Karakteristik Dioda Sinyal (kecil) dan Switching Dioda

Dioda Sinyal adalah terminal dua kecil yang mengalirkan arus ketika bias maju dan menghambat aliran arus ketika bias balik (reverse bias).

Dioda Sinyal semikonduktor adalah perangkat semikonduktor non-linear kecil yang umumnya digunakan dalam rangkaian elektronik, di mana arus kecil atau frekuensi tinggi terlibat seperti di radio, televisi, dan rangkaian logika digital.

Dioda sinyal, juga kadang-kadang dikenal dengan nama yang lebih tua dari Point Contact Dioda atau Dioda Kaca Pasif, secara fisik berukuran sangat kecil dibandingkan dengan saudaranya Dioda Daya mereka yang lebih besar.

Secara umum, PN junction dari dioda sinyal kecil dienkapsulasi dalam kaca untuk melindungi sambungan PN junction, dan biasanya memiliki pita merah atau hitam di salah satu ujung tubuhnya untuk membantu mengidentifikasi ujung mana yang merupakan terminal katoda.

Yang paling banyak digunakan dari semua dioda sinyal dienkapsulasi kaca adalah 1N4148 yang sangat umum dan dioda sinyal 1N914 yang setara.

Sinyal kecil dan dioda switching memiliki tingkat daya dan arus yang jauh lebih rendah, sekitar 150mA, maksimum 500mW dibandingkan dioda penyearah, tetapi mereka dapat berfungsi lebih baik dalam aplikasi frekuensi tinggi atau dalam aplikasi kliping dan switching yang berurusan dengan bentuk gelombang pulsa durasi pendek.

Karakteristik dioda sinyal kontak titik berbeda untuk kedua jenis germanium dan silikon dan diberikan sebagai:

1. Germanium Dioda Sinyal – Ini memiliki nilai resistansi balik rendah yang memberikan drop volt maju lebih rendah di persimpangan/junction, biasanya hanya sekitar 0.2 hingga 0.3v, tetapi memiliki nilai resistansi maju yang lebih tinggi karena area persimpangan kecil mereka.
2. Silikon Dioda Sinyal – Ini memiliki nilai resistansi balik yang sangat tinggi dan memberikan penurunan tegangan maju sekitar 0.6 hingga 0.7v di persimpangan. Mereka memiliki nilai resistansi maju yang cukup rendah sehingga memberikan nilai puncak arus maju dan tegangan balik yang tinggi.

Simbol elektronik yang diberikan untuk semua jenis dioda adalah tanda panah dengan bilah atau garis di ujungnya dan ini diilustrasikan di bawah ini bersama dengan Kurva Karakteristik I-V Stabil.

Kurva Karakteristik I-V Silikon Dioda Sinyal

Panah selalu menunjuk ke arah aliran arus konvensional melalui dioda yang berarti bahwa dioda hanya akan berjalan jika supply positif terhubung ke Anoda, ( a ) terminal dan supply negatif terhubung ke terminal Katoda ( k ) sehingga hanya memungkinkan arus mengalir melaluinya dalam satu arah saja, bertindak lebih seperti katup listrik satu arah, (Kondisi Forward Bias).

Namun, kita tahu dari tutorial sebelumnya bahwa jika kita menghubungkan sumber energi eksternal ke arah lain dioda akan memblokir arus yang mengalir melaluinya dan sebaliknya akan bertindak seperti sakelar terbuka, (Kondisi Reversed Biase) seperti yang ditunjukkan di bawah ini.

Forward Bias dan Reverse Bias pada Dioda Sinyal

Kemudian kita dapat mengatakan bahwa dioda sinyal kecil yang ideal menjalankan arus dalam satu arah (forward-conducting) dan memblokir arus di arah lain (reverse-blocking). Dioda Sinyal digunakan dalam berbagai macam aplikasi seperti sakelar penyearah, pembatas arus, snubber tegangan atau dalam rangkaian pembentuk gelombang.

Parameter Dioda Sinyal

Dioda Sinyal dibuat dalam kisaran tegangan dan tingkat arus dan perawatan harus dilakukan ketika memilih dioda ini untuk aplikasi tertentu. Ada berbagai karakteristik statis yang membingungkan terkait dengan dioda sinyal sederhana tetapi yang lebih penting adalah.

1. Arus Maju/Forward Maksimum

Arus Forward Maksimum ( I_F(max) ) adalah seperti namanya yang arus maju maksimum dibiarkan mengalir melalui perangkat. Ketika dioda berjalan dalam kondisi forward bias, ia memiliki resistansi “ON” yang sangat kecil di persimpangan PN dan oleh karena itu, daya dihamburkan di persimpangan ini (Hukum Ohm) dalam bentuk panas.

Kemudian, melebihi nilainya ( I_F(max) ) akan menyebabkan lebih banyak panas dihasilkan di persimpangan dan dioda akan gagal karena kelebihan beban panas, biasanya dengan konsekuensi yang merusak.

Saat mengoperasikan dioda di sekitar peringkat arus maksimumnya, selalu lebih baik untuk menyediakan pendinginan tambahan untuk menghilangkan panas yang dihasilkan oleh dioda.

Misalnya, dioda sinyal kecil 1N4148 kami memiliki tingkat arus maksimum sekitar 150mA dengan disipasi daya 500mW pada 25°C. Kemudian resistor harus digunakan secara seri dengan dioda untuk membatasi arus maju, ( I_F(max) ) melaluinya di bawah nilai ini.

2. Puncak Tegangan Terbalik (PIV)

Peak Inverse Voltage (PIV) atau maksimum tegangan reverse ( V_R(max) ), adalah maksimum yang diijinkan Reverse tegangan operasi yang dapat diterapkan di seluruh dioda tanpa gangguan terbalik dan kerusakan yang terjadi ke perangkat.

Oleh karena itu peringkat ini, biasanya kurang dari “breakdown avalanche” level pada kurva karakteristik reverse bias. Nilai-nilai khas dari V_R(max) berkisar dari beberapa volt hingga ribuan volt dan harus dipertimbangkan ketika mengganti dioda.

Tegangan terbalik puncak adalah parameter penting dan terutama digunakan untuk meluruskan dioda dalam rangkaian penyearah AC dengan mengacu pada amplitudo tegangan adalah perubahan bentuk gelombang sinusoidal dari positif ke nilai negatif pada setiap siklus.

3. Total Daya Pembuangan (disipasi)

Dioda sinyal memiliki tingkat Total Power Disipation, ( P_D(max) ). Tingkat ini adalah disipasi daya maksimum yang mungkin dari dioda ketika forward bias (berjalan).

Ketika arus mengalir melalui dioda sinyal, bias dari persimpangan PN junction tidak sempurna dan menawarkan beberapa perlawanan terhadap aliran arus yang mengakibatkan daya dihamburkan (hilang) dalam dioda dalam bentuk panas.

Karena dioda sinyal kecil adalah perangkat non-linear, resistansi dari persimpangan PN junction tidak konstan, itu adalah properti dinamis maka kita tidak dapat menggunakan Hukum Ohm untuk menentukan daya dalam hal arus dan resistansi atau tegangan dan resistansi yang kita bisa untuk resistor.

Kemudian untuk menemukan daya yang akan dihamburkan oleh dioda kita harus melipatgandakan drop tegangan melewatinya kali arus yang melewatinya: P_D = V*I

4. Temperatur Operasi Maksimal

Suhu Operasional maksimum benar-benar berhubungan dengan Temperatur Junction ( T_J ) dari dioda dan berhubungan dengan disipasi daya maksimum. Ini adalah suhu maksimum yang diijinkan sebelum struktur dioda memburuk dan dinyatakan dalam satuan derajat celcius per Watt, ( °C/W ).

Nilai ini terkait erat dengan arus maju maksimum perangkat sehingga pada nilai ini suhu persimpangan tidak terlampaui. Namun, arus maju maksimum juga akan tergantung pada temperatur sekitar tempat perangkat beroperasi sehingga arus maju maksimum biasanya dikutip untuk dua atau lebih nilai temperatur sekitar seperti 25°C atau 70°C.

Lalu ada tiga parameter utama yang harus dipertimbangkan ketika memilih atau mengganti dioda sinyal dan ini adalah:

• Tingkat Reverse Voltage (tegangan balik)
• Tingkat Forward Current (arus maju)
• Tingkat Forward Power Disipation (disipasi daya maju)

Susunan/Array Dioda Sinyal

Ketika ruang terbatas, atau pasangan yang cocok untuk mengganti dioda sinyal diperlukan, susunan dioda bisa sangat berguna. Mereka umumnya terdiri dari dioda silikon berkecepatan tinggi berkapasitas rendah seperti 1N4148 yang dihubungkan bersama dalam beberapa paket dioda yang disebut array/susunan untuk digunakan dalam switching dan penjepitan dalam rangkaian digital.

Mereka terbungkus dalam paket inline tunggal (SIP) yang berisi 4 atau lebih dioda yang terhubung secara internal untuk memberikan konfigurasi susunan individual, common catoda, (CC), atau common anoda, (CA) seperti yang ditunjukkan.

Susunan Rangkaian Dioda Sinyal

Susunan Dioda sinyal juga dapat digunakan dalam rangkaian digital dan komputer untuk melindungi jalur data kecepatan tinggi atau port paralel input/output lainnya terhadap pelepasan muatan statis (ESD) dan transien tegangan.

Dengan menghubungkan dua dioda secara seri melintasi rel supply dengan jalur data yang terhubung ke persimpangan mereka seperti yang ditunjukkan, transien yang tidak diinginkan dengan cepat menghilang dan karena dioda sinyal tersedia dalam susunan 8 kali lipat mereka dapat melindungi delapan saluran data dalam satu paket.

Susunan dioda sinyal juga dapat digunakan untuk menghubungkan bersama dioda dalam kombinasi seri atau paralel untuk membentuk regulator tegangan atau rangkaian tipe pereduksi tegangan atau bahkan untuk menghasilkan tegangan referensi tetap yang diketahui.

Kita tahu bahwa penurunan tegangan ke depan pada dioda silikon adalah sekitar 0.7v dan dengan menyambungkan sejumlah dioda secara seri, penurunan tegangan total akan menjadi jumlah dari penurunan tegangan individu masing-masing dioda.

Namun, ketika dioda sinyal dihubungkan bersama secara seri, arus akan sama untuk setiap dioda sehingga arus maju maksimum tidak boleh terlampaui.

Menghubungkan Dioda Sinyal dalam Seri

Aplikasi lain untuk dioda sinyal kecil adalah untuk membuat pasokan tegangan yang diatur. Dioda dihubungkan bersama secara seri untuk memberikan tegangan DC konstan melintasi kombinasi dioda.

Tegangan output melintasi dioda tetap konstan meskipun ada perubahan pada arus beban yang diambil dari kombinasi seri atau perubahan tegangan catu daya DC yang mengumpankannya. Pertimbangkan rangkaian di bawah ini.

Rangkaian Dioda Sinyal dalam Seri

Karena penurunan tegangan maju di dioda silikon hampir konstan sekitar 0.7v, sedangkan arus yang melalui bervariasi dengan jumlah yang relatif besar, dioda sinyal forward-bias dapat membuat rangkaian pengatur tegangan sederhana.

Penurunan tegangan individu di masing-masing dioda dikurangi dari tegangan supply untuk meninggalkan potensial tegangan tertentu melintasi resistor beban, dan dalam contoh sederhana kami di atas ini diberikan sebagai 10v – (3*0,7V) = 7.9V.

Ini karena setiap dioda memiliki resistansi sambungan yang berkaitan dengan arus sinyal kecil yang mengalir melaluinya dan tiga dioda sinyal secara seri akan memiliki tiga kali nilai resistansi ini, bersama dengan resistansi beban R, membentuk pembagi tegangan di seluruh supply.

Dengan menambahkan lebih banyak dioda secara seri, pengurangan tegangan yang lebih besar akan terjadi. Dioda terhubung seri dapat ditempatkan secara paralel dengan resistor beban untuk bertindak sebagai rangkaian pengatur tegangan.

Di sini tegangan yang diterapkan pada resistor beban adalah 3*0.7v = 2.1V. Kita tentu saja dapat menghasilkan sumber tegangan konstan yang sama menggunakan Dioda Zener tunggal. Resistor, P_D digunakan untuk mencegah arus berlebihan yang mengalir melalui dioda jika beban dihilangkan.

Dioda Freewheel

Dioda sinyal juga dapat digunakan dalam berbagai rangkaian penjepitan, perlindungan dan pembentukan gelombang dengan bentuk paling umum dari rangkaian penjepit dioda yang menggunakan dioda yang dihubungkan secara paralel dengan kumparan atau beban induktif untuk mencegah kerusakan pada rangkaian switching yang rumit oleh menekan lonjakan tegangan dan/atau transien yang dihasilkan ketika beban tiba-tiba “OFF”.

Jenis dioda ini umumnya dikenal sebagai “Dioda Free Whweeling“, “Dioda Flywhweel” atau dioda Freewheel sederhana seperti yang lebih umum disebut.

Dioda freewheel digunakan untuk melindungi switch solid state seperti transistor daya dan MOSFET dari kerusakan oleh baterai perlindungan terbalik serta perlindungan dari beban yang sangat induktif seperti kumparan relai atau motor, dan contoh koneksi ditampilkan di bawah.

Penggunaan Dioda Freewheel

Peralihan cepat modern, perangkat semikonduktor daya memerlukan dioda perpindahan cepat seperti dioda penggerak bebas (free wheeling) untuk melindunginya dari beban induktif seperti kumparan motor atau belitan relai.

Setiap kali perangkat switching di atas dinyalakan “ON”, dioda freewheel berubah dari keadaan konduksi ke keadaan pemblokiran karena ia menjadi bias terbalik (reversed bias).

Namun, ketika perangkat dengan cepat mematikan “OFF”, dioda menjadi bias ke depan (forward bias) dan turunya energi yang disimpan dalam coil menyebabkan arus mengalir melalui dioda freewheel.

Tanpa perlindungan Dioda freewheel, arus di/dt tinggi akan terjadi yang menyebabkan lonjakan atau transien tegangan tinggi mengalir di sekitar rangkaian yang mungkin merusak perangkat switching.

Sebelumnya, kecepatan operasi perangkat switching semikonduktor, baik Transistor, MOSFET, IGBT atau digital telah terganggu oleh penambahan dioda freewheel di seluruh beban induktif dengan dioda Schottky dan dioda Zener digunakan sebagai gantinya dalam beberapa aplikasi.

Namun selama beberapa tahun terakhir, dioda freewheel telah mendapatkan kembali pentingnya terutama karena karakteristik pemulihan terbalik (reverse-recovery) yang ditingkatkan dan penggunaan bahan semikonduktor super cepat yang mampu beroperasi pada frekuensi switching yang tinggi.

Jenis dioda khusus lainnya yang tidak termasuk di sini adalah PhotoDioda, Dioda PIN, Dioda Tunnel dan Dioda Schottky Barrier. Dengan menambahkan lebih banyak sambungan PN junction ke struktur dua lapisan dioda dasar, jenis perangkat semikonduktor lain dapat dibuat.

Misalnya perangkat semikonduktor tiga lapisan menjadi Transistor, perangkat semikonduktor empat lapisan menjadi Thyristor atau SCR – Silicon Controlled Rectifier dan lima perangkat lapisan yang dikenal sebagai Triac juga tersedia.

Dalam tutorial berikutnya tentang Dioda, kita akan melihat dioda sinyal besar yang kadang-kadang disebut Dioda Daya. Dioda Daya adalah dioda silikon yang dirancang untuk digunakan dalam rangkaian rektifikasi listrik tegangan tinggi dan arus tinggi.

https://elektro.kamplongan.my.id/