Karakteristik dan Rangkaian Dioda Rudi Susanto
1
Pengantar tentang Dioda • Resistor merupakan sebuah piranti linier karena arus berbanding terhadap tegangan. Dalam bentuk grafik, grafik arus terhadap tegangan merupakan garis lurus. • Berbeda dengan resistor, dioda merupakan piranti nonlinier karena grafik arus terhadap tegangan bukan berupa garis lurus. • Saat tegangan dioda lebih kecil dari tegangan penghalang (potential barier) maka arus di dalam dioda kecil. Tetapi ketika tegangan dioda melebihi tegangan penghalang maka arus dioda akan naik dengan cepat.
2
Dioda
Devais semikonduktor yang paling sederhana Dioda adalah devais semikonduktor yang memiliki dua terminal 3
Operasi Dasar Dioda Dioda menghantarkan arus searah dengan arah yang sama dengan simbol
Namun jika arahnya berlawanan, maka dioda akan berperilaku seperti open circuit 4
Karakteristik dioda ideal – Area konduksi
Lihat garis vertikal! • Pada area konduksi, idealnya: – – – –
Tegangan pada dioda adalah 0 V. Arus yang melalui dioda adalah disesuaikan dengan rangkaian. Tahanan maju (RF) didefinisikan sebagai RF = VF/IF. Dioda berperilaku seperti short circuit. 5
Karakteristik dioda ideal – Area non-konduksi
Lihat garis horizontal! • Pada area non-konduksi, idealnya: – – – –
Semua tegangan dapat melalui dioda. Arus yang melalui dioda adalah 0A. Tahanan mundur (RR) didefinisikan sebagai RR = VR/IR. Dioda berperilaku seperti open circuit. 6
Karakteristik dioda
7
Material Semikonduktor • Bahan yang digunakan dalam pembuatan divais semikonduktor. – Silikon (Si) – Germanium (Ge)
8
Enegy level
9
Doping • Karakteristik dari Silikon dan Germanium diperbaiki dengan menambahkan material lainnya melalui proses yang dinamakan doping. • Terdapat dua tipe material tambahan, yaitu: – n-type – p-type 10
Efek Doping
11
Perbandingan n-type dan p-type • Material n-type membuat atom Silikon (atau Germanium) menjadi lebih bermuatan negatif. • Sebaliknya, material p-type membuatnya lebih bermuatan positif. • Menggabungkan n-type dan p-type akan menghasilkan p-n junction.
12
pn Junction • Dioda tanpa Bias (The Unbiased dioda)
– Sisi p mempunyai banyak hole dan sisi n banyak elektron pita konduksi. – Tidak ada tegangan luar disebut dioda tanpa bias. 13
Lapisan pengosongan (The depletion layer) • Elektron pada sisi n berdifusi ke segala arah. • Beberapa berdifusi melewati junction. • Elektron yg masuk ke daerah p, merupakan pembawa minoritas. • Elektron akan jatuh ke dalam hole, hole lenyap dn elektron pita konduksi menjadi elektron valensi. • Elektron yg berdifusi melalui junction menciptakan sepasang ion. • Pasangan ion positif dan negatif disebut dipole. • Medan antara ion ekivalen dgn perbedaan potensial. Disebut potensial barier. • Pembentukan sejumlah dipole mengakibatkan daerah dekat junction dikosongkan dari muatan yg bergerak. • Daerah kosong muatan disebut lapisan pengosongan (depletion layer).
14
Potensial Barier • Tiap dipole mempunyai medan listrik. • Anak panah menunjukkan arah gaya pada muatan positif. • Kekuatan medan bertambah dengan berpindahnya tiap elektron. • Beberapa pembawa minoritas bergesar melewati junction. Mengurangi medan yg menerimanya. • Beberapa pembawa mayoritas berdifusi melewati junction dan mengembalikan medan pada harga semula. • Potensial barier : • 0,3 V utk dioda germanium • 0,7 V utk dioda silikon
15
Jenis Dioda
16
Model Dioda • Model adalah representasi dari suatu komponen atau rangkaian yang memiliki satu atau lebih Sifat atau karakteristik. • Tiga model dioda : 1. Model Dioda Ideal 2. Model dioda Praktek 3. Model dioda Lengkap
17
1. MODEL dioda IDEAL • Model dioda ideal menggambarkan dioda sebagai saklar sederhana yang dapat tertutup ( Conducting ) ketika dibias forward maupun terbuka ( nonconducting ) ketika dibias reverse. Model ini hanya digunakan untuk menentukan tahap awal troubleshooting (proses mencari kesalahan dalam perangkat elektronik). Kondisi OPEN
Karakteristik *Infinite Resistansi Sehingga Arus nol *Tegangan penuh pada kaki dioda
CLOSED
*Resistansi nol Shg Arus Max *Tegangan nol pada kaki dioda 18
CONT. • Berdasarkan karakteristik sebuah saklar, maka dapat diperoleh : 1. Ketika dibias reverse ( Open Switch ) – dioda memilki resistansi tak terbatas ( maksimum ) – dioda tidak dialiri arus – Sumber Tegangan akan jatuh semua pada terminal dioda
2.Ketika dibias forward ( Closed Switch ) – dioda memilki resistansi nol ( minimum ) – dioda dialiri arus – Tidak ada Sumber Tegangan jatuh pada terminal dioda
19
2. MODEL DIODA PRAKTEK • Dalam model dioda ideal banyak karakteristrikkarakteristik dioda yang diabaikan. Contohnya : Tegangan maju. Tegangan maju biasanya diperhatikan dalam analisis matematika dari rangkaian dioda. Pada aplikasi rangkaian yang digunakan diasumsikan dioda yang dipergunakan dioda silikon kalau ingin mengganti dengan dioda germaniun maka tegangan maju tinggal diubah dari 0.7V menjadi 0.3V
20
3. MODEL dioda LENGKAP • Merupakan model yang paling akurat. • Menggambarkan karakteristik-karakteristik operasional dioda. • 2 faktor yang menyebabkan model ini menjadi semakin akurat adalah Resistansi Bulk.
21
Kurva Karakteristik Untuk masing-masing Model dioda IF
IF
IF
RB= ΔV / ΔI
VR
VF
IR
Model dioda IDEAL
VR
VK=0.7V
IR
Model dioda PRAKTEK
VF
VR
VK=0.7V
VF
IR
Model dioda LENGKAP
22
23
Membaca Datasheet
24
25
26
27
Membaca Datasheet Dioda 1N4001 • Seperti terlihat dalam Gambar, beberapa informasi berguna tentang dioda: Tegangan patah sebesar: 50V (Maximum repetitive peak reverse voltage). Rata-rata arus bias maju: 1A (Average rectified forward current). Tegangan maksimum pada kondisi bias maju 1A adalah 1,1V (Maximum instateneous forward voltage). Arus bias mundur maksimum: 5 A – 50 A (Maximum DC reverse currnet)
28
Menentukan Garis Beban Garis beban adalah sebuah perangkat yang dapat digunakan untuk menghitung nilai arus dan tegangan dioda dengan tepat. Perhatikan rangkaian berikut, dan kita akan menggambar garis beban dari rangkaian tersebut: Rs 100 Ohm Vs 2 V
D1
29
Persamaan Garis Beban
30
Persamaan Garis Beban
31
Persamaan Garis Beban
32
Persamaan Garis Beban ID Diode Curve
30 mA Saturation 20 mA 12,5 mA 10 mA
Q (operating point) Cutoff VD 0,75v 1V
2V 33
Titik Q Saat garis beban digabungkan dengan kurva diode, terdapat titik potong antara garis beban dan kurva dioda, yang dikenal sebagai titik Q. Q adalah singkatan dari “quiescent” yang berarti istirahat. Titik Q memerupakan penyelesaian simultan antara kurva dioda dan garis beban. Titik ini merupakan satu-satunya titik pada grafik yang berlaku untuk dioda dan rangkaian. Dengan membaca koordinat titik Q, didapatkan titik operasi (operating point) pada arus sebesar 12,5 mA dan pada tegangan dioda 0,75 V. 34
Percobaan 1 | Electronics Workbench (EWB) 1. a. b. c. d. e.
Membuktikan Grafik V-I pada dioda silikon. Langkah-langkah percobaan Buat rangkaian seperti pada gambar dibawah ini Atur tegangan pada catu daya (Vs) pada nilai 0.001 V Catat tegangan (Vd) dan arus (Id) pada dioda Naikan Vs sampai dengan mencapai nilai 10 V Buat grafik hubungan antara tegangan (Vd) dengan arus (Id)
35
Percobaan 2| Electronics Workbench (EWB)
Dengan menggunakan langkah percobaan yang sama, lakukan pengukuran pada gambar di atas . 36
Percobaan 3| Electronics Workbench (EWB) • Komponen yang digunakan dalam rangkaian penyearah yaitu Trafo atau Function Generator sebagai V in, Multimeter, Kapasitor, Resistor dan Osiloskop. • Rangkailah gambar 1 pada EWB dengan V in adalah sumber tegangan bolak-balik (AC) dan V out disambung dengan osiloskop. • Setelah merangkai gambar 1, kemudian lihat bentuk tegangan V in dengan menggunakan osiloskop. • Lihat bentuk tegangan pada V out dengan menggunakan osiloskop dan bandingkan dengan tegangan V in.
37
Percobaan 4| Electronics Workbench (EWB) • Langkah-langkah sama pada gambar 1.
38
Tugas! • Buatlah laporan terkait Percobaan 1 dan 2, Yang berisi : data hasil percobaan, grafik hasil percobaan, analisis hasil percobaan • Lakukan percobaan 3 dan 4 dan analis hasil percobaan 3 dan 4
39
