Elektronika Teori dan Penerapan Bab 2 (Rangkaian Diode)

Penerapan diode semikonduktor di dunia elektronika sangatlah luas. Hal ini disebabkan sifat diode yang sangat mendasar yakni hanya dapat melewatkan arus satu arah saja.Selanjutnya rangkain penyearah merupakan aplikasi diode yang sangat penting untuk dibahas terlebih dahulu. Sesuai dengan bentuk gelombang outputnya maka rangkaian penyearah dapat dibedakan menjadi dua macam yaitu setengah gelombang dan gelombang penuh.Selain itu terdapat juga rangkaian pemotong dan rangkain penggeser yang banyak digunakan untuk teknik manipulasi sinyal.

1. Penyearah setengah gelombang

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 wt. 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 harga yang tercantum pada skunder trafo adalah tegangan efektif. Hubungan antara tegangan puncap Vm dengan tegangan efektif (Veff) atau tegangan rms (Vrms) adalah:

 Tegangan (arus) efektif atau rms (root-mean-square) adalah tegangan (arus) yang terukur oleh voltmeter (amper-meter). 

 

Gambar Rangkian penyearah setengah gelombang

Prinsip kerja penyearah setengah gelombang adalah bahwa pada saat sinyal input berupa 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 sehingga tidak mengalir arus.

Gambar grafk tegangan input sebelum rangkaian penyearah

Gambar grafik tegangan output setelah rangkaian penyearah

2. Penyearah gelombang penuh

Rangkaian penyearah gelombang penuh ada dua macam, yaitu dengan menggunakan trafo CT (center-tap = tap tengah) dan dengan sistem jembatan.Berikut adalah rangkaian penyearah gelombang penuh :

Gambar Rangkian penyearah gelombang penuh

Terminal skunder dari Trafo CT mengeluarkan dua buah tegangan keluaran yang sama tetapi fasanya berlawanan dengan titik CT sebagai titik tengahnya. Kedua keluaran ini masing-masing dihubungkan ke D1 dan D2, sehingga saat D1 mendapat sinyal siklus positip maka 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

 

Gambar grafk tegangan input sebelum rangkaian penyearah

 Gambar grafik tegangan output setelah rangkaian penyearah

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:

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

3. Jembatan penyearah gelombang penuh

Gambar rangkaian jembatan penyearah gelombang penuh

Jembatan penyearah gelombang penuh merupakan rangkaian 4 buah diode yang digunakan untuk menyearahkan sinyal AC baik dari trafo biasa maupun trafo CT(Center Tap). Prinsip kerja rangkaian penyearah gelombang penuh sistem jembatan adalah pada saat rangkaian jembatan mendapatkan bagian positip dari siklus sinyal AC,

- 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.

 

 Gambar penyearahan siklus positif AC

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.

  Gambar penyearahan siklus negatif AC

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 

 Gambar penyearahan siklus negatif AC

Besarnya arus rata-rata pada beban adalah sama seperti penyearah gelombang penuh dengan trafo CT, yaitu: Idc = 2Im/p = 0.636 Im Untuk harga Vdc dengan memperhitungkan harga Vg adalah:

 

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

3. 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 paralel. Rangkaian clipper seri berarti diodanya berhubungan secara seri dengan beban, sedangkan clipper paralel berarti diodanya dipasang paralel dengan beban.

Gambar clipper seri positif



Gambar clipper seri negatif




Gambar clipper paralel positif



Gambar clipper paralel negatif

 4. 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 resistor, disamping itu bisa pula ditambahkan sebuah baterai. Harga R dan C harus dipilih sedemikian rupa sehingga konstanta waktu RC cukup besar agar tidak terjadi pengosongan muatan yang cukup berarti saat dioda tidak menghantar.

 

Gambar rangkaian clamper sederhana

Gambar (a) adalah gelombang kotak yang menjadi sinyal input rangkaian clamper (b). Pada saat 0 - T/2 sinyal input adalah positip sebesar +V, sehingga Dioda menghantar (ON). 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 (gambar d). Kemudian saat T/2 - T sinyal input berubah ke negatip, sehingga dioda tidak menghantar (OFF) (gambar e). Kapasitor membuang muatan sangat lambat, karena RC dibuat cukup 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 (gambar c). Terlihat pada gambar (c) bahwa 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 dengan dioda. Disamping itu arah penggeseran juga bisa dinuat kearah positip dengan cara membalik arah dioda. Beberapa rangkaian clamper negatip dan positip dapat dilihat pada gambar berikut

 

Gambar rangkaian calmper negatif dan positif

5. Diode Zener
Struktur Dioda zener tidaklah jauh berbeda dengan dioda biasa, hanya tingkat dopingnya 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 diperbolehkan pemberian tegangan mundur sampai pada daerah breakdown, karena bisa merusak dioda.

 

 Gambar kurva karakteristik diode zener

Titik breakdown dari suatu dioda zener dapat dikontrol dengan memvariasi tingkat dopingnya. Tingkat doping yang tinggi, akan meningkatkan jumlah pengotoran sehingga tegangan 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.Penerapan dioda zener yang paling penting adalah sebagai penyetabil tegangan (voltage egulator). Agar rangkaian ini dapat berfungsi sebagai penyetabil tegangan, maka dioda zener harus bekerja pada daerah breakdown.

 

Gambar rangkaian dasar penyetabil tegangan

Miftah Nur Hafidz

161020100088