dioda khusus dan rangkaian dioda

DIODA KHUSUS
Pertemuan – V
Program Studi S1 Informatika
ST3 Telkom
Tujuan Pembelajaran
• Setelah mengikuti kuliah ini, mahasiswa mampu:
– mengetahui, memahami dan menganalisis karakteristik dioda
khusus
– Memahami dan menganalisis fungsi dioda sebagai fungsi
khusus
1. Dioda Zener
• Diode zener pada suatu rangkaian akan menghantar pada tegangan
zenernya untuk bias reverse lazimnya dalam kemasan ditulis
sebagai xvy misalkan: x=2, y=3 berarti Vz=2,3V atau 2v3.
• Daya zener maksimal. Pada saat VR=Vz, diode zener akan
menghantar arus Iz yang disebut arus zener.
• Besaran Iz harus dibatasi agar tidak berlebihan (power) karena hal
ini dapat merusak diode zener.
• Nilai Iz terbesar, tanpa diode mengalami kerusakan memenuhi relasi
Pz=Vz.Iz  disebut Pz maks dan Iz maks.
• Dalam desain rangkaian untuk membatasi Iz<Izm dipergunakan
resistor yang terpasang seri seperti digambarkan sebagai berikut :
•
•
•
•
Untuk VR<Vz, VD=VR = Terbuka
VR≥Vz, VD=Vz
Iz= VR-Vz / R
R dipilih agar Iz<Izm (Izm-Iz≈15%Izm)
Contoh Soal
2. DIAC
• Diac (Diode Alternating Current) merupakan dua buah
dioda yang disusun secara berlawanan yang berfungsi
mengalirkan arus bolak balik , artinya bergantian forward
dan reverse bias bila diberi tegangan pada elektrodanya
• Simbol dan bentuk Diac
Cara kerja Diac:
– Apabila titik A pada keadaan forward bias, maka sakelar S1
pada posisi ON, sedangkan sakelar S2 pada posisi OFF.
Sebaliknya jika titik B pada keadaan forward bias, maka
sakelar S2 pada posisi ON, sedangkan sakelar S1 pada posisi
OFF.
– Diac tak ubahnya dengan arus bolak balik yaitu bergantian
kondisi forward dan reverse nya apabila diberi arus bolak
balik
Karakteristik Diac:
• Jika tegangan yang diberikan pada DIAC menyamai atau
melebihi tegangan breakover, maka salah satu Latch (kunci)
akan menutup juga.
• DIAC mempunyai dua buah tegangan penyalaan. Tegangan
penyalaan pertama berada pada tegangan maju (+Vbo)
sedangkan yang kedua ada pada tegangan baliknya (-Vbo).
• Biasanya bias untuk DIAC agar mencapai breakover ini
adalah antara 28 sampai 36 volt,namun demikian tergantung
dari pada tipenya
• karakteristik tegangan terhadap arus dapat dilihat pada
Gambar
Dari gambar kita dapat melihat bahwa DIAC selalu mempunyai karakteristik tahanan negatif yang
secara terus menerus pada saat arus lebih besar daripada arus breakovernya. Hanya dengan
tegangan breakdown tertentu barulah DIAC dapat menghantarkan arus. Arus yang dihantarkan
tentu saja bisa bolak-balik dari anoda menuju katoda dan sebaliknya
Fungsi Diac:
• DIAC banyak digunakan sebagai pemicu rangkaian pengendali daya
yang menggunakan TRIAC (Pengatur daya), dan untuk
trigger/penyulut SCR
• Jika tegangan pengisian kapasitor telah mencapai breakover DIAC,
maka DIAC akan menghantar sehingga kapasitor akan mengosongkan
muatannya melalui DIAC dan gate TRIAC. Arus pengosongan
kapasitor merupakan pulsa penyulut yang digunakan oleh TRIAC
sebagai pengendali
Diac sebagai penyulut Triac
3. TRIAC
• Triac merupakan kependekan dari Triode Alternating Current Switch atau
sakelar trioda untuk arus bolak balik
• Triac atau yang dikenal dengan nama Bidirectional Triode Thyristor,
dapat mengalirkan arus listrik ke kedua arah ketika ditrigger
(dihidupkan).
• Triac dapat ditrigger dengan memberikan tegangan positif ataupun
negatif pada elektroda gerbang. Sekali ditrigger, komponen ini akan terus
menghantar hingga arus yang mengalir lebih rendah dari arus
genggamnya, misalnya pada akhir paruh siklus dari arus bolak-balik.
• Simbol
Cara Kerja Triac :
• Triac memiliki tiga (3) elektroda yaitu :
– Anoda
– Katoda
– Gate
• Cara kerja Triac:
– Jika kaki anoda di beri forward bias, maka saklar S1 akan ON,
dan sebaliknya jika anoda diberi reverse bias menyebabkan
sakelar S2 akan ON. Hal ini menunjukkan bahwa pemberian
bias sama dengan pemberian arus AC
Karakteristik Triac:
• Triac merupakan piranti yang digunakan untuk mengontrol arus
rata – rata yang mengalir ke suatu beban. Triac dapat mengontrol
arus dalam dua arah.
• Jika Triac sedang OFF, arus tidak dapat mengalir diantara terminail
– terminal utamanya, atau dengan kata lain diumpamakan sakelar
terbuka
• Jika Triac sedang ON, maka dengan tahanan yang rendah arus
mengalir dari satu terminal ke terminal lainnya dengan arah aliran
tergantung dari polaritas tegangan yang digunakan.
• Jika tegangan T2 positif, maka arus akan mengalir dari T2 ke T1
dan sebaliknya jika T1 positif, maka arus akan mengalir dari T1 ke
T2 dan dalam kondisi ini Triac diumpamakan sebagai sakelar
tertutup.
Kurva Karakteristik I-V Triac
Fungsi Triac:
• Dipakai untuk alat kontrol rangkaian AC pada beban atau
juga untuk pengatur daya pada beban
Pengaturan Sudut Fasa
Thyristor
- Thyristor berasal dari bahasa Yunani yang berarti ‘pintu'. Diartikan
demikian karena sifat dari komponen ini yang dapat dibuka dan
ditutup untuk melewatkan arus listrik.
Ada beberapa komponen yang termasuk thyristor
antara lain:
1.
2.
3.
4.
PUT (programmable uni-junction transistor),
UJT (uni-junction transistor ),
GTO (gate turn off switch),
photo SCR dan sebagainya.
Struktur Thyristor
Ciri-ciri utama dari sebuah thyristor adalah komponen yang terbuat dari bahan
semikonductor silikon.
Walaupun bahannya sama, tetapi struktur P-N junction yang dimilikinya lebih
kompleks dibanding transistor bipolar. Komponen thyristor sering digunakan sebagai
saklar (switch) daripada untuk penguat arus atau tegangan seperti halnya transistor
Gambar - 1 : Struktur Thyristor
Struktur Thyristor
Struktur dasar thyristor adalah struktur 4 layer PNPN seperti yang ditunjukkan
pada gambar-1a.
Jika dipilah, struktur Thyristor
dapat dilihat sebagai dua buah
struktur junction PNP dan NPN yang
tersambung di tengah seperti pada
gambar-1b. Ini tidak lain adalah dua
buah transistor PNP dan NPN yang
tersambung
pada
masing-masing
kolektor
dan
base.
Jika
divisualisasikan sebagai transistor Q1
dan Q2, maka struktur thyristor ini
dapat diperlihatkan seperti pada
gambar-2 yang berikut ini.
Konfigurasi Transistor
Terlihat di sini kolektor transistor Q1
tersambung pada base transistor Q2 dan
sebaliknya kolektor transistor Q2 tersambung
pada base transistor Q1. Rangkaian transistor
yang demikian menunjukkan adanya loop
penguatan arus di bagian tengah.
Bila ada arus sebesar Ib yang mengalir
pada base transistor Q2, Maka akan ada arus Ic
yang mengalir pada kolektor Q2. Arus kolektor
ini merupakan arus base Ib pada transistor Q1,
sehingga muncul penguatan pada arus kolektor
transistor Q1. Demikian seterusnya sehingga
makin lama sambungan PN dari thyristor ini di
bagian tengah akan mengecil dan hilang.
Tertinggal hanyalah lapisan P dan N dibagian
Gambar- 2 :
Konfigurasi Transistor luar.
Thyristor dalam keadaan ON…
(Forword Thyristor)
Dimana diketahui bahwa Ic = ß Ib, yaitu arus kolektor adalah penguatan dari
arus base.
Jika keadaan ini tercapai, maka struktur yang demikian tidak lain adalah
struktur dioda PN (anoda-katoda) yang sudah dikenal sebelumnya. Pada saat yang
demikian, disebut bahwa thyristor dalam keadaan ON dan dapat mengalirkan arus
dari anoda menuju katoda seperti layaknya sebuah dioda.
Gambar - 3 : Thyristor di beri tegangan
Thyristor dalam keadaan OFF…
Reverse Thyristor
Bagaimana kalau pada thyristor ini kita beri beban lampu dc dan
diberi suplai tegangan dari nol sampai tegangan tertentu seperti pada
gambar 3. Apa yang terjadi pada lampu ketika tegangan dinaikkan dari
nol.
Tentu saja lampu akan tetap padam, karena lapisan N-P yang ada
ditengah akan mendapatkan reverse-bias (teori dioda). Pada saat ini
disebut thyristor dalam keadaan OFF karena tidak ada arus yang bisa
mengalir atau sangat kecil sekali.
Arus tidak dapat mengalir sampai pada suatu tegangan reverse-bias
tertentu yang menyebabkan sambungan NP ini jenuh dan hilang.
Tegangan ini disebut tegangan breakdown dan pada saat itu arus mulai
dapat mengalir melewati thyristor sebagaimana dioda umumnya. Pada
thyristor tegangan ini disebut tegangan breakover Vbo.
SCR (silicon controlled rectifier)
SCR (silicon controlled rectifier)
SCR merupakan saklar elektronik yang bisa mengendalikan arus AC atau DC.
Bahwa untuk membuat thyristor menjadi ON adalah dengan memberi arus trigger
lapisan P yang dekat dengan katoda. Yaitu dengan membuat kaki gate pada thyristor
PNPN seperti pada gambar-4a.
Karena letaknya yang dekat dengan katoda, bisa juga pin gate ini disebut pin gate
katoda (cathode gate). Berikut ini adalah struktur SCR dan simbol SCR. SCR dalam banyak
literatur disebut Thyristor saja.
Gambar- 4: a) Struktur SCR
b) Simbol SCR
Trigger SCR
• Melalui pin gate tersebut memungkinkan komponen ini di trigger
menjadi ON, yaitu dengan memberi arus gate (Ig).
• Ternyata dengan memberi Ig >> dapat menurunkan tegangan
breakover (Vbo) sebuah SCR. Dimana tegangan ini adalah
tegangan minimum yang diperlukan SCR untuk menjadi ON.
• Sampai pada suatu besar Ig tertentu, ternyata akan sangat mudah
membuat SCR menjadi ON. Bahkan dengan tegangan forward
yang kecil sekalipun. Misalnya 1 volt saja atau lebih kecil lagi.
• Kurva tegangan dan arus dari sebuah SCR adalah seperti yang ada
pada gambar-5 yang berikut ini.
Karakteristik SCR
Gambar - 5 :
karakteristik Thyristor
Tegangan breakover Vbo, yang jika
tegangan forward SCR mencapai titik
ini, maka SCR akan ON.
Arus Ig yang menyebabkan tegangan
Vbo turun menjadi lebih kecil.
Pada gambar ditunjukkan beberapa
arus Ig dan korelasinya terhadap
tegangan breakover.
Pada datasheet SCR, arus trigger gate
ini sering ditulis dengan notasi IGT
(gate trigger current).
Arus holding (Ih) mempertahankan
SCR tetap ON. Jadi agar SCR tetap ON
maka arus forward dari anoda menuju
katoda
harus
berada
di
atas
parameter ini.
Cara untuk membuat Reverse SCR
Cara untuk membuat SCR menjadi OFF adalah dengan membuat arus anodakatoda (IAK) turun dibawah arus Ih.
Pada gambar-5 kurva I-V SCR, jika arus forward berada dibawah titik Ih, maka
SCR kembali pada keadaan OFF. Berapa besar arus holding ini, umumnya ada di
dalam datasheet SCR.
Cara lain membuat SCR menjadi OFF tersebut adalah
dengan menurunkan tegangan anoda-katoda ke titik nol.
Karena inilah SCR atau thyristor pada umumnya tidak
cocok digunakan untuk aplikasi DC. Komponen ini lebih
banyak digunakan untuk aplikasi-aplikasi tegangan AC,
dimana SCR bisa OFF pada saat gelombang tegangan AC
berada di titik nol.
Parameter Penting
Parameter penting lain dari SCR, yaitu VGT.
Parameter ini adalah tegangan trigger pada gate
yang menyebabkab SCR ON.
Kalau dilihat dari model thyristor pada gambar-2,
tegangan ini adalah tegangan Vbe pada transistor
Q2.
VGT seperti halnya Vbe, besarnya kira-kira 0.7
volt. Seperti contoh rangkaian gambar-6 berikut ini
sebuah SCR diketahui memiliki IGT = 10 mA dan VGT
= 0.7 volt. Maka dapat dihitung tegangan Vin yang
diperlukan agar SCR ini ON adalah sebesar :
Vin = Vr + VGT
Vin = IGT(R) + VGT = 4.9 volt
Gambar - 6 :
Rangkaian SCR
PERHITUNGAN DENGAN DIODE
I
Ideal
rB
Vk
+
rB =
I
I
V
3 PENDEKATAN
1. Diode ideal dimana Vk = 0 dan rB = 0,
diode ideal berfungsi sebagai saklar.
2. Diode praktis dimana Vk  0 dan rB = 0.
3. Diode praktis dimana Vk  0 dan rB  0.
CONTOH 1
Pada rangkaian dibawah ini diketahui Vk= 0,7
V dan rB = 20 . Berapa mA arus yang
mengalir melalui diode ?.
+
1K
10 V
-
PENDEKATAN PERTAMA
+
I
10 V
1K
-
10 V
10 V
I

 0,01 A  10 mA
1 K 1000 
PENDEKATAN KEDUA
0,7 V
+
+
10 V
-
I
1K
(10  0,7) V
9,3 V
I

1K
1000 Ω
I  0,0093 A  9,3 mA
PENDEKATAN KETIGA
0,7 V
+
+
10 V
-
rB = 20 ohm
I
1K
(10  0,7) V
9,3 V
I

1 K  20 Ω
1020 Ω
I  0,00912 A  9,12 mA
CONTOH 2
Pada rangkaian pada contoh 1 diatas, jika baterai 10
Volt diganti dengan sumber tegangan ac dengan
tegangan maksimum ( puncak ) sebesar 10 V,
tentukanlah besarnya tegangan output yang terjadi
pada tahanan 1 K dan arus yang mengalir.
Vin
10 V
t
-10 V
Vin
I
1K
PENDEKATAN PERTAMA
Vout
10 V
Vin
I
saklar
tertutup
1 K Vout
t
saklar
terbuka
PENDEKATAN KEDUA
0,7 V
+
Vout
9,3 V
Vin
I
1K
Vout
t
PENDEKATAN KETIGA
+
0,7 V
-
Vou
rB
t
9,12 V
Vin
I
1K
Vout
t