus yang mengalir adalah nega-tip.  Frekuensi sinyal keluaran dari penyearah setengah gelombang ini adalah sama dengan frekuensi input (dari jala-jala listrik) yaitu 50 Hz.  Karena jarak dari puncak satu ke puncak berikutnya adalah sama. Arus dioda yang mengalir melalui beban RL (i) dinyatakan dengan:

i = Im Sin ωt,jika 0 ≤ ωt ≤ π(siklus positip)
i = 0,jika π ≤ ωt ≤ 2π (siklus negatip)

Bila diperhatikan meskipun sinyal keluaran masih berbentuk gelombang, namun arah gelombangnya adalah sama, yaitu positip. Berarti harga rata-ratanya tidak lagi nol seperti halnya arus bolak-balik, namun ada suatu harga tertentu.  Arus rata-rata ini (Idc) seca-ra matematis bisa dinyatakan:

Idc = i dωt

Untuk penyearah setengah gelombang diperoleh:

Idc = Im Sin ωt dt

Idc =  ≅ 0.318 Im π

Tegangan keluaran dc yang berupa turun tegangan dc pada beban adalah:

Vdc = Idc.RL

Im.RL
Vdc = 

Apabila harga Rf jauh lebih kecil dari RL, yang berarti Rf bisa diabaikan, maka:
Vm = Im.RL
Sehingga:

Vm
Vdc =  ≅ 0.318 Vm
π

Apabila penyearah bekerja pada tegangan Vm yang kecil, untuk memperoleh hasil yang lebih teliti, maka tegangan cut-in dioda (Vγ) perlu dipertimbangkan, yaitu:

Vdc = 0.318 (Vm - Vγ)............(2.7)

Dalam perencanaan rangkaian penyearah yang juga penting untuk diketahui adalah be-rapa tegangan maksimum yang boleh diberikan pada dioda. Tegangan maksimum yang harus ditahan oleh dioda ini sering disebut dengan istilah PIV (peak-inverse voltage) atau tegangan puncak balik.  Hal ini karena pada saat dioda mendapat bias mundur (balik) maka tidak arus yang mengalir dan semua tegangan dari skunder trafo berada pada dioda. PIV untuk penyearah setengah gelom-bang ini adalah:

PIV = Vm

Bentuk gelombang sinyal pada dioda  dengan anggapan bahwa Rf dioda diabaikan, karena nilainya kecil sekali dibanding RL. Sehingga pada saat siklus positip dimana dioda sedang ON (mendapat bias maju), terlihat turun tegangannya adalah nol.  Se-dangkan saat siklus negatip, dioda sedang OFF (mendapat bias mundur) sehingga tegangan puncak dari skunder trafo (Vm) semuanya berada pada dioda.

3. RANGKAIAN PENYEARAH GELOMBANG PENUH

Rangkaian penyearah gelombang penuh ada dua macam, yaitu dengan menggunakan trafo CT (center-tap = tap tengah) dan dengan sistem jembatan. Terminal skunder dari Trafo CT mengeluarkan dua buah tegangan keluaran yang sama tetapi fasanya berlawanan dengan titik CT sebagai titik tengahnya.  Kedua keluaran ini mas-ing-masing dihubungkan ke D1 dan D2, sehingga saat D1 mendapat sinyal siklus positip ma-ka D1 mendapat sinyal siklus negatip, dan sebaliknya.  Dengan demikian D1 dan D2 hidupnya bergantian.  Namun karena arus i1 dan i2 melewati tahanan beban (RL) dengan arah yang sama, maka iL menjadi satu arah. Terlihat dengan jelas bahwa rangkaian penyearah gelombang penuh ini merupakan gabungan dua buah penyearah setengah gelombang yang hidupnya bergantian setiap setengah siklus.  Sehingga arus maupun tegangan rata-ratanya adalah dua kali dari penyearah setengah gelombang.  Dengan cara penurunan yang sama, maka diperoleh:

2Im
Idc =  ≅ 0.636 Im

dan

2Im.RL
Vdc = Idc.RL = 

Apabila harga Rf jauh lebih kecil dari RL, maka Rf bisa diabaikan, sehingga:

2Vm
Vdc =  ≅ 0.636 Vm

Apabila penyearah bekerja pada tegangan Vm yang kecil, untuk memperoleh hasil yang lebih teliti, maka tegangan cut-in dioda (Vγ) perlu dipertimbangkan, yaitu:

Vdc = 0.636 (Vm - Vγ)

Tegangan puncak inverse yang dirasakan oleh dioda adalah sebesar 2Vm.  Misalnya pada saat siklus positip, dimana D1 sedang hidup (ON) dan D2 sedang mati (OFF), maka jumlah tegangan yang berada pada dioda D2 yang sedang OFF tersebut adalah dua kali dari tegangan skunder trafo.  Sehingga PIV untuk masing-masing dioda dalam rangkaian penyea-rah dengan trafo CT adalah:

4. PENYEARAH GELOMBANG PENUH SISTEM JEMBATAN
Penyearah gelombang penuh dengan sistem jembatan ini bisa menggunakan semba-rang trafo baik yang CT maupun yang biasa, atau bahkan bisa juga tanpa menggunakan trafo. Pada saat rangkaian jembatan mendapatkan bagian positip dari siklus si-nyal ac, maka :
- D1 dan D3 hidup (ON), karena mendapat bias maju
- D2 dan D4 mati (OFF), karena mendapat bias mundur Sehingga arus i1 mengalir melalui D1, RL, dan D3.
Sedangkan apabila jembatan memperoleh bagian siklus negatip, maka :
- D2 dan D4 hidup (ON), karena mendapat bias maju
- D1 dan D3 mati (OFF), karena mendapat bias mundur Sehingga arus i2 mengalir melalui D2, RL, dan D4.
Arah arus i1 dan i2 yang melewati RL adalah sama, yaitu dari ujung atas RL menuju ground.  Dengan demikian arus yang mengalir ke beban (iL) merupakan penjumlahan dari dua arus i1 dan i2, dengan menempati paruh waktu masing-masing. Besarnya arus rata-rata pada beban adalah sama seperti penyearah gelombang penuh dengan trafo CT, yaitu: Idc = 2Im/π = 0.636 Im . Untuk harga Vdc dengan memperhitungkan harga Vγ adalah:

Vdc = 0.636 (Vm - 2Vγ)

Harga 2Vγ ini diperoleh karena pada setiap siklus terdapat dua buah dioda yang berhubungan secara seri.
Disamping harga 2Vγ ini, perbedaan lainnya dibanding dengan trafo CT adalah harga PIV.  Pada penyearah gelombang penuh dengan sistem jembatan ini PIV masing-masing di-oda adalah:

PIV = Vm

5. RANGKAIAN CLIPPER (PEMOTONG)

Rangkaian clipper (pemotong) digunakan untuk memotong atau menghilangkan sebagian sinyal masukan yang berada di bawah atau di atas level tertentu. Contoh sederhana dari rangkaian clipper adalah penyearah setengah gelombang.  Rangkaian ini memotong atau menghilangkan sebagian sinyal masukan di atas atau di bawah level nol.

Secara umum rangkaian clipper dapat digolongkan menjadi dua, yaitu: seri dan para-lel.  Rangkaian clipper seri berarti diodanya berhubungan secara seri dengan beban, sedang-kan clipper paralel berarti diodanya dipasang paralel dengan beban.  Sedangkan untuk mas-ing-masing jenis tersebut dibagi menjadi clipper negatip (pemotong bagian negatip) dan clip-per positip (pemotong bagian positip).  Dalam analisa ini diodanya dianggap ideal.
Petunjuk untuk menganalisa rangkaian clipper seri adalah sebagai berikut:
1. Perhatikan arah dioda
- bila arah dioda ke kanan, maka bagian positip dari sinyal input akan dilewatkan, dan bagian negatip akan dipotong (berarti clipper negatip)
- bila arah dioda ke kiri, maka bagian negatip dari sinyal input akan dilewatkan, dan bagian positip akan dipotong (berarti clipper positip)
2. Perhatikan polaritas baterai (bila ada)
3. Gambarlah sinyal output dengan sumbu nol pada level baterai (yang sudah ditentukan pa-da langkah 2 di atas)
4. Batas pemotongan sinyal adalah pada sumbu nol semula (sesuai dengan sinyal input)

Petunjuk untuk menganalisa rangkaian clipper paralel adalah sebagai berikut:
1. Perhatikan arah dioda.
-bila arah dioda ke bawah, maka bagian positip dari sinyal input akan dipotong (berarti
clipper positip)
-bila arah dioda ke atas, maka bagian negatip dari sinyal input akan dipotong (berarti clip-
per negatip)
2. Perhatikan polaritas baterai (bila ada).
3. Gambarlah sinyal output dengan sumbu nol sesuai dengan input.
4. Batas pemotongan sinyal adalah pada level baterai.

6. RANGKAIAN CLAMPER (PENGGESER)
Rangkaian Clamper (penggeser) digunakan untuk menggeser suatu sinyal ke level dc yang lain.  Rangkain Clamper paling tidak harus mempunyai sebuah kapasitor, dioda, dan re-sistor, disamping itu bisa pula ditambahkan sebuah baterai.  Harga R dan C harus dipilih se-demikian rupa sehingga konstanta waktu RC cukup besar agar tidak terjadi pengosongan muatan yang cukup berarti saat dioda tidak menghantar.  Dalam analisa ini dianggap dido-danya adalah ideal.

Sebuah rangkaian clamper sederhana (tanpa baterai) terdiri atas sebuah R, D, dan C. Kapasitor mengisi muatan dengan cepat melalui tahanan dioda yang rendah (seperti hubung singkat, karena dioda ideal).  Pada saat ini sinyal output pada R adalah nol. Kemudian saat T/2 - T sinyal input berubah ke negatip, sehingga dioda tidak meng-hantar (OFF).  Kapasitor membuang muatan sangat lambat, karena RC dibuat cu-kup lama.  Sehingga pengosongan tegangan ini tidak berarti dibanding dengan sinyal output. Sinyal output merupakan penjumlahan tegangan input -V dan tegangan pada kapasitor -V, yaitu sebesar -2V. Sinyal output merupakan bentuk gelombang kontak (seperti gelombang input) yang level dc nya sudah bergeser kearah negatip sebesar -V. Besarnya penggeseran ini bisa divariasi dengan menambahkan sebuah baterai secara seri den-gan dioda.  Disamping itu arah penggeseran juga bisa dimuat kearah positip dengan cara membalik arah dioda.

7. DIODA ZENER
Struktur Dioda zener tidaklah jauh berbeda dengan dioda biasa, hanya tingkat doping-nya saja yang sangat berbeda. Kurva karakteristik dioda zener juga sama seperti dioda biasa, namun perlu dipertegas adanya daerah breakdown dimana pada saat bias mundur mencapai tegangan breakdown maka arus dioda naik dengan cepat. Daerah breakdown inilah titik fokus penerapan dari dioda zener. Sedangkan pada dioda biasa tidak diperboleh-kan pemberian tegangan mundur sampai pada daerah breakdown, karena bisa merusak dioda.

Titik breakdown dari suatu dioda zener dapat dikontrol dengan memvariasi tingkat dopingnya.  Tingkat doping yang tinggi, akan meningkatkan jumlah pengotoran sehingga te-gangan zenernya (Vz) akan kecil.  Demikian juga sebaliknya, dengan tingkat doping yang rendah diperoleh Vz yang tinggi.  Pada umumnya dioda zener dipasaran tersedia mulai dari Vz 1,8 V sampai 200 V, dengan kemampuan daya dari ¼ hingga 50 W.  Karena temperatur dan kemapuan arusnya yang tinggi, maka jenis silikon sering dipakai pada dioda zener.

Penerapan dioda zener yang paling penting adalah sebagai penyetabil tegangan (vol-tage regulator). Agar rangkaian ini dapat berfungsi sebagai penyetabil tegangan, maka dioda zener harus bekerja pada daerah breakdown. Dengan kata lain, apabila maka tegangan sumber (Vi) yang diberikan pada rangkaian harus lebih besar dari Vz atau arus pada dioda zener harus lebih besar dari Iz minimum.

Oleh karena itu persyaratan yang harus dipenuhi agar rangkaian berfungsi sebagai pe-nyetabil tegangan adalah berkenaan dengan nilai RL dan Vi.  Pertama, RL harus lebih besar dari RL minimum.  RL ini berhubungan dengan Iz, karena bila RL minimum, maka IL men-jadi maksimum, sehingga Iz menjadi minimum.  Kedua, Vi harus lebih besar dari Vi mini-mum.  Vi minimum ini akan menjamin bahwa dioda mendapatkan tegangan breakdown.
Kasus pertama:  Resistansi beban RL harus lebih besar dari RL minmum.  Apabila RL kecil sekali sehingga kurang dari RLmin, maka turun tegangan pada RL (juga pada zener) akan ke-cil sehingga kurang dari Vz.  Oleh karena itu zener tidak berfungsi, karena tidak bekerja pada daerah breakdown.  Untuk menghitung harga RLmin adalah menghitung harga RL saat diperoleh VL = Vz, yaitu:

RL.Vi
VL = Vz =  RL + Rs

sehingga diperoleh:

Rs.Vz ................(2.16) RLmin = 
Vi - Vz

Harga RLmin ini akan menjamin bahwa dioda zener bekerja.  Dengan RLmin maka diperoleh ILmax, yaitu:

VLVz
ILmax =  = 
RLRLmin

Bila zener sudah bekerja, berarti VL = Vz = konstan, dan dengan menganggap Vi tetap maka turun tegangan pada RS (VR) juga tetap, yaitu:

VR = Vi - Vz

dan arus yang mengalir pada Rs juga tetap, yaitu sebesar (IR):

VR
IR = 
Rs

Arus zener dapat dihitung dengan,

Iz = IR - IL

Karena IR tetap, maka Iz akan maksimum bila IL minimum dan sebaliknya.  Agar Iz tidak melebihi harga Izm yang sudah titentukan oleh pabrik, maka IL harus tidak boleh kurang dari IL minimum.  Jika Izm terlampaui, zener akan panas dan bisa rusak.  ILmin ini adalah:

ILmin = IR - Izm

Dengan diperoleh IL minimum, maka RL akan maksimum, yaitu:

Vz
RLmax = 
ILmin

Contoh :
Rangkaian penyetabil tegangan seperti gambar 2.10 mempunyai data sbb: Vi = 50 Volt, Rs =
1 KΩ, Vz = 10 Volt, dan Izm = 32 mA.  Tentukan variasi harga RL (min dan max) agar te-gangan output masih stabil 10 Volt.  Dan hitung daya pada zener maksimum.
Penyelesaian:

Rs.Vz(1K).(10)10K
RLmin = =  =  = 250 Ω
Vi - Vz50 - 1040

VR = Vi - Vz = 50 -10 = 40 Volt

IR = VR / Rs = 40 / 1K = 40 mA
ILmin = IR - Izm = 40mA - 32mA = 8 mA

RLmax = Vz / ILmin = 10 / 8mA = 1,25 KΩ

Daya maksimum pada dioda zener:
Pzmax = Vz. Izm = 10 . 32mA = 320mW

Kasus kedua:  Agar dioda zener dapat berfungsi sebagai penyetabil tegangan, maka turun te-gangan pada RL harus lebih besar dari Vz.  Dengan kata lain Vi harus lebih besar dari Vimin. Namun bila Vi terlalu besar sehingga arus pada zener melebihi Izm, maka zener bisa rusak. Oleh karena itu Vi harus lebih kecil dari Vimax.

Dengan menganggap harga RL tetap, maka tegangan sumber minimum (Vimin) adalah:

(RL+Rs).Vz
Vimin =  RL

Sedangkan harga maksimum tegangan sumber (Vimax) adalah:

Vimax = IRmax.Rs + Vz

Dimana harga IRmax adalah arus maksimum yang mengalir melalui Rs, yaitu IRmax = Izm + IL.

Contoh ke-2:
Rangkaian penyetabil tegangan seperti gambar 2.12 mempunyai data sbb: RL = 1,2 KΩ, Rs = 220 Ω, Vz = 20 Volt, dan Izm = 60 mA.  Tentukan variasi harga Vi (min dan max) agar te-gangan output masih stabil sebesar 20 Volt.  Dan hitung daya pada zener maksimum.
Penyelesaian:

(RL+Rs).Vz(1200+220).(20)
Vimin =  = = 23,67 Volt
RL1200

IL = VL / RL = 20V / 1,2KΩ = 16,67 mA
IRmax = Izm + IL = 60mA + 16,67mA = 76,67 mA Vimax = IRmax.Rs + Vz
= (76,67mA)(0,22KΩ) + 20V = 36,87 Volt

8. PERENCANAAN PENYETABIL TEGANGAN
Perencanaan suatu rangkaian penyetabil tegangan dimulai dari spesifikasi yang diha-rapkan dari rangkaian terbut, kemudian dihitung harga-harga komponen yang diperlukan.  Da-lam praktek spesifikasi yang diinginkan adalah arus beban (IL) dan tegangan sumber (Vi) ser-ta tegangan keluaran (Vz).   Sedangkan komponen yang harus direncanakan adalah Rs dan Dioda zener.

Karena dalam perencanaan harga IL, Vi dan Vz sudah diketahui (sesuai dengan permintaan perencana), agar rangkaian bisa berfungsi dengan benar, maka pada dua kondisi ekstrem da-pat diperoleh Rs:
Vimin - Vz
Rs =
Izmin + ILmax

Vimax - Vz
Rs =
Izmax + ILmin

Dari dua persamaan tersebut yang belum diketahui adalah harga Izmin dan Izmax (dan tentu saja Rs).  Dalam praktek berlaku Izmin = 0,1 Izmax.  Sehingga dengan menggabungkan per-samaan 2.26 dan 2.27, diperoleh:

ILmin(Vz - Vimin) + ILmax(Vimax - Vz)
Izmax = 
Vimin - 0,9Vz - 0,1Vimax

9. RANGKAIAN PELIPAT TEGANGAN

Dengan menggunakan rangkaian pelipat tegangan (voltage multiplier) pada skunder trafo yang relatif kecil dapat diperoleh tegangan searah keluaran sebesar dua, tiga, empat atau lebih kali lipat tegangan input.  Rangkaian ini banyak digunakan pada pembangkit tegangan tinggi namun dengan arus yang kecil seperti pada catu daya tabung gambar.

Pada saat tegangan skunder trafo berpolaritas positip (setengah siklus positip), maka dioda D1 menghantar dan dioda D2 tidak menghantar.  Secara ideal dioda yang sedang menghantar di-anggap hubung singkat. Oleh karena itu C1 diisi tegangan melalui D1 hingga mencapai Vm dengan polaritas. Pada saat setengah siklus berikutnya yaitu siklus negatip, maka dioda D1 tidak meng-hantar dan dioda D2 menghantar. Oleh karena itu kapasitor C2 diisi tegangan dari skunder trafo sebesar Vm dan dari C1 sebesar Vm, sehingga total sebesar 2 Vm.

Apabila pada output diberi resistor beban (RL), maka tegangan pada ujung C2 turun selama siklus positip dan diisi kembali hingga 2 Vm selama siklus negatip.  Bentuk gelom-bang output pada ujung C2 adalah seperti bentuk output penyearah setengah gelombang den-gan filter C.  Tegangan puncak inverse (PIV) untuk setiap dioda adalah 2 Vm. Selama siklus positip dari skunder trafo dioda D1 menghantar dan C1 men-gisi tegangan hingga Vm, sedangkan dioda D2 tidak menghantar. Selama siklus negatip dioda D2 menghantar dan C2 mengisi tegangan hingga Vm, sedangkan dioda D1 tidak menghantar. Tegangan puncak inverse (PIV) untuk setiap dioda adalah 2 Vm.

Jika tidak ada beban, maka tegangan pada ujung C1 dan C2 adalah 2 Vm.  Jika beban dipasang pada output, maka bentuk gelombang pada ujung C1 dan C2 adalah seperti halnya pada kapasitor yang diumpankan dari penyearah gelombang penuh.  Perbedaannya adalah bahwa pada rangkaian pelipat tegangan ini C1 dan C2 berhubungan secara seri, sehingga ni-lainya lebih kecil dari masing-masing C.

Dari rangkaian pelipat tegangan dua kali seperti yang sudah dijelaskan di depan ke-mudian dapat dikembangkan rangkaian pelipat tiga, empat kali tegangan input. Dari penjelasan di depan kiranya sudah cukup jelas bagaimana prinsip kerja rangkaian ini.

10. RINGKASAN

Penerapan Dioda semikonduktor yang sangat penting adalah sebagai penyearah, yaitu suatu rangkaian yang dapat mengubah sinyal bolak balik menjadi arus searah.  Hal ini karena karakteristik dioda yang hanya dapat melewatkan arus pada satu arah saja.  Rangkaian pe-nyearah yang sederhana adalah penyearah setengah gelombang.  Namun untuk mendapatkan hasil penyearahan yang baik diperlukan rangkaian penyearah gelombang penuh. Untuk mendapatkan stabilisasi hasil penyearahan diperlukan rangkaian regulator te-gangan.  Komponen dasar untuk stabilisasi tegangan adalah dioda Zener. Rangkaian stabili-sasi tegangan diharapkan mampu mengatasi variasi sinyal input dan variasi beban.