Solusi Pekerjaan Rumah #2 Pemodelan Dioda EL2005 Elektronika Sem 2 2013-2014 1. Gambarkan sketsa kurva (grafik) arus terhadap tegangan untuk elemen rangkaian berikut: a. Rangkaian hubung singkat b. Rangkaian terbuka c. Sumber arus -1mA d. Sumber tegangan 1V e. Resistor 200 Persamaan empirik yang menyatakan hubungan arus terhadap tegangan dioda junction pn menurut Schotky adalah sebagai berikut:
Bila diketahui ISS = 0,2pA, VT = 25mV dan n = 1, f.
Gambarkan kurva (grafik) arus terhadap tegangan untuk vD bernilai besar negatif (misalkan 0,5V hingga -10). Apabila pada dioda tersebut diberikan sinyal tegangan dinamik antara -5V hingga -3V, berapakah arus yang diperoleh? Bandingkan dengan sketsa a-e di atas, kurva IV elemen apakah yang menyerupai kurva ini? Jelaskan. g. Gambarkan juga kurva untuk vD bernilai besar (misalkan -20V hingga 20V). Bandingkan dengan sketsa a-e di atas, kurva IV elemen apakah yang menyerupai kurva ini? Berikan komentar saudara. h. Gambarkan juga urva untuk vD sinyal dinamik kecil positif dengan perubahan yang kecil antara 0,595V hingga 0,605V. Hubungan arus tegangan seperti apa yang digambarkan kurva tersebut? Bandingkan dengan sketsa a-e di atas, kurva IV elemen apakah yang menyerupai kurva ini? Jelaskan jawaban saudara. Jawab a. Rangkaian hubung singkat b. Rangkaian terbuka i
i
v
0
c. Sumber arus -1mA
v
d. Sumber tegangan 1V
i [mA]
0 -1
0
i [mA]
V [V]
0 1
v [V]
e. Resistor 200
f.
vD antara -10V s.d -0,5V menyerupai sumber arus (gambar c) 0,2pA
i [mA]
0,1
vD [V]
slope 1/200
0
-10
v [V]
iD [pA]
0 -8
-6
-4
-2
0 -0,1 -0,2 -0,3 -0,4 -0,5
g. vD antara -20V s.d 20V menyerupai rangkaian terbuka mulai -20V hingga 0,6V dan sumber tegangan pada 0,6V
h. vD antara 0,595V s.d. 0,605V menyerupai resistor (garis lurus) yang tergeser ke atas (tidak melalui 0,0) dengan slope 1/4,7 10
5
iD [A]
4 3
6
2
4
1
2
vD [V]
0 -20
-10
iD [mA]
8
slope 1/4,7 vD [V]
0 0
10
20
0,59
0,595
0,6
0,605
0,61
2. Perhatikan rangkaian berikut ini
D
vA
2k 2k
1k
vB
a. Tentukan vB=VB bila vA=VA=-10V dan dioda D ideal b. Tentukan vB=VB bila vA=VA=10V dan dioda D ideal c. Tentukan vB=VB bila vA=VA=-10V dan dioda D mempunyai tegangan cut-in 0,6V d. Tentukan vB=VB bila vA=VA=10V dan dioda D mempunyai tegangan cut-in 0,6V e. Tentukan vB=VB bila vA=VA=-10V dan dioda D mempunyai IS=5fA, n=1, dan VT=25mV f.
Tentukan vB=VB bila vA=VA=10V dan dioda D mempunyai IS=5fA, n=1, dan VT=25mV
g. Tentukan vB bila vA=-10+0,005 sin(t) V dan dioda D mempunyai IS=5fA, n=1, dan VT=25mV h. Tentukan vB bila vA=10+0,005 sin(t) V dan dioda D mempunyai IS=5fA, n=1, dan VT=25mV Jawab a. Dengan VA=-10V dan dioda D ideal maka dioda D reverse bias menjadi rangkaian terbuka sehingga tidak ada arus ke resistor 1k seperti digambarkan pada rangkaian berikut:
D
VA
2k 2k
1k
VB
Dengan demikian dengan mudah diperoleh
b. Dengan VA=10V dan dioda D ideal maka dioda D forward bias menjadi hubung singkat dan rangkaian menjadi rangkaian pembagi tegangan resistor 2k dengan resistor 2k||1k sehingga rangkaian dapat disederhanakan menjadi
D 2k 2k
VA
1k
VB
Dari rangkaian tersebut dapat dihitung:
c. Dengan VA=-10V dan dioda D ideal dengan tegangan cut-in 0,6V maka dioda D masih reverse bias seperti pada a. Akibatnya tidak ada arus ke resistor 1k.
d. Dengan VA=-10V dan dioda D ideal dengan tegangan cut-in 0,6V maka dioda D forward bias menjadi sumber tegangan 0,6V sehingga rangkaian menjadi
D
VA
2k 2k
0,6V
1k
VB
Dengan menggunakan cara menggantikan rangkaian sumber tegangan dan kedua resistor 2k untuk memperoleh rangkaian dengan hanya satu loop. Tegangan pada resistor 1k dengan mudah dapat dihitung
e. Dengan VA=-10V dan dioda D dioda D mempunyai IS=5fA, n=1, dan VT=25mV maka dioda D reverse bias sehingga dapat dimodelkan sebagai sebuah sumber arus sehingga rangkaian dapat digambarkan sebagai berikut
D
VA
f.
2k 2k
5fA
1k
VB
Dengan VA=10V dan dioda D dioda D mempunyai IS=5fA, n=1, dan VT=25mV maka dioda D forward bias. Tegangan vB dicari dengan terlebih dahulu mencari arus dioda. Untuk menudahkan mencari arus dioda rangkaian sumber tegangan dan kedua resistor diubah menjadi rangkaian pengganti theveninnya. Selanjutnya resistansi thevenin diserikan dengan resistor 1k sehingga diperoleh rangkain yang terdiri dari sumber tegangan thevenin, satu resistor dan satu dioda dalam satu loop.
D 1k
½ vA
1k
vB
Dari KVL rangkaian dapat diperoleh dua persamaan berikut
Dari hubungan arus tegangan dioda didapat
Dari kedua persamaan ini dilakukan iterasi untuk memperoleh arus dioda, sbb.: Iterasi Keterangan VD [V] ID [mA] 1 0,700000 2,150000 vD=0,7V tebakan awal 2 0,709912 2,145044 3 0,709855 2,145073 Perubahan relatif < 10-4 Dengan demikian arus pada dioda sebesar 2,145mA dan tegangan pada resistor 1k dapat diperoleh
g. Pada keadaan vA=-10+0,005 sin(t) V dioda tetap dalam keadaan reverse bias. Adanya sinyal kecil tidak mempengaruhi keadaan rangkaian (tetap sama seperti pada e)
h. Dari hasil f di atas telah diperoleh arus DC pada dioda ID = 2,145mA dengan demikian rangkaian ekivalen untuk sinyal kecil ac dioda tersebut dapat dihitung
Rangkaian ekivalen untuk sinyal kecil dapat digambarkan sbb,:
D
va
2k 2k
11,66 1k
vb
Tegangan sinyal kecil vb pada resistor 1k dapat dihitung dengan terlebih dahulu menyederhanakannya dengan menggantikan sumber dengan kedua resistor 2kW dengan rangkaian ekivalen Theveninnya. Dengan demikian diperoleh
Tegangan lengkap pada resistor 1k dapat dihitung
