Karakteristik Diode • •
Karakteristik diode umumnya dinyatakan dengan grafik hubungan antara tegangan pada diode versus arus yang melewatinya sehingga disebut karakteristik tegangan-arus (V-I) Secara teoritis, hubungan antara tegangan dan arus diode dinyatakan oleh persamaan:
I D = I s (eVD /ηVT − 1) Keterangan: ID=arus diode, positif jika di dalam diode arahnya dari anode ke katode Is=arus mundur jenuh (10-8 s.d. 10-14 A)
kT T volt= VT=tegangan kesetaraan suhu= q 11 . 600 pada T=300oK, VT=26mV dan pada T=273oK,VT=25mV η= koefisien emisi, antara 1 sampai dengan 2 dan untuk silikon pada arus normal mendekati 2 e= bilangan natural=2,72
Karakteristik V-I Diode Secara Teoritik Dengan menggunakan persamaan karakteristik tersebut, dapat diperoleh tabel pengaruh tegangan diode (VD) terhadap arus yang melewatinya (ID) dengan asumsi Is=10nA, η=2, dan VT=26 mA sebagai berikut:
TEGANGAN MUNDUR
TEGANGAN MAJU
VD(V)
ID(nA)
VD(V)
ID(nA)
0
0
0
0
-0,02
-3,19
0,01
2,12
-0,05
-6,18
0,02
4,69
-0,1
-8,54
0,1
58,5
-0,2
-9,79
0,2
459
-0,3
-9,97
0,3
3205
-0,4
-9,99
0,4
22011
-0,5
-10
0,5
150841
-0,6
-10
0,6
1033362
-0,7
-10
0,7
7078894
-0,8
-10
0,8
48492587 VD
-VD
ID
-ID V
R
V
Karakteristik V-I Diode Secara Teoritik Berdasarkan tabel di atas dapat digambarkan karakteristik diode seperti gambar di samping. Terlihat pada VD=0,6V nilai ID kira-kira 100.000 kali Is atau ID≈1mA. Jika pada diode silikon ini arus sebesar 100 mA dianggap sedang, maka pada tegangan 0,6V arus sebesar 1mA adalah 1% terhadap arus 100mA tersebut. Pada tegangan di bawah 0,6V arus ID kurang dari 1% sehingga VD=0,6V disebut tegangan ambang atau threshold atau cut-in atau offset atau break point yang diberi lambang Vγ. Definisi letak Vγ tidak pasti karena di sekitar Vγ kurvanya berupa garis lengkung dan tidak ada titik patah. Biasanya Vγ untuk diode silikon sekitar 0,6V dan untuk diode germanium kira-kira 0,2V.
ID
I D = I s (eVD / ηVT − 1)
0,6V
IS
Vγ
VD
Pengaruh Suhu Pada Karakteristik V-I Diode Menurut persamaan karakteristik di atas, perbedaan suhu T1 dan T2 dapat memberikan karakteristik yang berbeda seperti gambar di samping. 1. Jika diode pertemuan pn diberi tegangan maju konstan, maka suhu yang semakin tinggi menyebabkan arus diode semakin tinggi berubah dari ID1 ke ID2. 2. Jika diberi arus konstan, kenaikan suhu menyebabkan tegangan turun berubah dari VD1 ke VD2. Keadaan ini menjadikan diode pertemuan pn dapat dimanfaatkan sebagai sensor suhu.
T2>T1
ID
T1
ID2 ID konstan ID1 VD2
VD1 VD konstan
Karakteristik Diode Dalam Praktek ID
Tegangan yang menyebabkan munculnya arus mundur yang sangat besar. Untuk diode 1N4001 VBD=-50V, 1N4007 VBD=-1000V, BY127 VBD=-1250V, 1N914 VBD=-100V, dan 1N4148 VBD=-75V.
Vbreakdown VD
-VD Vγ
-ID
Tegangan yang menyebabkan munculnya arus maju sebesar 1% dari arus normal, 0,6 V untuk Si dan 0,2 untuk Ge.
Karakteristik Diode Dalam Praktek Pada saat terjadinya tegangan dadal (breakdown), daerah kosongnya lebar, dan arus yang bertambah cepat terjadi karena dua peristiwa yakni: 1. Zener breakdown Dengan adanya tegangan mundur yang relatif tinggi, medan listriknya dapat menarik keluar elektron dari ikatan kovalen sehingga terjadi pembentukan pasangan elektron dan hole sebagai pengangkut muatan, yang memungkinkan terjadinya arus mundur. 2. Avalance breakdown Peristiwa ini disebut juga tabrakan beruntuntun. Elektron dan hole yang telah dibangkitkan dipercepat oleh medan listrik tinggi, karena kecepatannya tinggi menabrak ikatan kovalen sehingga menambah pembangkitan beruntun pasangan elektron-hole sehingga mempercepat pertambahan arus mundur.
Analisis Grafis Rangkaian Diode Diode adalah komponen non linear, sehingga hukum-hukum arus dan tegangan untuk komponen linear seperti Hukum Kirchhoff tidak dapat secara langsung diberlakukan. Untuk itu diperlukan analisis grafis terhadap rangkaian yang mengandung komponen non linear seperti diode. Contoh: Perhatikan rangkaian diode dan karakteristiknya sebagai berikut! I (mA) D
30
Dengan menggunakan analisis garis beban, hitung arus, tegangan diode, dan tegangan output!
VD
20
V=1V
VO
RL = 50Ω 10
0
1
VD(V)
Analisis Grafis Rangkaian Diode Jawab: 1. Menyusun persamaan arus pada rangkaian, yakni: Persamaan tegangan :
VD
V = VD + VO VO = I D .RL V = VD + I D .RL Persamaan arus : ID =
− VD + V RL
ID = −
V=1V
1 V VD + RL RL
Identik dengan persamaan garis lurus : y = ax + b, dengan a = −
1 V , x = VD , b = RL RL
VO
RL = 50Ω
Analisis Grafis Rangkaian Diode 2. Mencari titik potong pada sumbu-x atau VD: Anggap ID=0 sehingga: ID = − 0=−
V 1 VD + RL RL
1 V VD + RL RL
Jadi diperoleh titik potong (x,y) atau (VD,0) atau (1,0)
ID(mA)
30
VD = V = 1V
Titik potong (0,ID) atau (0,20)
3. Mencari titik potong pada sumbu-y atau ID:
20
Anggap VD=0 sehingga: ID = −
V 1 VD + RL RL
ID = −
V 1 0+ RL RL
ID =
Jadi diperoleh titik potong(x,y) atau (0,ID) atau (0,20)
10
V 1 = = 0,02A = 20mA RL 50
0
1 Titik potong (VD,0) atau (1,0)
VD(V)
Analisis Grafis Rangkaian Diode 4. Membuat garis beban: Garis beban ditarik dari koordinat (1,0) sampai dengan (0,20) ID(mA)
5. Menentukan titik operasi diode (Q): Titik operasi Q adalah titik potong antara garis beban dengan kurva statis.
30 Titik potong (0,ID) atau (0,20) 20
6. Menentukan tegangan dan arus diode: Tegangan dan arus diode ditentukan dengan menarik garis dari titik operasi Q ke arah horizontal dan vertikal. Jadi tegangan diode=VD=0,6V arus diode=ID=8mA
Garis beban
Titik operasi 10
Q
ID,Q= 8mA
0 VD,Q,=0,6V
1 Titik potong (VD,0) atau (1,0)
VD(V)
Analisis Grafis Rangkaian Diode Resistansi DC Berdasarkan analisis grafik dapat ditemukan tegangan dan arus diode pada titik tertentu. Resistansi DC atau resistansi statis pada suatu titik dari diode didefinisikan: VD RF = ID RF pada titik Q adalah:
ID(mA)
30 Titik potong (0,ID) atau (0,20) 20
A B
V 0,6V 0,6V 10 RF = D = = = 75Ω I D 8mA 8x10-3 A I = 8mA D,Q
Tugas: Tentukan besarnya RF pada titik A, B, dan C pada kurva karakteristik diode!
Garis beban
Titik operasi Q C
0 VD,Q,=0,6V
1 Titik potong (VD,0) atau (1,0)
VD(V)
Analisis Grafis Rangkaian Diode ID (A)
VD
V=1V
VO
RL = 10Ω
VD (V) Dengan analisis grafik tentukan tegangan diode, arus diode, dan resistansi DC diode tersebut!
Analisis Rangkaian Diode Dengan Model Dalam analisis ini diode dimodelkan sebagai komponen linear, sehingga modelnya sering disebut sebagai piece wise linear model (model linear sepotong-sepotong). Pendekatan I A
K
V
SAKLAR ON A
RL
RANGKAIAN FORWARD BIAS
K
V
RL
MODEL FORWARD PENDEKATAN I SAKLAR OFF
K
A
V
RANGKAIAN REVERSE BIAS
K
RL
Pada pendekatan I, dalam keadaan forward biased, diode dapat dianggap sebagai saklar tertutup sedangkan dalam keadaan reverse biased dapat dianggap seperti saklar terbuka.
ID
ID
A
V
MODEL REVERSE PENDEKATAN I
RL 0 KARAKTERISTIK SESUNGGUHNYA
VD
VD 0 KARAKTERISTIK MODEL PENDEKATAN I
Analisis Rangkaian Diode Dengan Model Pendekatan II A
K
A
K Vγ
V RL
RANGKAIAN FORWARD BIAS
V
RL
MODEL FORWARD PENDEKATAN II
A
V
RANGKAIAN REVERSE BIAS
K
RL
ID
ID
SAKLAR OFF K
Pada pendekatan II, dalam keadaan forward biased, diode dapat dianggap sebagai sumber tegangan sebesar Vγ (untuk silikon Vγ=0,6V dan untuk germanium Vγ=0,2V), sedangkan dalam keadaan reverse biased dapat dianggap seperti saklar terbuka.
A
V
MODEL REVERSE PENDEKATAN II
RL 0 KARAKTERISTIK SESUNGGUHNYA
VD
VD 0 KARAKTERISTIK MODEL PENDEKATAN I
Vγ
Analisis Rangkaian Diode Dengan Model Pendekatan III A
rF
A
K
K
Vγ
V RL
RANGKAIAN FORWARD BIAS
V
RL
MODEL FORWARD PENDEKATAN III
Pada pendekatan III, dalam keadaan forward biased, diode dapat dianggap sebagai sumber tegangan sebesar Vγ dengan resistansi dinamis forward rFyang terpasang secara seri, sedangkan dalam keadaan reverse biased dapat dianggap sebagai resistansi dinamis reverse rR. ID
ID K
A
V
RANGKAIAN REVERSE BIAS
K
RL
rR
A
V
MODEL REVERSE PENDEKATAN III
RL 0 KARAKTERISTIK SESUNGGUHNYA
VD
VD 0
KARAKTERISTIK MODEL PENDEKATAN III
Vγ
Analisis Rangkaian Diode Dengan Model Pendekatan III
ID
ID
Nilai resistansi dinamis forward rF ditentukan dengan rumus:
1A ∆ID
∆ID
VD
∆VD
∆VD
0
0
0,6V
VD
1,1V
∆VD rF = ∆I D
∆VD merupakan kenaikan tegangan yang disebabkan oleh kenaikan arus diode ∆ID. Contoh: Tegangan diode silikon dalam keadaan forward bias sebesar 1,1 V dan arus yang mengalir sebesar 1A. Hitung besarnya rF! Jawab: Kita anggap bahwa arus diode ID=0 ketika tegangan diode VD=0,6V. Dengan menggunakan persamaan di atas dapat diperoleh:
rF =
∆VD 1,1V − 0,6V = = 0,5Ω ∆I D 1A − 0 A
Analisis Rangkaian Diode Dengan Model rF = 2,5Ω
Si Vin=10V
Jawab:
RL = 100Ω
Perhatikan rangkaian diode di samping ini! Gambarkan rangkaian pengganti/rangkaian ekivalen dan hitung besarnya tegangan dan arus diode menggunakan pendekatan I, pendekatan II dan pendekatan III! VD = Vγ = 0,6 V
VD = 0 V
ID Vin= 10V
RL = 100Ω
PENDEKATAN I
10 V V = 0,1A ID = in = RL 100Ω
Vγ = 0,6V
ID
Vin= 10V
RL = 100Ω
PENDEKATAN II
V − Vγ ID = in RL 10 V - 0,6V = 100Ω = 0,094 A
rF = 2,5Ω ID
Vin= 10V
RL = 100Ω
PENDEKATAN III
V − Vγ 10 V - 0,6V ID = in = = 0,092 A RL + rF 100Ω + 2,5Ω VD = Vin − ID.RL = 10V - 0,092A.100 Ω = 0,8V
