Dioda ialah jenis VACUUM tube yang memiliki dua buah elektroda. Dioda tabung pertama kali diciptakan oleh seorang ilmuwan dari Inggris yang bernama Sir J.A. Fleming (1849-1945) pada tahun 1904.
Struktur dan skema dari dioda dapat dilihat pada gambar 7 di atas.
Pada dioda, 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 kita dapat meninjau 3 situasi sebagi berikut ini yaitu :
- Dioda diberi tegangan nol
- Dioda diberi tegangan negative
- Dioda diberi tegangan positive
Dioda Diberi Tegangan nol
Ketika dioda diberi tengangan 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 mampunya elektron melompat menuju katoda disebabkan karena energi yang diberikan pada elektron melalui pemanasan oleh heater belum cukup untuk menggerakkan elektron menjangkau plate.
Dioda diberi tegangan negative
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.
Dioda diberi tegangan positive
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. Seberapa 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 situasi tegangan tertentu saja, maka dioda dapat digunakan sebagai penyearah arus listrik (rectifier). Pada kenyataanya memang dioda banyak digunakan sebagai penyearah tegangan AC menjadi tegangan DC.
Plate Characteristic dari Dioda
Karakteristik yang paling penting dari dioda adalah Plate Characteristic, dimana karakteristik ini memberikan koorelasi antara tegangan pada dioda dengan arus yang mengalir pada dioda.
Pada Figure 11 di atas dapat dilihat rangkaian uji (Figure 11.A) untuk mendapatkan karakteristik plate dan contoh karakteristik plate dari dioda(Figure 11.B).
Heater voltage diberikan pada filament untuk memanaskan tabung sampai pada temperatur tertentu yaitu T1, dan kemudian tegangan plate Eb diubah mulai dari 0 sampai pada suatu nilai tertentu yang masih dapat ditangani oleh dioda. Arus Ib yang mengalir pada dioda akan naik bersamaan dengan naiknya tegangan pada plate seperti terlihat pada grafik karakteristik plate, akan tetapi ketika menjangkau harga Eb tertentu maka Ib tidak dapat naik lagi dan tetap konstan walaupun Eb dinaikkan terus. Titik dimana Ib tidak dapat naik lagi walaupun Eb terus dinaikkan dinamakan saturation point.
Jika tegangan filament dinaikkan sehingga suhu dari dioda menjadi naik (T2) dan percobaan serupa seperti diatas dilakukan lagi, akan didapat arus Ib yang lebih besar pada saturation point. Atas dasar situasi ini dapat disimpulkan bahwa temperatur pada dioda dapat berpengaruh dalam menentukan arus maksimum yang dapat mengalir pada dioda.
Resistansi Dioda
Dari karakteristik plate yang telah kita bahas di atas maka, kita dapat melihat bahwa ada kaitan tertentu antara tegangan dan arus yang mengalir pada dioda, berdasarkan atas kenyataan ini maka kita dapat menyimpulkan bahwa sesungguhnya dioda memiliki resistansi dalam ( internal resistance).
Resistansi dalam yang dimiliki oleh dioda adalah tidak sama untuk arus AC maupun DC yang diberikan oleh dioda sehingga dalam kaitan dengan sifat ini maka terdapat dua definisi resistansi internal dioda yaitu DC Plate Resistance dan AC Plate Resistance. DC Plate resistance adalah resistansi dioda yang diukur ketika pada dioda dberikan tegangan DC, sedangkan AC Plate resistance ialah resistansi dioda yang diukur ketika pada dioda diberikan tegangan AC.
Untuk lebih memahami proses perhitungan resistansi dioda dapat anda lihaat gambar 12 berikut ini.
Figure 12.A menampilkan grafik untuk mengukur DC Plate resistance dari dioda dimana DC Plate resistance dari dioda (Rb) ialah Rb= 0A/0B
Figure 12.b menampilkan perhitungan AC Plate resistance dari dioda, karena tegangan AC adalah bersifat dinamik atau berubah ubah nilainya setiap saat maka perhitungan AC Plate resistance harus dilakukakan juga dengan memperhatikan perubahan tegangan dan arus dioda pada beberapa keadaan dalam hal ini ialah selisih perubahan tegangan arus dan tegangan dioda.
AC Plate resistance (rb) berdasarkan Figure 12.B ialah rb= (BC/YZ)
Pertama kali dioda ditemukan oleh seorang ilmuwan Amerika yang bernama
Dr. Lee De Forest (1873-1961) pada tahun 1906, dengan menambahkan sebuah elektroda tambahan yang diberi nama control grid diantara katoda dan plate dari dioda yang sebelumnya telah dicipatakan oleh J.A Fleming.
Struktur dan simbol trioda dapat dilihat pada Figure 13. Sesuai dengan namanya maka trioda memiliki tiga buah elektroda yaitu katoda, grid dan plate.
Katoda berada pada pusat dari trioda dan dikelilingi oleh grid yang berbentuk anyaman kawat melingkar. Antara setiap lapisan anyaman grid terdapat celah yang cukup besar yang memungkinkan mengalirnya elektron menuju plate. Sedangkan plate melingkupi katoda, grid dan juga filament.
Pada trioda grid berperan dalam mengatur aliran elektron yang menuju ke plate dengan memanfaatkan perubahan kondisi tegangan yang ada padanya.
Untuk dapat memahami peranan grid dalam mengatur aliran elektron anda dapat megamati gambar 14 berikut ini.
Ketika grid berada pada tegangan dibawah 0V atau negatif maka muatan negatif yang ada pada grid akan menolak elektron untuk beremisi menuju plate sehingga tidak ada ataupun hanya sedikit sekali elektron yang dapat beremisi menuju plate.
Pada situasi ini ada nilai tegangan negatif tertentu yang jika diberikan pada katoda maka tidak ada sama sekali elektron yang dapat mengalir dari katoda menuju plate, tegangan ini dinamakan "grid cutt of voltage".
Ketika grid berada pada tegangan 0V maka elektron mulai dapat beremisi menuju plate, hal ini disebabkan karena pada tegangan 0 yang relatif lebih positif terhadap muatan elektron yang negatif maka tidak ada daya tolak dari muatan di grid terhadap elektron di katoda yang akan beremisi menuju plate.
Ketika grid berada pada tegangan positif maka muatan positif yang ada pada grid akan menarik elektron pada katoda untuk kemudian beremisi melewati celah celah yang ada pada anyaman grid menuju plate. Semakin positif tegangan grid maka akan semakin besar pula elektron yang mengalir dari plate.
Catatan : Pada pembahasan mengenai trioda dan seterusnya saya akan
menggunakan Ec untuk menyatakan tegangan grid, Eb untuk
menyatakan tegangan Plate, dan Ib untuk menyatakan arus plate
* Karakteristik Tabung
Ada dua buah karakteristik penting dari trioda yaitu Plate Characteristik dan Mutual Characteristic. Karkteristik ini dapat dilihat pada Figure 16 dan 17.
Sedangkan rangkaian uji untuk mendapatkan kedua karakteristik tersebut dapat dilihat pada Figure 15.
Dalam Figure 15 anda dapat melihat bahwa pada bagian grid dan plate dari tabung diberikan supply dua buah tegangan DC variable tersendiri, yang bertujuan untuk mendapatkan tegangan tertentu dari grid dan plate. Tegangan grid, tegangan plate dan juga arus plate diukur dengan meter tersendiri. Dari rangkaian inilah dapat diperoleh plate karakteristik dan mutual karakteristik.
Plate Characteristic menggambarkan koorelasi antara tegangan plate dan arus plate pada nilai tegangan grid tertentu, sedangkan Mutual characteristic memberikan hubungan antara tegangan grid dan arus plate pada nilai tegangan plate tertentu. Dalam kenyataannya kedua karakteristik ini banyak digunakan untuk merancang rangkaian elektronik tabung.
* Konstanta Tabung Hampa
Tabung memiliki beberapa konstanta yang seringkali perlu digunakan dalam proses perancangan rangkaian, konstanta tersebut ialah :
- Faktor penguatan (mu)
Konstanta mu menunjukkan sejauh mana tegangan pada grid dapat menentukan
terjadinya perubahan pada tegangan plate. Berdasarkan definisinya mu ialah
rasio perubahan kecil perubahan tegangan plate terhadap perubahan kecil
tegangan grid pada arus plate yang konstan.
Dalam bentuk Formula : mu = d(Ep)/d(Ec) ----> untuk d(Ib) = 0
- Transkondutansi (gm)
Konstanta transkonduktansi menunjukkkan sejauh mana tegangan grid dapat
mempengaruhi terjadinya perubahan arus plate. Berdasarkan definisinya gm
ialah rasio perubahan kecil arus plate terhadap perubahan kecil pada tegangan
grid pada tegangan plate yang konstan
Dalam bentuk formula gm = d(Ib)/d(Ec) ----> untuk d(Eb)= 0
- Plate Resistance (rp)
Transkonduktansi ialah rasio perubahan kecil pada tegangan plate terhadap
perubahan kecil pada arus plate .
Dalam bentuk formula rp = d(Eb)/d(Ib) ----> untuk d(Ec)= 0
- Hubungan antara mu gm, dan rp
mu = d(Ep)/d(Ec) ...........................................................Persamaan 1
Pada persamaan 1 tersebut kita kalikan dengan 1 atau d(Ib)/d(Ib) sehingga persamaan 1 menjadi
mu = d(Ep)/d(Ec) X d(Ib)/d(Ib)................................Persamaan 2
Lalu persamaan 2 kita modifikasi menjadi
mu = d(Ib)/d(Ec) X d(Ep)/d(Ib).................................Persamaan 3
dimana d(Ib)/d(Ec) = gm dan d(Ep)/d(Ib) = rp
sehingga persamaan 3 dapat kita tulis sebagai :
mu = gm x rp .................................Persamaan 4
* Kelemahan kelemahan tabung trioda
Ketika pertama kali ditemukan oleh Dr. Lee De forest tabung trioda memberi banyak harapan untuk pengembangan lebih lanjut dalam bidang elektronika yang sebelumnya tak pernah terpikirkan oleh para ilmuwan. Namun trioda masih memiliki dua kelemahan yaitu
a) Faktor penguatan, faktor penguatan dari trioda dianggap masih terlalu rendah
untuk kebanyakan penerapan rangkaian elektornika, sampai saat ini trioda
yang pernah saya temukan hanya mampu mencapai faktor penguatan 100 yaitu
tabung trioda type 12AX7
b) Adanya interelectrode capacitance antara ketiga elektroda pada tabung trioda.
kapasitansi tersebut ialah Cgk ( antara grid dan katoda) , Cgp (antara grid dan
plate), dan Cpk (antaran plate dan katoda).
Nilai dari interelectrode capacitance ini adalah kecil yaitu berkisar 2 sampai 12 picofarad, dan tidak berpengaruh banyak ketika tabung trioda beroperasi pada frekuensi rendah namun pada frekuensi tinggi sifat kapasitansi tersebut dapat berpengaruh terutama Cgp yang berperan sebagai kapasitansi umpan balik dari plate ke grid yang berakibat menurunkan penguatan pada frekuensi tinggi sehingga trioda kurang bagus untuk digunakan dalam aplikasi frekuensi tinggi.
Catatan Tentang kelemahan trioda
Kelemahan trioda yang saya uraikan di atas adalah kalau dilihat dari aplikasi tabung trioda dalam bidang elektronika secara umum, akan tetapi khusus dalam bidang audio, saya sendiri dan juga banyak penggemar high end berpendapat bahwa trioda memiliki karakter suara yang paling "sweet" dibandingkan dengan type tabung hampa lainya. Kebenaran tentang pendapat ini dapat kita pertimbangkan sambil melihat pada kenyataan bahwa saat ini sudah mulai banyak produsen high end yang memproduksi penguat dengan menggunakan tabung trioda seperti misalnya penguat single ended trioda yg menggunakan tabung trioda type 300B yang pada saat ini sedang populer. Kelemahan tabung trioda dalam hal aplikasi frekuensi tinggi dan penguatan yang rendah tidak terlalu bermasalah pada aplikasi penguat audio yang memang bekerja pada frekuensi yang relatif rendah yaitu maksimum 20kHz dan juga tidak selalu rangkaian penguat audio membutuhkan penguatan yang tinggi sekali.
Tetrode ialah tabung yang memiliki 4 buah elektroda yaitu katoda, control grid, plate dan screen grid sebagai elektroda tambahan yang tidak dimiliki oleh trioda. Struktur dan simbol dari tetroda dapat dilihat pada Figure 19.
Tujuan dibuatnya tetroda ialah untuk mengatasi kelemahan pada trioda dalam hal interelectrode capacitance, terutama pada Cgp yaitu kapasitansi antara grid dan plate yang mengakibatkan terjadinya negatif feedback pada frekuensi tinggi dan berakibat trioda tidak dapat bekerja dengan baik pada frekuensi tinggi. Cara yang digunakan para tetroda untuk mengurangi Cgp ialah dengan menyisipkan electroda tambahan diantara control grid dan plate. Electroda ini dinamakan screen grid atau sering juga disebut grid No. 2. Pada Figure 20 dapat dilihat bahwa penambahan screen grid mengakibatkan Cgp yang pada trioda adalah kapasitansi langsung antara grid dan plate kini menjadi dua buah kapasitansi seri antara control grid dengan screen grid (C1) dan screen grid dengan plate (C2), dimana nilai total antara C1 dan C2 secara seri adalah lebih kecil daripada nilai Cgp. Pengecilan nilai terjadi karena jika dua buah kapasitor diseri maka nilai totalnya akan menjadi lebih kecil.
Screen grid pada tetroda selain beperan dalam mengurangi interelectroda capacitance juga berperan dalam melindungi control grid terhadap pengaruh medan listrik plate sehingga pada tetroda perubahan tegangan plate tidak terlalu mempengaruhi arus plate, hal ini dapat dilihat pada grafik karakteristik plate yang tidak terlalu menanjak.
Ketika tetroda beroperasi elektron dari katoda mengalir melewati celah yang ada pada anyaman control grid menuju plate akan tetapi karena karena screen grid juga memiliki tegangan yang cukup positif (lebih kecil dari tegangan plate) maka akan ada pula sebagian elektron dari katoda yang tertarik oleh screen grid, tetapi arus screen grid ini tidak terlampau besar dan tidak berpengaruh dalam mengurangi arus plate secara keseluruhan.
* Karakteristik Tetroda
Rangkaian uji untuk mendapatkan karakteristik plate pada tetroda dapat dillihat pada Figure 21 berikut ini.
Pada Figure 21 terlihat ada tiga buah sumber tegangan yang berbeda yaitu tegangan control grid (Ec), tegangan screen grid (Esg), dan tegangan plate (Eb) beserta meter untuk mengukur ketiga tegangan tersebut dan juga arus plate. Percobaan ini dilakukan pada tegangan screen grid yang tetap, sedangkan tegangan control grid diubah ubah nilainya. Pada setiap tegangan control grid yang tertentu tegangan plate dinaikkan secara bertahap dari 0 V sampai pada suatu nilai tertentu yang diperbolehkan bagi tetroda yang bersangkutan. Dari hasil percobaan ini akan didapat plate karakteristik seperti terlihat pada Figure 22 berikut.
Karakteristik tersebut dapat dijelaskan berdasarkan potongan kurva sebagai berikut ini :
Kurva a-b
Pada bagian ini terlihat bahwa terjadi kenaikkan arus plate bersamaan dengan kenaikkan tegangan plate
Kurva b-c
Pada bagian ini terjadi penurunan arus walaupun tegangan plate dinaikkan. Terjadinya hal ini dikarenakan adanya emisi sekunder pada pada plate. Ketika elektron dari katoda beremisi melewati control grid menuju plate, maka setelah sampai di plate elektron tersebut akan menumbuk elektron yang ada pada permukaan plate sehingga elektron pada permukaan plate terpental keluar. Oleh karena adanya screen grid yang pada saat ini memiliki tegangan yang lebih tinggi dari plate maka elektron hasil emisi sekunder lebih cenderung ditarik oleh screen grid yang memiliki tegangan yang lebih tinggi dari plate. Akibat mengalirnya elektron dari katoda ke screen grid maka arus plate juga menurun.
Proses emisi sekunder sesungguhnya juga terjadi pada trioda ketika elektron dari katoda menjangkau plate, namun karena trioda tidak memiliki screen grid maka elektron tersebut akan ditarik lagi oleh plate.
Kurva c-d
Pada bagian ini tegangan plate sudah melampaui tegangan screen grid sehingga elektron yang dihasilkan pada proses emisi sekunder di plate cenderung tertarik ke plate yang tegangannya sudah lebih tinggi daripada tegangan screen grid, akibatnya arus plate naik bersamaan dengan naiknya tegangan plate.
Kurva d-e
Pada bagian ini kurva sudah mendatar hal ini disebabkan karena kenaikkan tegangan plate sudah tidak lagi berpengaruh pada arus plate (untuk tegangan control grid yang sama). Arus plate yang stabil disebabkan karena screen grid saat ini berperan sebagai electrostatic shield atau pelindung electrostatis bagi control grid terhadap medan listrik dari plate.
* Konstanta Tetroda
- Mu
Tetroda memiliki Mu yang besar daripada Trioda yaitu bisa melebihi 100. Hal
ini disebabkan karena tegangan plate tidak berpengaruh banyak terhadap
perubahan arus plate.
- rp
Tetroda memiliki plate resistance yang tinggi ini juga merupakan efek dari
Electrostatic shield yang diberikan oleh screen grid. Pada kenyataanya plate
resistance dari tetroda bisa mencapai 100 kohm.
- gm
Dari persamaan 14 kita dapat melihat hubungan mu= gm x rp sehingga gm =
mu/rp karena mu dan rp pada tetroda juga tinggi maka gm dari tetroda kurang
lebih adalah sama dengan gm pada trioda secara umum.
Ketika tetroda menangani tegangan bolak balik maka tegangan pada plate akan berubah ubah naik dan turun seiring dengan naik turunya tegangan AC yang ditangani oleh tetroda tsb. Ada suatu keadaan dimana tegangan plate akan turun sampai menjangkau bagian b-c pada karakteristik plate. Ketika menjangkau bagian ini tentu saja sinyal keluaran dari teteroda akan cacat. Efek ini dinamakan "Dynatron Efect".
Pentode
Pentode dikembangkan dari tetrode dengan menambahkan elektroda ke 5 yaitu suppresor grid, sehingga pentoda memiliki lima buah elektroda yaitu katoda, control grid (g1) screen grid (g2), suppressor grid (g3) dan plate. Tujuan disisipkannya suppressor grid pada pentoda ialah untuk mencegah terjadinya emisi sekunder pada plate yang berakibat menurunkan arus plate, seperti yang dapat dilihat pada plate karakteristik tetroda tepatnya pada potongan kurva b-c. Dalam konstruksi pentoda, suppressor grid dihubungkan ke katoda sehingga memiliki tegangan yang negatif terhadap elektroda lainnya. Ketika elektron dari katoda mendarat pada plate dan menumbuk elekton yang ada pada permukaan plate maka elektron yang ada pada plate akan terlepas keluar dan terjadilah emisi sekunder. Pada tetroda elektron hasil emisi sekunder ini akan ditarik oleh screen grid untuk kemudian menjadi arus screen grid sehingga kemudian mengurangi arus plate. Akan tetapi dengan adanya suppressor grid yang betegangan negaatif pada pentoda maka muatan negatif yang ada pada suppressor grid akan menolak elektron dari emisi sekunder tersebut untuk menuju ke screen grid sehingga elektron tersebut ahirnya kembali ke plate dan pengurangan arus plate seperti pada plate karakteristik tetroda ( kurva b-c) dapat dihindari untuk mengahasilkan kurva yang mendatar pada bagian ini.
Rangkaian uji untuk mendapatkan plate karakteristik pentoda adalah sama seperti yang digunakan pada tetroda, yaitu seperti pada Figure 21 (lihat tetrode), namun dengan mengganti tetroda dengan pentoda.
Contoh plate karakteristik pentoda dapat dilihat pada Figure 24. berikut ini.
Hal dapat dilihat sebagai ciri daripada karakteristik pentoda adalah sebagai berikut ini :
1) Pada sebagian besar kurva karakteristik terlihat bahwa untuk tiap tegangan
grid tertentu arus plate tidak terlalu atau sangat sedikit sekali dipengaruhi
oleh tegangan plate. Atas dasar inilah maka pentoda sering disebut sebagai
peralatan yang memiliki sifat sebagai sumber arus konstan.
2) Penurunan arus plate sebagai akibat dari emisi sekunder tidak terlihat pada
karakteristik pentoda
3) Karakteristik yang tidak linier hanya terjada pada daerah lutut (knee)
daripada plate karakteristik.
| Jenis Tabung | Triode | Tetrode | Pentode | |
| 1 | Amplification Factor (mu) | 10-100 | Sekitar 500 | 1000 - 5000 |
| 2 | Plate Resistance (rp) | 300 - 1k ohm | 70 - 1k ohm | 0.5 - 2 Mohm |
| 3 | Transkonductance (gm) | Sekitar 2500 uS | Sekitar 1000 uS | 1000 - 9000 uS |
dikutip dari;www.SAP.or.id
Tidak ada komentar:
Posting Komentar