Peralatan kecil portabel kebanyakan menggunakan baterai sebagai sumber dayanya,namun sebagian besar peralatan menggunakan sember daya AC 220 volt – 50Hz. Di dalam peralatan tersebut terdapat rangkaian yang sering disebut sebagai adaptor atau penyearah yang mengubah sumber AC menjadi DC. Bagian terpenting dari adaptor adalah berfungsinya diode sebagai penyearah (rectifier). Pada bagian ini dipelajari bagaimana rangkaian dasar adaptor tersebut bekerja.
8.2 Penyearah Diode Setengah Gelombang

Perhatikan rangkaian pada gambar 8.1-a, dimana sumber masukan sinusoida dihubungkan dengan beban resistor melalui sebuah diode. Untuk sementara kita
menganggap keadaan ideal, dimana hambatan masukan sinusoida sama dengan nol dan diode dalam keadaan hubung singkat saat berpanjar maju dan keadaan hubung terbuka saat berpanjar mundur. Besarnya keluaran akan mengikuti masukan saat masukan berada di atas “tanah” dan berharga nol saat masukan di bawah “tanah” seperti diperlihatkan pada gambar 8.1-b. Jika kita ambil harga rata-rata bentuk gelombang keluaran ini untuk beberapa periode, tentu saja hasilnya akan positif atau dengan kata lain keluaran mempunyai komponen DC. Kita juga melihat komponen AC pada keluaran. Kita akan dapat mengurangai komponen AC pada keluaran jika kita dapat mengusahakan keluaran positif yang lebih besar, tidak hanya 50% seperti terlihat pada gambar 8.1-b.



8.3 Penyearah Diode Gelombang Penuh
Terdapat cara yang sangat sederhana untuk meningkatkan kuantitas keluaran positip menjadi sama dengan masukan (100%). Ini dapat dilakukan dengan menambah satu diode pada rangkaian seperti terlihat pada gambar 8.2. Pada saat masukan berharga negatif maka salah satu dari diode akan dalam keadaan panjar maju sehingga memberikan keluaran positif. Karena keluaran berharga positif pada satu periode penuh, maka rangkaian ini disebut penyearah gelombang penuh. Pada gambar 8.2 terlihat bahwa anode pada masing-masing diode dihubungkan dengan ujung-ujung rangkaian sekunder dari transformer. Sedangkan katode masingmasing diode dihubungkan pada titik positif keluaran. Beban dari penyearah dihubungkan antara titik katode dan titik center-tap (CT) yang dalam hal ini digunakan
sebaga referensi atau “tanah”.



Mekanisme terjadinya konduksi pada masing-masing diode tergantung pada polaritas tegangan yang terjadi pada masukan. Keadaan positif atau negatif dari masukan didasarkan pada referensi CT. Pada gambar 8.3 nampak bahwa pada setengah periode pertama misalnya, v1 berharga positif dan v2 berharga negatif, ini menyebabkan D1 berkonduksi (berpanjar maju) dan D2 tidak berkonduksi (berpanjar mundur). Pada setengah periode ini arus D1 i mengalir dan menghasilkan keluaran yang akan nampak pada hambatan beban. Pada setengah periode berikutnya, v2 berharga positif dan v1 berharga negatif, menyebabkan D2 berkonduksi dan D1 tidak berkonduksi. Pada setengah periode ini
mengalir arus D2 i dan menghasilkan keluaran yang akan nampak pada hambatan beban. Dengan demikian selama satu periode penuh hambatan beban akan dilewati aris D1 i dan D2 i secara bergantian dan menghasilkan tegangan keluaran DC.
8.4 Penyearah Gelombang Penuh Model Jembatan
Penyearah gelombang penuh model jembatan memerlukan empat buah diode. Dua diode akan berkondusi saat isyarat positif dan dua diode akan berkonduksi saat isyara negatif. Untuk model penyearah jembatan ini kita tidak memerlukan transformator yang memiliki center-tap. Seperti ditunjukkan pada gambar 8.4, bagian masukan AC dihubungkan pada
sambungan D1-D2 dan yang lainnya pada D3-D4. Katode D1 dan D3 dihubungkan degan keluaran positif dan anode D2 dan D4 dihubungkan dengan keluaran negatif (tanah). Misalkan masukan AC pada titik A berharga positif dan B berharga negatif, maka diode D1 akan berpanjar maju dan D2 akan berpanjar mundur. Pada sambungan bawah D4 berpanjar maju dan D3 berpanjar mundur. Pada keadaan ini elektron akan mengalir dari titik B melalui D4 ke beban , melalaui D1 dan kembali ke titik A. Pada setengah periode berikutnya titik A menjadi negatif dan titik B menjadi positif. Pada kondisi ini D2 dan D3 akan berpanjar maju sedangkan D1 dan D4 akan berpanjar mundur. Aliran arus dimulai dari titik A melalui D2, ke beban, melalui D3 dan kembali ke titik B. Perlu dicatat di sini bahwa apapun polaritas titik A atau B, arus
yang mengalir ke beban tetap pada arah yang sama.



Rangkaian jembatan empat diode dapat ditemukan di pasaran dalam bentukpaket dengan berbagai bentuk. Secara prinsip masing-masing bentuk mempunyai dua terminal masukan AC dan dua terminal masukan DC.

8.5 Penyearah Keluaran Ganda

Pada berbagai sistem elektronik diperlukan sumber daya dengan keluaran ganda sekaligus, positif dan negatif terhadap referensi (tanah). Salah satu bentuk rangkaian penyearah gelombang penuh keluaran ganda diperlihatkan pada gambar 8.5. Perhatikan bahwa keluaran berharga sama tetapi mempunyai polaritas yang berkebalikan.Diode D1 dan D2 adalah penyearah untuk bagian keluaran positif. Keduanya dihubungkan dengan ujung transformer. Diode D3 dan D4 merupakan penyearah untuk keluaran negatif. Titik keluaran positif dan negatif diambil terhadap CT sebagai referensi atau tanah.

(gambar penyearah keluaran ganda)

Misalkan pada setengah periode titik atas transformer berharga positif dan bagian bawah berharga negatif. Arus mengalir lewat titik B melalui D4, L2 R , L1 R , D1 dan kembali ke terminal A transformator. Bagian atas dari L1 R menjadi positif
sedangkan bagian bawah L2 R menjadi negatif. Pada setengah periode berikutnya titik atas transformer berharga negatif dan bagian bawah berharga positif. Arus mengalir lewat titik A melalui D3, L2 R , L1 R , D2 dan kembali ke terminal B transformator. Bagian atas dari L1 R tetap akan positif sedangkan bagian bawah L2 R berpolaritas negatif. Arus yang lewat L1 R dan L2 R mempunyai arah yang sama menghasilkan tegangan keluaran bagian atas dan bagian bawah pada L1 R dan L2 R .

8.6 Tapis (Filter)
Pada prinsipnya yang diinginkan pada keluaran penyearah adalah hanya komponen DC, maka perlu adanya penyaringan untuk membuang komponen AC. Secara praktis kita dapat memasang sebuah kapasitor besar pada kaki-kaki beban, karana kapasitor dapat bersifat hubung terbuka untuk komponen DC dan mempunyai impedansi yang rendah untuk komponen AC.



Berdasarkan jenis komponen yang digunakan, tapis penyearah dapat
dikelompokkan menjadi dua. Kelompok pertama dilakukan dengan memasang
kapasitor atau disebut sebagai tapis kapasitor atau tapis masukan-C. Kelompok lain
dilakukan dengan memasang induktor atau kumparan disebut sebagai tapis induktif atau
tapis masukan-L. Keluaran tapis-C biasanya mengalami penurunan saat beban
meninggi. Sedangkan tapis-L cenderung mempertahankan keluaran pada harga yang
relatif konstan. Namun demikian tegangan keluaran tapis-L relatif lebih rendah
dibandingkan tapis-C. Gambar 8.6 memperlihatkan hubungan besarnya tegangan
keluaran sebagai fungsi dari arus beban untuk tapis-C dan tapis-L.

8.6.1 Tapis Kapasitor
Tapis kapasitor sangat efektif digunakan untuk mengurangi komponen AC pada keluaran penyearah. Pertama akan kita lihat karakter kapasitor sebagai tapis dengan memasang langsung pada keluaran penyearah tanpa memasang beban.

a. Penyearah Tanpa Beban
Rangkaian tanpa beban dengan pemasangan kapasitor beserta bentuk keluarannya diperlihatkan pada gambar 8.7. Saat sumber tegangan (masukan) dihidupkan, satu diode berkonduksi dan keluaran berusaha mengikuti tegangan transformator. Pada kondisi ini tiba-tiba tegangan kapasitor menjadi besar dan arus yang mengalir menjadi besar (dalam ini, i = C dv / dt; dv / dt = ¥ ). Saat masukan membesar keluaran juga akan membesar, namun saat masukan menurun tegangan kapaasitor atau keluaran tidak mengalami penurunan tegangan karena tidak ada proses penurunan tegangan. Dalam keadaan ideal ini, tegangan keluaran DC akan sama dengan tegangan puncak masukan dan akan ditahan untuk seterusnya.



Beberapa implikasi dari anggapan ideal tersebut adalah:
i) Arus dari transformr tergantung pada hambatan kumparan dan mungkin tergantung pada kemampuan magnet dari intinya, sehingga kemungkinan tegangan keluarannya berubah-ubah.
ii) Diode bukan konduktor yang sempurna saat berpanjar maju, untuk silikon biasnya akan mengalami penurunan tegangan sekitar 0,6 sampai dengan 1,0 volt dan juga bukan merupakan isolator yang sempurna saat berpanjar mundur.
iii) Tegangan kapasitor biasanya meluruh, baik karena adanya penurunan arus yang terambil melalui beban atau karena terjadi kebocoran pada kapasitor sendiri atau pada diode.

b. Penyearah Setengah Gelombang Dengan Beban Dan Tapis Kapasitor
Pada gambar 8.8-a kita menambahkan sebuah kapasitor sebagai tapis pada penyearah setengah gelombang. Pada setengah periode positif (1), diode berpanjar maju dan arus mengalir dari B menuju A melewati C, beban dan diode. Kapasitor C akan dengan cepat terisi seharga tegangan puncak masukan, pada saat yang sama arus juga mengalir
lewat beban. Arus awal yang mengalir pada diode biasanya berharga sangat besar kemudian berikutnya akan mengalami penurunan (lihat gambar 8.8-b).



Pada saat masukan negatif (2) diode berpanjar mundur. Pada kondisi ini diode tidak berkonduksi dan tegangan pada C akan dilucuti melalui hambatan L R . Hasilnya berupa arus pelucutan yang mengalir lewat C dan L R . Dengan demikian walaupun diode dalam kondisi tidak berkonduksi, resistor L R tetap mendapatkan aliran arus pengosongan kapasitor tersebut. Akibatnya, tegangan pada L R akan tetap terjaga pada harga yang relatif tinggi. Proses pengosongan C terus berlanjut sepanjang periode negatif. Menjelang akhir setengah periode negatif terjadi penurunan keluaran dengan harga RL V terendah sebelum akhirnya periode positif berikutnya datang. Kemudian diode akan berpanjar maju lagi dan C mengalami proses pengisian lagi. Dalam proses pengisian ini diperlukan arus diode (Id ) yang lebih rendah. proses di atas akan terus berulang pada periode positif dan negatif berikutnya.
Efektivitas kapasitor sebagai tapis tergantung pada beberapa faktor, diantaranya
adalah :
1. Kapasitas/ukuran kapasitor
2. Nilai beban RL yang dipasang
3. Waktu
Ketiga faktor tersebut mempunyai hubungan
T = R x C…………………………………………………(8.1)
dimana T adalah waktu dalam detik, R adalah hambatan dalam ohm dan C adalah kapasitansi dalam farad. Perkalian RC disebut sebagai “konstanta waktu” merupakan ukuran seberapa cepat tegangan dan arus tapis (kapasitor) merespon perubahan pada masukan. Kapasitor akan terisi sampai sekitar 62,2% dari tegangan yang dekenakan selama satu konstanta waktu. Demikian saat dikosongkan selama satu konstanta waktu, maka tegangan kapasitor akan turun sebanyak 62,2%. Untuk mengisi kapasitor sampai penuh diperlukan waktu sekitar 5 kali konstanta waktu. Tapis kapasitor seperti pada gambar 8.8 akan terisi dengan cepat selama periode positif pertama. Namun kecepatan pengosongan C akan sangat tergantung pada harga L R . Jika L R berharga rendah proses pengosongan akan berlangsung dengan cepat,
sebaliknya jika L R berharga besar proses pengosongan akan berlangsung lebih lambat.Tapis yang baik adalah jika proses pengosongan berlangsung lambat sehingga V RL mengalami sedikit perubahan. Tapis-C akan bekerja dengan baik jika L R berharga relatif tinggi. Jika L R berharga rendah, yaitu jika penyearah mengalami pembebanan yang terlalu berat, maka tegangan “riak” (ripple) akan lebih nampak pada keluarannya

jika ingin mengunduh lebih lengkap disini

DIODA SAMBUNGAN P-N

 

7.1 Semikonduktor

Semikonduktor tipe-n dibuat dari bahan silikon murni dengan menambahkan sedikit pengotor berupa unsur valensi lima. Empat elektron terluar dari “donor” ini berikatan kovalen dan menyisakan satu elektron lainnya yang dapat meninggalkan atom induknya sebagai elektron bebas. Dengan demikian pembawa muatan mayoritas pada bahan ini adalah elektron. Hal yang sama, semikonduktor tipe-p dibuat dengan mengotori silikon murni dengan atom valensi tiga, sehingga meninggalkan kemungkinan untuk menarik elektron. Pengotor sebagai “aseptor” menghasilkan proses konduksi dengan lubang (hole) sebagai pembawa muatan mayoritas.

7.2 Diode

Proses difusi ini tidak berlangsung selamanya karena elektron yang sudah berada di tempatnya akan menolak elektron yang datang kemudian. Proses difusiberakhir saat tidak ada lagi elektron yang memiliki cukup energi untuk mengalir.





Kita harus memperhitungkan proses elektron dapat menyeberang sambungan. Daerah yang sangat tipis dekat sambungan disebut daerah deplesi (depletion region) atau daerah transisi. Daerah ini dapat membangkitkan pembawa muatan minoritas saat terdapat cukup energi termal untuk membangkitkan pasangan lubang-elektron. Salah satu dari pembawa muatan minoritas ini, misalnya elektron pada tipe-p, akan mengalami pengaruh dari proses penolakan elektron difusi
dari tipe-n. Dengan kata lain elektron minoritas ini akan ikut tertarik ke semikonduktor tipe-n. Gerakan pembawa muatan akibat pembangkitan termal ini lebih dikenal sebagai “drift”. Situasi akan stabil saat arus difusi sama dengan arus drift. Pada daerah sambungan/daerah diplesi yang sangat tipis terjadi pengosongan
pembawa muatan mayoritas akibat terjadinya difusi ke sisi yang lain. Hilangnya pembawa muatan mayoritas di daerah ini meninggalkan lapisan muatan positip di daerah tipe-n dan lapisan muatan negatif di daerah tipe-p. Lapisan muatan pada daerah diplesi ini dapat dibandingkan dengan kapasitor keping sejajar yang termuati. Karena terjadi penumpukan muatan yang berlawanan pada masing-masing keping, maka terjadi perbedaan potensial yang disebut sebagai “potensial kontak”atau “potensial penghalang” o V. Keadaan ini disebut diode dalam keadaan rangkaian terbuka.

7.3 Efek Zener dan Avalanche

Pada tegangan panjar maju, ketinggian potensial penghalang akan menurun dan daerah deplesi akan menipis. Sebaliknya saat diberi panjar mundur daerah deplesi akan melebar. Jika panjar mundur dinaikkan terus, maka pada suatu harga tegangan tertentu terjadi kenaikan arus mundur secara tiba-tiba (lihat gambar 7.9). Keadaan ini terjadi akibat adanya efek Zener atau efek avalanche. Pada patahan Zener (Zener breakdown),medan listrik pada sambungan akan menjadi cukup besar untuk menarik elektron dari ikatan kovalen secara langsung. Dengan demikian akan terjadi peningkatan jumlah pasangan lubang-elektron secara tiba-tiba dan menghasilkan kenaikan arus mundur secara tiba-tiba pula. Efek avalanche terjadi pada tegangan di atas tegangan patahan Zener. Pada tegangan tinggi ini, pembawa muatan memiliki cukup energi untuk memisahkan elektron dari ikatan kovalen.



 

7.4 Diode Terowongan (Tunnel Diode)
Jika konsentrasi doping dinaikkan, maka lebar daerah deplesi akan menipis dan karenanya tinggi potensial penghalang akan menurun. Jika konsentrasi doping
dinaikkan lagi sehingga ketebalan darah deplesi menjadi lebih rendah dari 10 nm, maka terjadi mekanisme konduksi listrik baru dan menghasilkan karakteristik piranti elektronika yang unik. Seperti telah dijelaskan oleh Leo Esaki pada tahun 1958, bahwa untuk potensial penghalang yang sangat tipis menurut teori kuantum mekanik, elektron dapatmenerobos melewati potensial pengahalang (melalui terowongan) tanpa harus memiliki Diode Sambungan p-n 77 cukup energi untuk mendaki potensial tersebut. Karakteristik I-V dari ‘Diode Esaki” diperlihatkan pada gambar 7.14. Terlihat bagaimana arus terowongan memberi kontribusi terhadap arus yang mengalir terutama pada tegangan maju relatif rendah. Arus terowongan akan naik dengan adanya kenaikan tegangan sampai efek dari arus maju mulai memberi kontribusi. Setelah puncak arus p I dicapai, arus terowongan menurun dengan adanya kenaikan tegangan arus injeksi mulai mendominasi. Arus puncak p I dan arus lembah V I merupakan titik operasi yang stabil. Karena efek terowongan merupakan penomena gelombang, transfer elektron terjadi dengan kecepatan cahaya dan pergantian antara p I dan V I terjadi dengan cepat sehingga cocok untuk aplikasi komputer. Lebih jauh antara p I dan V I terdapat daerah dimana hambatan r = dV / dI berharga negatif yang dapat digunakan untuk osilator dengan frekuensi sangat tinggi. dan untuk lebih lengkapnya silahkan diunduh disini

Jika tegangan  v= V cos ω t  terdapat pada  kapasitor C, maka yang arus mengalir  diberikan oleh

dalam bentuk phasor ditulis sebagai  I_C 90⁰  Impedansi sebagai penghambat arus sebesar

• Induktor

Jika arus i = I cos ω t mengalir L, tegangan yang timbul di berikan oleh



Dalam bentuk phasor dituliskan sebagai V_L90⁰ . Impedansi sebagai penghambat arus sebesar

• Arus dan Tegangan dalam Bentuk Phasor

Karakteristik arus-tegangan pada masing-masing komponen dapat diringkas sebagai berikut.



 

 



 

rangkaian RC berfungsi sebagai pengubah gelombang kotak menjadi bentuk rangkaian pulsa jika konstanta waktu RC berharga lebih kecil dibandingkan periode dari gelombang masukan. Dengan melakukan pendekatan dan menggunakan hk Kirchhoff tentang tegangan diperoleh:



Jika V_R dianggap lebih kecil dibandingkan V_c karena i_c = C dv_c / dt





 

• Rangkaian Integrator