Bab 0. Kontrak Kuliah

ELEKTRONIKA
Bab 3. Dioda
DR. JUSAK
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 non-linier 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.
ELEKTRONIKA – STMIK STIKOM SURABAYA
2
Simbol Skematis Dioda
Pada simbol skematik dioda, sisi 𝑝 disebut
sebagai anoda dan sisi 𝑛 disebut sebagai katoda.
Simbol dari dioda seperti anak panah yang
meluncur dari sisi 𝑝 ke sisi 𝑛.
ELEKTRONIKA – STMIK STIKOM SURABAYA
3
Rangkaian Sederhana Dioda
Dioda dibias maju apabila sisi 𝑝 dioda dihubungkan
dengan kutub positif baterai dan sisi 𝑛 dioda
dihubungkan dengan kutub negatif baterai.
Saat dioda diberi bias maju, tidak ada arus yang
signifikan mengalir sampai tegangan dioda melebihi
tegangan penghalang.
Sebaliknya jika dioda diberi bias balik tidak ada arus yang mengalir sampai
tegangan dioda mencapai tegangan patah (breakdown). Pada titik tertentu saat
tegangan terus dibesarkan, dioda akan mengalami kerusakan dan mengalirkan
arus yang besar. Lihat grafik karakteristik diode.
ELEKTRONIKA – STMIK STIKOM SURABAYA
4
Grafik
Karakteristik
ELEKTRONIKA – STMIK STIKOM SURABAYA
5
Tegangan Lutut (Knee Voltage)
Pada daerah maju, tegangan pada saat arus mulai naik secara cepat
disebut dengan tegangan kaki atau tegangan knee dari dioda.
Besar tegangan ini sama dengan tegangan penghalang (barier). Jadi
nilai tegangan knee untuk dioda silikon :
VK  0,7V
ELEKTRONIKA – STMIK STIKOM SURABAYA
6
Hambatan Gabungan
(Bulk Resistance)
Setelah tegangan penghalang terlampaui, satu-satunya yang menjadi
penghalang arus dioda adalah hambatan ohmic daerah 𝑝 dan 𝑛.
Jumlah dari hambatan ohmic pada daerah 𝑝 dan 𝑛 disebut dengan
hambatan gabungan dioda. Hambatan ini didefinisikan sebagai :
R B= R P + R N
Besar hambatan gabungan tergantung pada ukuran daerah 𝑝 dan 𝑛,
dan berapa banyak daerah tersebut didoping. Pada umumnya
hambatan gabungan lebih kecil dari 1.
ELEKTRONIKA – STMIK STIKOM SURABAYA
7
Arus Maju DC Maksimum
Apabila arus listrik yang melewati dioda terlalu besar, arus
tersebut menimbulkan panas yang berlebihan dan dapat merusak
dioda. Karena itu datasheet yang dikeluarkan oleh pabrik selalu
mencantumkan Arus maju maksimum yang merupakan salah satu
batas maksimum yang dapat diberikan pada sebuah dioda.
Arus ini ditulis sebagai Imax, IF(max), IO, atau yang lain tergantung
pada perusahaan pembuat.
Misalnya, diode 1N456 mememiliki arus maju maksimum
sebesar 135 mA.
ELEKTRONIKA – STMIK STIKOM SURABAYA
8
Disipasi Daya
Disipasi daya adalah besarnya daya yang melewati dioda. Disipasi
daya dapat dihitung dengan mengalikan tegangan dan arus :
PD = VD ID
Daya operasi merupakan daya maksimum yang dapat dilepas secara
aman tanpa memperpendek usia dioda atau merusak sifat-sifat
dioda tersebut. Disimbolkan :
Pmax = Vmax Imax
ELEKTRONIKA – STMIK STIKOM SURABAYA
9
Contoh 1.
Sebuah diode memiliki daya operasi sebesar 5W. Jika tegangan pada
dioda bernilai 1,2V dan arus yang mengalir pada diode sebesar
1,75A, berapa disipasi daya?
Dengan tegangan dan arus seperti di atas, apakah diode akan rusak
atau beroperasi secara normal?
ELEKTRONIKA – STMIK STIKOM SURABAYA
10
Pendekatan Pertama: Dioda Ideal
Arus maju maksimum, daya, dan karakteritik-karakteristik lainnya
dari sebuah diode dapat berbeda antara satu diode dengan dioda
lainnya, tergantung pada cara dioda tersebut didoping dan juga
tergantung pada ukuran fisiknya.
Namun, sekalipun tegangan dan arus akan berbeda untuk setiap
dioda, grafik karakteristik dari setiap dioda memiliki bentuk serupa.
Misalnya, seluruh dioda silikon mempunyai tegangan lutut sekitar
0,7 V.
ELEKTRONIKA – STMIK STIKOM SURABAYA
11
Dioda Ideal (2)
Dioda ideal adalah pendekatan yang paling sederhana dari dioda.
Secara ideal dioda akan berperilaku seperti penghantar sempurna
(hambatan nol) saat diberi bias maju, dan seperti penghambat
sempurna (hambatan tak hingga) saat dibias balik.
Pada kenyataannya tidaklah mungkin membuat dioda seperti ini.
Piranti lain yang berperilaku seperti dioda ideal adalah saklar, yang
mempunyai hambatan nol saat ditutup dan hambatan tak hingga
saat dibuka.
ELEKTRONIKA – STMIK STIKOM SURABAYA
12
Dioda Ideal (3)
ID
IDEAL
BIAS BALIK
VD
(a)
BIAS MAJU
(b)
(a) Kurva dioda ideal, (b) Dioda ideal berperilaku seperti saklar
ELEKTRONIKA – STMIK STIKOM SURABAYA
13
Contoh 2
Untuk rangkaian dioda di bawah ini, gunakan pendekatan dioda ideal
untuk menghitung tegangan beban dan arus beban (pada 𝑅𝐿 )!
1
D1
1N1202C
V1
10 V
0
2
RL
1kΩ
0.1%
0
ELEKTRONIKA – STMIK STIKOM SURABAYA
14
Contoh 3
Untuk rangkaian dioda di bawah ini, gunakan pendekatan dioda ideal
untuk menghitung tegangan beban, arus beban dan daya beban
(pada 𝑅𝐿 )!
1
V1
10 V
0
R1
6kΩ
0.1%
D1
3
R2
3kΩ
0.1%
0
1N1202C
2
RL
1kΩ
0.1%
0
ELEKTRONIKA – STMIK STIKOM SURABAYA
15
Pendekatan Kedua
Pendekatan dioda ideal dapat digunakan dengan baik dalam proses
troubleshooting. Namun dalam analisis, diperlukan nilai arus dan
tegangan yang lebih akurat. Untuk itu digunakanlah pendekatan
kedua.
Pendekatan kedua dioda memperhitungkan nilai dari tegangan lutut
(0,7V untuk dioda silikon). Sehingga meskipun dioda dibias maju,
arus dioda tidak akan mengalir sampai tegangan dioda melebihi 0,7V.
ELEKTRONIKA – STMIK STIKOM SURABAYA
16
Pendekatan Kedua (2)
ID
PENDEKATAN KEDUA
0,7V
BIAS BALIK
0,7V
(a)
0,7V
VD
BIAS MAJU
(b)
(a) Kurva dioda pendekatan kedua
(b) Rangkaian ekivalen pendekatan kedua
ELEKTRONIKA – STMIK STIKOM SURABAYA
17
Pendekatan Kedua (3)
Gambar diatas menunjukkan rangkaian ekivalen untuk pendekatan
kedua dari sebuah dioda silikon. Dioda ideal yang digambarkan
dengan saklar dihubungkan dengan sumber tegangan 0,7V secara
seri.
Apabila dioda dibias maju dengan tegangan Thevenin lebih besar dari
0,7V maka saklar akan tertutup. Tetapi jika tegangan lebih kecil dari
0,7V saklar akan terbuka. Pada kondisi ini, tidak akan ada arus
melewati dioda.
ELEKTRONIKA – STMIK STIKOM SURABAYA
18
Contoh 4
Untuk rangkaian dioda di bawah ini, gunakan pendekatan kedua
dioda untuk menghitung tegangan beban dan arus beban (pada 𝑅𝐿 )!
1
D1
1N1202C
V1
10 V
0
2
RL
1kΩ
0.1%
0
ELEKTRONIKA – STMIK STIKOM SURABAYA
19
Contoh 5
Untuk rangkaian dioda di bawah ini, gunakan pendekatan kedua
dioda untuk menghitung tegangan beban, arus beban dan daya
beban (pada 𝑅𝐿 )!
1
V1
10 V
0
R1
6kΩ
0.1%
D1
3
R2
3kΩ
0.1%
0
1N1202C
2
RL
1kΩ
0.1%
0
ELEKTRONIKA – STMIK STIKOM SURABAYA
20
Pendekatan Ketiga
Dalam pendekatan ketiga dari dioda, nilai dari hambatan gabungan
(𝑅𝐵) diperhitungkan. Pengaruh 𝑅𝐵 terhadap kurva dioda adalah
kenaikan tegangan yang linier terhadap kenaikan arus.
Rangkaian ekivalen untuk pendekatan ketiga ini adalah sebuah saklar
yang terhubung seri dengan sumber tegangan 0,7V dan hambatan
𝑅𝐵. Seperti terlihat dalam gambar di bawah.
ELEKTRONIKA – STMIK STIKOM SURABAYA
21
Pendekatan Ketiga (2)
ID
PENDEKATAN KETIGA
0,7V
RB
BIAS BALIK
0,7V
(a)
0,7V
VD
RB
BIAS MAJU
(b)
(a) Kurva dioda pendekatan ketiga,
(b) Rangkaian ekivalen dioda pendekatan ketiga
ELEKTRONIKA – STMIK STIKOM SURABAYA
22
Pendekatan Ketiga (3)
Pada pendekatan ketiga saat tegangan dioda lebih besar dari 0,7𝑉
dioda akan menghantarkan listrik. Selama menghantar arus listrik,
nilai tegangan total yang melalui dioda adalah :
𝑉𝐷 = 0,7𝑉 + 𝐼𝐷 𝑅𝐵
ELEKTRONIKA – STMIK STIKOM SURABAYA
23
Pendekatan Ketiga (4)
Di dalam praktek, seringkali nilai hambatan gabungan lebih kecil dari
1, sehingga dapat diabaikan. Acuan untuk mengabaikan hambatan
gabungan adalah apabila :
𝑅𝐵 < 0,01 𝑅𝑇𝐻
Hal ini berarti, bahwa nilai tegangan gabungan dapat diabaikan bila
nilainya lebih kecil 1/100 dari nilai hambatan Thevenin di depan
sebuah diode. Jika kondisi ini terpenuhi, dapat diasumsikan bahwa
kesalahan adalah kurang dari 1%.
ELEKTRONIKA – STMIK STIKOM SURABAYA
24
Contoh 6
Untuk rangkaian dioda di bawah ini, Dioda 1N4001 memiliki
hambatan gabungan sebesar 0,23Ω. Gunakan pendekatan ketiga
dioda untuk menghitung tegangan beban, arus beban dan daya
beban (pada 𝑅𝐿 )!
1
D1
1N4001
V1
10 V
0
2
RL
1kΩ
0.1%
0
ELEKTRONIKA – STMIK STIKOM SURABAYA
25
Contoh 7
Untuk rangkaian dioda di bawah ini, Dioda 1N4001 memiliki
hambatan gabungan sebesar 0,23Ω. Gunakan pendekatan ketiga
dioda untuk menghitung tegangan beban, arus beban dan daya
beban (pada 𝑅𝐿 )!
1
D1
1N4001
V1
10 V
0
2
RL
10Ω
0.1%
0
ELEKTRONIKA – STMIK STIKOM SURABAYA
26
Simulasi Dengan Multisim
1
D1
1N4001
V1
10 V
0
1
D1
2
2
RL
1N4001
XMM1
Agilent
V1
10 V
1kΩ
0.1%
0
0
RL
XMM1
Agilent
10Ω
0.1%
0
ELEKTRONIKA – STMIK STIKOM SURABAYA
27
Membaca Datasheet
ELEKTRONIKA – STMIK STIKOM SURABAYA
28
29
30
31
32
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)
ELEKTRONIKA – STMIK STIKOM SURABAYA
33
Menghitung Hambatan Gabungan
Hambatan gabungan dihitung dengan menggunakan rumusan:
𝑉2 − 𝑉1
𝑅𝐵 =
𝐼2 − 𝐼1
Dengan menggunakan grafik Instantaneous Forward Characteristics,
didapatkan bahwa: pada saat arus mencapai 1A maka dibutuhkan
tegangan sebesar 0,93V, sedangan untuk diode silicon kita tahu
bahwa tegangan lutut adalah 0,7V yaitu pada saat arus masih
mendekati 0A. Jadi hambatan gabungan adalah:
0,93𝑉 − 0,7𝑉
𝑅𝐵 =
= 0,23Ω
1𝐴 − 0𝐴
ELEKTRONIKA – STMIK STIKOM SURABAYA
34
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
ELEKTRONIKA – STMIK STIKOM SURABAYA
35
Persamaan Garis Beban
Nilai arus dan tegangan dioda dihitung dengan menggunakan rumus :
𝑉𝑠 − 𝑉𝐷
𝐼𝐷 =
𝑅𝑠
Sebagai contoh, pada saat diberikan tegangan 2V pada rangkaian dengan
nilai 𝑅𝑠 = 100Ω, didapatkan persamaan garis:
2 − 𝑉𝐷
𝐼𝐷 =
100
ELEKTRONIKA – STMIK STIKOM SURABAYA
36
Persamaan Garis Beban (2)
Untuk menggarkan garis beban dengan menggunakan persamaan di
atas adalah:
Tentukan nilai 𝐼𝐷 saat 𝑉𝐷 = 0𝑉 (Titik ini disebut titik saturasi karena
mewakili arus maksimum), dan
Tentukan nilai 𝐼𝐷 saat 𝑉𝐷 = 𝑉𝑠 (Titik ini disebut titik cut-off karena
mewakili arus minimum).
ELEKTRONIKA – STMIK STIKOM SURABAYA
37
Persamaan Garis Beban (3)
Jadi:
𝐼𝐷 =
𝐼𝐷 =
2−0
100
2−2
100
= 20𝑚𝐴, sehingga 𝐼𝐷 = 10𝑚𝐴 saat 𝑉𝐷 = 0𝑉, dan
= 0, sehingga 𝐼𝐷 = 0𝑚𝐴 saat 𝑉𝐷 = 2𝑉.
Lakukan plotting garis dari dua titik di atas seperti pada gambar.
ELEKTRONIKA – STMIK STIKOM SURABAYA
38
Persamaan Garis Beban (4)
ID
Diode
Curve
30 mA
Saturation
20 mA
12,5 mA
10 mA
Q (operating point)
Cutoff
VD
0,75v 1V
2V
ELEKTRONIKA – STMIK STIKOM SURABAYA
39
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.
ELEKTRONIKA – STMIK STIKOM SURABAYA
40