BAB II Dioda dan Rangkaian Dioda 2.1. Pendahuluan Dioda adalah komponen elektronika yang tersusun dari bahan semikonduktor tipe-P dan tipe-N sehingga mempunyai sifat dari bahan semikonduktor sebagai berikut. Apabila dioda mendapat sumber tegangan luar dimana sisi-P mendapat polaritas positip (+) dan sisi-N mendapat polaritas negatip (-) yang dinamakan arah maju (forward bias) maka akan mengalir arus pada dioda. Sebaliknya apabila sisi-P mendapat polaritas negatip (-) dan sisi-N mendapat polaritas positip (+) yang dinamakan arah balik (reverse bias) maka tidak ada arus yang mengalir pada dioda. Sifat diatas apabila dioda dianggap ideal yaitu tidak ada tegangan drop (melintas) pada dioda dan tidak mempunyai resistansi dalam. Sisi-P dari dioda dinamakan Anoda (A) dan sisi-N dinamakan Katoda (K).
Gambar 2.1. Dioda semikonduktor dan simbol dioda
Rangkaian ekivalen dari dioda yaitu : 1. Rangkaian ekivalen model 1. Pada model ini dioda seperti rangkaian saklar saja yaitu jika arah maju (forward bias) maka seperti saklar yang nyambung sedangkan jika arah balik (reverse bias) seperti saklar yang terbuka pada gambar 2.2. (a). 2. Rangkaian ekivalen model 2. Pada model ini dioda seperti saklar yang seri dengan sumber tegangan sebesar Vb. Apabila sumber tegangan luar pada arah maju (forward bias) lebih besar dari Vb maka saklar akan sambung dan arus mengalir tetapi apabila tegangan luar lebih kecil dari Vb maka saklar terbuka dan tidak ada arus mengalir melewati dioda gambar 2.2. (b). 3. Rangkaian ekivalen model 3. Pada model ini dioda seperti saklar yang seri dengan sumber tegangan sebesar Vb dan seri dengan resistansi dalam dari dioda sebesar rd. Prinsip kerjanya seperti model 2 seperti pada gambar 2.2. (c). `
1
Gambar 2.2. Rangkaian ekivalensin dioda arah maju (forward bias) (a)model 1 (b)model 2 (c)model 3
Gambar 2.3. a)Dioda ideal dalam arah maju (forward bias) b)rangkaian ekivalensinya
Gambar 2.4. a)Dioda ideal dalam arah balik (reverse bias) b)rangkaian ekivalensinya
Kelakuan secara umum dari dioda adalah bahwa aliran arus pada dioda persambungan p-n biasanya berbasis pada analisa gradient kepadatan pembawa muatan minoritas pada sisi daerah transisi. Arus pada dioda terdiri dari komponen injeksi I komponen saturasi balik (reverse) I
i yang sensitip terhadap potensial persambungan dan
s yang tidak terpengaruh potensial persambungan. Pada
qV temperature T, arus injeksi I mempunyai bentuk Ae kT dan arus saturasi balik (reverse) sebesar I i s yang negatip dan konstan. `
2
qV Arus totalnya adalah I = I − I = A.e kT − I i s s
(1)
Pada kondisi rangkaian terbuka dimana V = 0 adalah
I = 0 = A.e 0 − I s
sehingga A = I
s
qV Sehingga arus dioda sesuai persamaan (1) adalah I = I (e kT − 1) s
(2)
qV ηkT − 1) dimana η (eta) adalah suatu konstanta antara Persamaan umum dari dioda adalah I = I (e s 1 sampai 2 . Biasanya untuk silikon η =1 dan untuk germanium η =1,2 dan umumnya sama dengan 1.
(
)
Pada suhu kamar T = 300 0 K untuk bahan silikon maka
q ≅ 40 sehingga persamaan arus dioda ηk .T
pada persamaan (2) menjadi I = I (e 40V − 1)
(3)
s
Arus saturasi balik ( I ) tidak tergantung pada potensial persambungan tetapi tergantung pada
s
temperature. Untuk bahan silicon atau germanium maka nilai I
s naik menjadi dua kali setiap
temperaturnya naik sebesar 10 0 C.
2.5. Karakteristik Arus-Tegangan pada dioda persambungan `
3
Dari grafik karakteristik dioda didapatkan data dua mode kerja dari dioda yaitu mode forward (maju) dan reverse (balik). Pada mode kerja maju (forward) maka pada anoda mendapat sumber tegangan (+) dan pada katoda mendapat sumber tegangan(-) sehingga begitu ada kenaikan tegangan sedikit saja apalagi jika diatas tegangan dalam dioda maka arus yang lewat dioda berubah sangat besar seperti persamaan (3). Tetapi untuk mode kerja pada reverse yaitu pada anoda mendapat tegangan (-) dan pada katoda mendapat tegangan (+) maka arus yang lewat kecil sekali dan namanya arus saturasi balik (reverse). Apabila tegangan diperbesar arus yang lewat masih kecil dan apabila diperbesar terus sampai titik tegangan breakdown (Vb) maka arus sangat besar dan dioda menjadi rusak. Dioda mempunyai tegangan balik maksimum yang dinamakan sebagai PIV (peak inverse voltage). Jadi dalam pemasangan dioda tidak boleh terbalik. Apabila terjadi kesalahan pemasangan jika tegangan yang melintas dioda masih lebih kecil dari PIV maka dioda tidak mengalami kerusakan. Ada dioda yang memanfaatkan mode kerja terbalik (reverse) yaitu dinamakan dioda zener. Dan nilai tegangan baliknya adalah Vz.
Contoh-1 : Dioda persambungan p-n dari Silikon (Si) pada temperature kamar mempunyai arus sebesar 100µA pada tegangan sebesar -1 volt. Hitunglah magnitude dari arus pada temperature kamar pada tegangan -0,2 volt dan pada +0,2 volt. Hitung juga apabila temperaturnya naik 20 o C di atas temperature kamar.
Penyelesaian : Arus pada tegangan -1 volt adalah sebagai arus saturasi balik (Is) dan besarnya I = 100µA .
s
− 8 − 1 = 100(0 − 1) = −100 µA . Pada tegangan -0,2 volt maka I = I (e 40V − 1) = I e s s 8 Pada tegangan +0,2 volt maka I = I (e 40V − 1) = I e − 1 = 100(3000 − 1) µA ≅ 0,3 A . s s Temperatur naik di atas 20 o C berarti I
s naik empat kali menjadi I s = 400µA .
Arus pada tegangan -1 volt adalah sebagai arus saturasi balik (Is) dan besarnya I = 400µA .
s
− 8 − 1 = 400(0 − 1) = −400µA . Pada tegangan -0,2 volt maka I = I (e 40V − 1) = I e s s 8 Pada tegangan +0,2 volt maka I = I (e 40V − 1) = I e − 1 = 400(3000 − 1) µA ≅ 1,2 A . s s `
4
2.2. Rangkaian Dioda dan Garis Beban (Load Line) Rangkaian sederhana dari dioda terdiri dari rangkaian seri dari sumber tegangan (Vs), tahanan pembatas arus (Rs) dan dioda pada arah maju (forward bias) seperti gambar 2.6. Apabila tegangan dalam (built in) atau tegangan drop dioda sebesar V maka persamaan arusnya adalah I =
Vs − V . Rs
Persamaan ini apabila digambar pada grafik karakteristik arus-tegangan dari dioda maka akan didapat garis lurus yang dinamakan garis beban dan titik potong dengan karakteristik dioda maka didapat titik operasi (Q).
Gambar 2.6. Rangkaian dioda
Contoh-2, pada gambar 2.6. datanya adalah Vs sama dengan 5 V, Rs sama dengan 200 ohm. Persamaan arus atau garis bebannya adalah I = Apabila V = 0 volt maka didapat arus I =
Vs − V 5 −V atau I = Rs 200
(4)
5−0 = 25mA . Arus ini dinamakan arus jenuh (saturasi). 200
Titik potong ini terletak pada titik A yaitu (0 V, 25 mA) dan titik A dinamakan titik saturasi (jenuh). Apabila V = 5 volt maka didapat arus I =
5−5 = 0mA . Tegangan yang menyebabkan arusnya sama 200
dengan nol dinamakan tegangan potong (cutoff). Titik potong ini dinamakan titik cutoff yang terletak di B yaitu (5 V, 0 mA). Apabila garis beban tersebut berpotongan dengan kurva dioda maka titik potongnya dinamakan titik operasi dan dari grafik gambar 2.7. titik Q berada di (1,9 V & 16 mA). Titik potong dengan sumbu vertikal dan sumbu horizontal dinamakan titik ujung garis beban (titik A dan B). Gambar grafik lengkapnya pada gambar 2.7. seperti berikut,
`
5
Gambar 2.7. Grafik garis beban memotong kurva dioda di titik operasi (Q)
Contoh-3, Apabila data dari gambar 2.6 diubah menjadi Vs = 10 volt dan Rs = 500 ohm, maka titik ujung dari garis beban adalah : Titik saturasi terjadi apabila V =0 volt sehingga I = Titik cut-off terjadi apabila I = 0 sehingga I =
10 − 0 = 20mA dan titiknya adalah (0 V, 20 mA). 500
10 − 10 = 0mA dan titiknya adalah (10 V, 0 mA). 500
Tahanan dari dioda ada dua yaitu tahanan arah maju (forward) dan tahanan arah balik (reverse). Tahanan arah maju disimbolkan dengan R dengan rumus R
RR =
F
yang didapat dari kurva dioda pada daerah forward
V , demikian juga tahanan arah balik disimbolkan dengan R dan rumusnya = F I R
V yang didapat dari kurva dioda pada daerah reverse. I
Contoh-4, Dioda tipe 1N914 pada daerah forward mempunyai data 10 mA pada 0,65 V; 30 mA pada 0,75 V; 50mA pada 0,85 V. Pada daerah reverse datanya 25 nA pada 20 V ; 5 uA pada 75 V. Ditanyakan : Tahanan arah maju R Penyelesaian : R
V 0,65V V 0,75V V 0,85V ; R = = ; R = = = = = 65 Ω = 25 Ω F I 10mA F I 30mA F I 50mA = 17Ω
RR = `
F dan tahanan arah balik RR .
V 20V V 75V = = 800 MΩ ; RR = = = 15MΩ I 25nA I 5µA 6
2.3. Rangkaian Pemotong/Penggunting (Clipper) Rangkaian pemotong (clipper) adalah rangkaian yang tegangan sinyal output sama (proporsional) dengan tegangan sinyal input dan akan dipotong pada nilai tertentu. Rangkaian pemotong (clipper) terdiri dari pemotong positip, pemotong negatip dan pemotong positip-negatip. Rangkaian pada gambar 2.8. dinamakan rangkaian pemotong positip (positip clipper) karena tegangan sinyal input positipnya yang dipotong. Apabila ada tegangan drop pada dioda sebesar Vb maka apabila Vi > Vb maka tegangan sinyal output sama dengan Vb sedangkan yang lainnya tegangan output (Vo) sama dengan tegangan input (Vi) seperti pada gambar (b). Jika dioda dianggap ideal maka tegangan output seperti pada gambar (c).
Gambar 2.8. Rangkaian pemotong positip (positip clipper)
Rangkaian pada gambar 2.9. dinamakan rangkaian pemotong level tegangan positip (positip voltage level clipper) karena tegangan sinyal input positipnya yang dipotong pada level tegangan tertentu. Apabila ada tegangan drop pada dioda sebesar Vb maka apabila Vi > (V1+Vb) maka tegangan sinyal output sama dengan (V1+Vb) sedangkan yang lainnya tegangan output (Vo) sama dengan tegangan input (Vi) seperti pada gambar (b). Jika dioda dianggap ideal maka tegangan output apabila Vi > V1 maka tegangan positipnya di potong pada +V1 dan lainnya tegangan output (Vo) sama dengan Vi seperti pada gambar (c).
`
7
Gambar 2.9. Rangkaian pemotong positip pada level +V1
Dibawah ini adalah rangkaian pemotong negatip (negatip clipper) dimana pada gambar (b) untuk dioda praktis yaitu adanya tegangan drop pada dioda sebesar Vb untuk Vi < -Vb maka tegangan output dipotong pada Vo = -Vb dan gambar (c) untuk dioda ideal apabila Vi negatip maka Vo = 0.
Gambar 2.10. Rangkaian pemotong negatip (negatip clipper)
`
8
Rangkaian pemotong tegangan pada level tegangan negatip (negatip voltage level clipper) seperti tampak pada gambar 2.11. Apabila ada tegangan input dan tegangan drop pada dioda sebesar Vb maka apabila Vi < (V1+Vb) maka tegangan sinyal output dipotong pada level –(V1+Vb) sedangkan yang lainnya tegangan output (Vo) sama dengan tegangan input (Vi) seperti pada gambar (b). Jika dioda dianggap ideal apabila Vi < V1 maka tegangan negatipnya di potong pada -V1 dan lainnya tegangan output (Vo) sama dengan Vi seperti pada gambar (c).
Gambar 2.11. Rangkaian pemotong negatip pada level -V1
Gambar 2.12. Rangkaian pemotong positip dan negatip `
9
Gambar 2.13. Rangkaian pemotong positip dan negatip pada level +V1 dan –V2 Contoh-2 : Sebuah gelombang sinus vi = 20 sin ω.tV diterapkan pada rangkaian clipper dibawah. Prediksilah bentuk gelombang output jika dioda dianggap ideal. Penyelesaian : Dari gambar rangkaian maka dioda dan baterai 10 V akan memotong gelombang positip pada level +10 V sedangkan pada saat gelombang negatip akan dipotong semuanya.
Contoh-3 : Sebuah gelombang segitiga diterapkan pada rangkaian clipper. Prediksilah bentuk gelombang output jika dioda dianggap ideal. Penyelesaian :
`
10
2.4. Rangkaian Pemotong (Clipper) tipe Seri Rangkaian pemotong (clipper) tipe seri adalah rangkaian dengan sumber sinyal langsung masuk ke dioda. Rangkaian clipper tipe seri dan hubungan antara masukan (input) dan luaran (output) seperti pada gambar 2.14. sampai 2.19.
Gambar 2.14. Rangkaian negatip clipper
Gambar 2.15. Rangkaian positip clipper
Gambar 2.16. Rangkaian positip voltage level clipper `
11
Gambar 2.17. Rangkaian positip voltage level Clipper
Gambar 2.18. Rangkaian negatip voltage level clipper
Gambar 2.19. Rangkaian negatip voltage level clipper `
12
2.5. Rangkaian Clamping Rangkaian clamping adalah rangkaian yang terdiri dari kapasitor dan dioda yang berfungsi untuk menggeser sinyal masukan ke sisi positip atau ke sisi negatip tanpa merubah bentuk sinyal. Pada gambar 2.20 adalah rangkaian negatip clamping yaitu sinyal masukan (input) digeser ke sisi negatip tanpa merubah bentuk gelombang, tegangan maksimum menjadi nol. Sedangkan pada gambar 2.21. adalah rangkaian positip clamping yaitu sinyal masukan digeser ke sisi positip, tegangan minimum digeser menjadi nol.
Gambar 2.20. Rangkaian negatip clamping
Gambar 2.21. Rangkaian positip clamping `
13
2.6. Rangkaian Pengali Dua Tegangan (Voltage Doubler) Tegangan bolak-balik dengan frekuensi tertentu dan amplitudo sebesar Vm dapat dilipatkan nilai amplitudonya menjadi 2.Vm dengan menggunakan dioda dan kapasitor yang disusun seperti pada gambar 2.22. dibawah.
2.22. Rangkaian pengali dua tegangan (voltage doubler) Prinsip kerja dari pengali tegangan (voltage doubler) adalah : 1. Apabila gelombang yang masuk polaritasnya positip (yaitu antara 0 -
π ) maka dioda D1 pada
mode arah maju (forward bias) yaitu anoda mendapat positip dan katoda mendapat negatip sehingga dioda seperti saklar yang nyambung (close) dan dioda D2 pada mode arah balik (reverse bias) sehingga kapasitor C1 diisi muatan (charge) dengan polaritas positip di sisi kiri dan polaritas negatip di sisi kanan sampai sama dengan Vm seperti gambar 2.23.
Gambar 2.23. Arah arus rangkaian pengali dua tegangan setengah gelombang positip 2. Apabila gelombang yang masuk polaritasnya negatip (yaitu antara
π − 2π ) maka dioda D1
pada mode arah balik (reverse bias) yaitu anoda mendapat negatip dan katoda mendapat positip sehingga dioda seperti saklar yang terbuka (open) dan dioda D2 pada mode arah maju (forward bias) sehingga kapasitor C2 diisi muatan (charge) dengan polaritas positip pada sisi bawah dan polaritas negatip pada posisi atas sampai sama dengan 2.Vm karena kapasitor C1 membuang muatan (discharge) sehingga tegangan pada kapasitor C1 seri dengan tegangan pada sekunder trafo (Vm+Vm) seperti pada gambar 2.24.
`
14
Gambar 2.24. Arah arus rangkaian pengali dua tegangan setengah gelombang negatip
Rangkaian pengali dua tegangan (voltage doubler) juga dapat disusun seperti pada gambar 2.25.
Gambar 2.25. Rangkaian pengali dua tegangan (voltage doubler)
Prinsip kerja rangkaian di atas adalah pada setengah gelombang positip (setengah periode pertama) maka D1 pada mode arah maju dan dioda D2 pada arah balik sehingga tegangan sekunder trafo mengisi muatan (charge) kapasitor C1 sampai amplitudo Vm, sedangkan pada setengah gelombang negatip (setengah periode kedua) maka sebaliknya dioda D1 pada arah balik dan dioda D2 pada arah maju sehingga tegangan sekunder trafo mengisi muatan (charge) kapasitor C2 sampai amplitudo Vm sehingga pada titik atas C1 dengan titik bawah C2 tegangannya sama dengan 2.Vm dengan polaritas positip di atas dan polaritas negatip di bawah.
`
15
2.7. Rangkaian Pengali Tiga (Voltage Tripler) & Pengali Empat (Voltage Quadrapler) Rangkaian dari pengali tiga tegangan adalah sama seperti pengali dua tegangan ditambah satu dioda D3 dan satu kapasitor C3. Prinsip kerja pengali tiga tegangan sama seperti pengali dua tegangan yaitu untuk setengah gelombang berikutnya (setengah periode ke tiga) maka D3 pada mode arah maju dan tegangan sekunder trafo (amplitudonya Vm) seri dengan tegangan kapasitor C2 (sebesar 2.Vm) dan kapasitor C2 membuang muatannya (discharge) sehingga mengisi kapasitor C1 sebesar Vm dan mengisi kapasitor C3 sebesar 2.Vm. Tegangan seri dari C1 dan C2 sama dengan 3.Vm dimana polaritas positipnya pada ujung kiri C1 dan polaritas negatipnya pada ujung kanan C2. Gambar rangkaiannya seperti gambar 2.26.
Gambar 2.26. Rangkaian pengali tiga tegangan (Voltage Tripler) Sedangkan untuk rangkaian pengali empat tegangan yaitu sama dengan pengali tiga dengan menambah dioda D4 dan kapasitor C4 sehingga pada setengah gelombang keempat dioda D4 arah maju dan C4 diisi muatan (charge) sampai amplitudonya sama dengan 2.Vm. Besar tegangan dari ujung kiri kapasitor C2 (positip) dan ujung kanan C4 (negatip) sama dengan 4.Vm seperti gambar 2.27.
Gambar 2.27. Rangkaian pengali empat tegangan (Voltage Quadrapler) `
16
Latihan Soal : 1) Dioda persambungan p-n dari Silikon (Si) pada temperature kamar mempunyai
arus sebesar
200µA pada tegangan sebesar -1 volt. Hitunglah magnitude dari arus pada temperature kamar pada tegangan -0,3 volt dan pada +0,3 volt. Hitung juga apabila temperaturnya naik 20 o C di atas temperature kamar. 2) Sebuah gelombang sinus vi = 20 sin ω.t volt diterapkan pada rangkaian clipper dibawah. Prediksilah bentuk gelombang output jika dioda dianggap ideal.
3) Gambarkan bentuk gelombang Vo apabila Vi adalah gelombang gigi-gergaji dan dioda ideal.
`
17
4) Sebuah sinyal vi = 10 sin ω.t volt, gambarkan Vo apabila diodanya ideal.
5) Gambarkan bentuk tegangan Vc1, Vc2,Vc3, Vc4 dengan input gelombang sinus.
`
18
6) Gambarkan bentuk tegangan Vc1, Vc2, Vt dengan input gelombang sinus pada soal 5.
7) Dari soal 6 apabila nilai C1 dan C2 sama dengan 2µF , a) Berapa tegangan beban DC ideal . b) Berapa arus beban DC. c) Hitunglah ripple peak to peak (riak puncak ke puncak) 8) Berapa tegangan beban ideal ? Berapa PIV melintas setiap dioda ? Besarnya kapasitor C1 sama dengan C2 sebesar 20µF .
9) Berapa tegangan beban ideal ? Berapa PIV melintas setiap dioda ? Besarnya kapasitor C1 sama dengan C2 sama dengan C3 sebesar 0,1µF .
`
19
10) Berapa tegangan beban ideal ? Berapa PIV melintas setiap dioda ? Besarnya kapasitor C1 = C2 = C3 = C4 sebesar 0,015µF .
11) Gambarkan bentuk gelombang pada tahanan beban 300.
`
20
