KARAKTERISTIK DIODA Ridwan, Risma, Saleha, Haswidayanti Laboratorium Elektronika dan Instrumentasi Jurusan Fisika Universitas Negeri Makassar Tahun 2014 Abstrak Telah dilakukan percobaan mengenai karakteristik dioda yang bertujuan untuk dapat menggambarkan dan menginterpretasika kurva karakteristik arus-tegangan (I-V) dari diode penyearah dan diode zener, dapat menentukan garis beban dan titik kerja berdasarkan kurva I-V diode zener, serta dapat menentukan tegangan zener berdasarkan kurva I-V diode zener. Prinsip kerja pada pecobaan ini yaitu pada diode ideal diode digambarkan seperti saklar ketika ON maka diode akan bekerja (aktif), pada Si tegangan kaki sebesar 0,7 sedangkan untuk Ge sebesar 0,3 v. pada percobaan ini terdapat dua kegiatan yaitu pada kegiatan pertama kondisi forward bias dimana diperoleh titik kerja pada diode penyearah yaitu sebesar 0,55 V dan pada dioda zener sebesar 0,79 V. Kegiatan kedua yaitu kondisi reserve bias pada dioda sener memiliki titik kerja sebesar -4,8V. Dari data yang diperoleh sehingga dapat disimpulkan bahwa garis beban diperoleh dari hubungan antara tegangan maksimum dan arus maksimum sehingga diperoleh garis lurus yang berpotongan pada karakteristik diode. Dari titik perpotongan tersebut didapatlah titik kerja (Q point). Pada bias maju diode penyearah lebih cepat mengalami arus maksimum dibandingkan diode zener. Kata kunci : karakteristik diode, tegangan, arus, diode zener, diode penyearah PENDAHULUAN Dalam elektronika dikenal beberapa komponen dasar elektronik yang diperlukan dalam membuah sebuah rangkaian, salah satu diantaranya adalah diode. Dalam pengelompokkan jenis komponen elektronika, diode termasuk komponen aktif karena hanya dapat bekerja jika diberi catu daya. Diode merupakan perangkat semikonduktor sambungan P-N paling sederhana yang memiliki sifat mengalirkan arus hanya dalam satu arah. Penipisan dan penebalan lapisan deplesi antar sambungan menjadi kunci dari sifa diode sambungan P-N. Berbeda dengan sebuah resistor, sebuah diode tidak beperilaku linier terhadap tegangan yang diberikan melainkan diode menghasilkan karakteristik I-V yang eksponensial. Diode memegang peranan penting dalam elektronika, diantaranya adalah untuk menghasilkan tegangan searah dari tegangan bolak-balik, untuk membuat berbagai gelombang isyarat, untuk mengatur tegangan searah, agar tidak berubah dengan beban maupun dengan perubahan tegangan jal-jara (PLN), untuk saklar elektronik, LED, laser semikonduktor, mengesah gelombang mikro dan lain-lain. Komponen ini juga memberikan resistansi yang sangat rendah terhadap aliran arus pada suatu arah dan resistansi yang sangat tinggi pada arah yang berlawanan. Karakteristik inilah yang memungkinkan diode digunakan dalam aplikasi-aplikasi yang menentukan rangkaian untuk memberikan tanggapan yang berbeda sesuai dengan arah arus yang mengalir didalamnya. Tujuan dari percobaan ini yaitu dapat menggambarkan dan menginterpretasikan kurva I-V dari diode penyearah dan diode zener, menentukan garis beban dan titik kerja berdasarkan kurva I-V diode penyearah, serta menentukan tegangan zener berdasarkan kurva I-V diode zener Berbekal dari teori diatas maka dilakukanlah percobaan ini yang berjudul “karakteristik Dioda”. TEORI SINGKAT Dioda merupakan perangkat semikonduktor sambungan P – N paling sederhana yang memiliki sifat mengalirkan arus hanya dalam satu arah. Penipisan dan penebalan lapisan deplesi antar persambungan menjadi kunci dari sifat dioda sambungan P – N. Berbeda dengan sebuah resistor, sebuah dioda tidak berperilaku linier terhadap tegangan yang diberikan melainkan dioda menghasilkan karakteristik I – V yang eksponensial. Notasi atau simbol dioda sambungan P – N ditunjukkan pada gambar berikut. Kondisi ini menghasilkan suatu nilai resistansi yang tinggi antar persambungan dan praktis tidak menghasilkan aliran pembawa muatan mayoritas dengan meningkatnya potensial sumber. Namun, sejumlah arus kebocoran yang sangat kecil akan melewati persambungan yang dapat diukur dalam orde mikroampere (οA). 3. Forward Bias – Kondisi di mana kutub positif sumber potensial eksternal dihubungkan ke sisi P dioda dan kutub negatif sumer potensial eksternal dihubungkan ke sisi N dioda. Ada dua daerah operasi dioda sambungan P – N dan ada tiga kondisi bias yang dapat diberikan: 1. Zero Bias – kondisi di mana tidak ada potensial eksternal yang diberikan kepada kedua ujung dioda menghasilkan keseimbangan jumlah pembawa mayoritas, elektron dan hole, dan keduanya bergerak dalam arah yang berlawanan. Kondisi keseimbangan ini dikenal sebagai keseimbangan dinamis (dynamic – equilibrium). 2. Reverse Bias – kondisi di mana kutub positif sumber potensial eksternal dihubungkan ke sisi N dioda dan kutub negatif sumer potensial eksternal dihubungkan ke sisi P dioda. Kondisi ini menghasilkan suatu nilai resistansi persambungan P – N yang sangat rendah sehingga memungkinkan arus yang sangat besar mengalir walaupun hanya dengan potensial sumber yang relatif kecil. Perbedaan potensial aktual yang timbul pada kedua ujung persambungan dioda akan bernilai tetap akibat aksi dari lapisan deplesi yang bernilai sekitar 0,3 V untuk germanium dan 0,7 V untuk silikon. Dioda Zener Telah dibahas sebelumnya bahwa dioda menahan arus dalam kondisi reverse bias dan akan menghasilkan kerusakan (breakdown) bila tegangan balik yang diberikan terlalu besar. Berbeda halnya dengan dioda zener atau biasa disebut dioda breakdown, pada dasarnya sama dengan dioda sambungan P – N standar kecuali dirancang secara khusus menghasilkan tegangan balik atau breakdown yang lebih rendah dan relatif konstan sehingga sangat baik digunakan dalam arah reverse bias sebagai regulator tegangan. Titik di mana dioda zener mengalami breakdown atau konduksi disebut tegangan zener ”VZ”. METODOLOGI PERCOBAAN Alat dan bahan yang digunakan dalam percobaan ini adalah power supply 20 Vdc 1 buah, voltmeter 0-10 Vdc 1 buah, ammeter 0-1 Adc 1 buah, potensiometer 1 buah, diode penyearah 1 buah, diode zener 1 buah dan kabel penghubung secukupnya. Identifikasi variable: Kegiatan 1. Kondisi Forward Bias 1. Variable manipulasi :tegangan bias (v) 2. Variable respon :arus diode (mA), tegangan diode (V) 3. Variable control :resistansi (Ω), tegangan sumber (volt). Kegiatan 2. 1. Variable manipulasi :tegangan bias (v) 2. Variable respon :arus diode (μA), tegangan diode (V). 3. Variable control :resistansi (Ω), tegangan sumber (volt). Definisi Operasional Variabel: 1. Tegangan bias adalah tegangan yang diberikan pada diode dengan mengatur tegangan pada potensiometer. Satuan tegangan bias adalah (Volt). 2. Tegangan dioda adalah tegangan yang berada pada kedua ujung dioda. Tegangan diode 3. Arus dioda adalah jumlah muatan yang mengalir pada dioda yang setiap satuan detik. 4. Resistansi Resistor (R) merupakan nilai total hambatan yang terdapat pada resistor dengan melihat nilai warna cincin dan yang terukur dengan menggunakan alat ukur dengan satuan (Ω). 5. Tegangan sumber adalah tegangan yang diberikan power suplly sebagai sumber tegangan. Dalam satuan volt. Prosedur kerja Pada kegiatan 1 yaitu kondisi forward bias Hal pertama yang dilakukan yaitu mencatat spesifikasi seluruh komponen yang digunakan, kemudian merangkai gambar dibawah seperti pada gambar berikut: R S ID + V V S R D _ V D Gambar rangkaian forward bias Setelah semua komponen telah terangkai dengan benar Kemudian mengukur tegangan sumber sebesar 2 V untuk kondisi forward bias. Setelah itu mengatur potensiometer pada posisi atau keadaan minimum dan mengamati penunjukan kedua alat ukur, menaikkan tegangan bias dengan mengatur potensiometer hingga voltmeter menunjukka nilai 0,05 V kemudian menaikkan tegangan bias dengan interval 0,05V sampai potensiometer menunjukkan nilai maksimum. Pada kegiatan ke 2 yaitu kondisi reserve bias, langkah kerja yang dilakukan sama dengan kegiatan pertama hanya saja tegangan sumber yang digunakan untuk diode penyearah yaitu 15 V dan untuk diode zener sebesar 15 V, dan nilai tegangan bias sebesar 0,5 V dengan menaikkan potensiometer dengan interval 0,5 V sampai maksimum. HASIL PERCOBAAN ANALISIS DATA 18,69 KEGIATAN 2. RESERVE BIAS Tabel 2. Hubungan antara tegangan dan arus pada dioda zener ππ· ( volt) 0,00 0,05 0,10 0,15 0,2 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 0,50 0,55 0,60 0,65 0,70 0,75 0,80 0,81 DAN KEGIATAN 1. FORWARD BIAS ππ = 2 π R = 56 Ω ± 5% Tabel 1. Hubungan antara tegangan dan arus pada dioda penyearah NO ππ· ( volt) πΌπ· ( ππ΄) 1 0 0,00 2 0,05 0,00 3 0,10 0,00 4 0,15 0,00 5 0,20 0,00 6 0,25 0,00 7 0,30 0,00 8 0,35 0,03 9 0,40 0,21 10 0,45 1,04 11 0,50 4,83 12 0,55 13,43 NO 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 πΌπ· ( ππ΄) 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,04 0,31 1,97 15,24 R = 56 Ω ± 5% ππ = 15π Tabel 3. Hubungan antara tegangan dan arus pada dioda penyearah NO 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 ππ· ( volt) 0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 3,00 3,50 4,00 4,50 5,00 5,50 6,00 6,50 7,00 7,50 8,00 8,50 9,00 9,50 10,00 10,50 11,00 11,50 12,00 12,50 13,00 13,50 14,00 14,50 14,86 πΌπ· ( ππ΄) 0,00 0,00 0,00 0,10 0,10 0,10 0,20 0,30 0,30 0,40 0,50 0,50 0,50 0,60 0,60 0,70 0,70 0,80 0,80 0,90 0,90 1,00 1,00 1,10 1,10 1,10 1,20 1,30 1,30 1,40 1,40 Tabel 4. Hubungan antara tegangan dan arus pada dioda zener NO 1 2 3 4 5 NO 6 7 8 9 10 11 12 ππ· ( volt) 0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 ππ· ( volt) 2,50 3,00 3,50 4,00 4,50 5,00 5,54 πΌπ· ( ππ΄) 0,00 0,00 0,00 0,10 0,20 πΌπ· ( ππ΄) 0,80 4,30 18,90 76,40 307,80 1927,00 1937,00 25 20 15 ID (mA) 0,55 ; 15 10 5 0 0 -5 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,55 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 VD (Volt) Grafik 1. Hubungan Antara ID dan VD dalam Bias Maju Pada Pioda Penyearah 1,7 1,8 1,9 2 25 20 Karakteristik dioda 15 Titik kerja ID (mA) 0,55 ; 15 10 5 Garis beban 0 0 -5 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,55 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 VD (Volt) Grafik 1. Hubungan Antara ID dan VD dalam Bias Maju Pada Pioda Penyearah 1,7 1,8 1,9 2 21 18 Karakteristik dioda 15 Titik kerja 12 ID (mA) 11,1 0,79 ; 11,1 9 6 3 Garis beban 0,79 0 0 -3 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 VD (Volt) Grafik 2. Hubungan Antara ID dan VD dalam Bias Maju Pada Pioda Zener 1,6 1,7 1,8 1,9 2 0,1 -7,50 -16 -15 -14 -13 -12 -11 -10 -9 -8 0 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 -0,1 -0,2 -0,3 -0,4 ID (mA) -0,5 -0,6 -7,50 ; -0,70 -0,7 Titik kerja -0,8 -0,9 -1 Karakteristik dioda -1,1 Garis beban -1,2 -1,3 -1,4 VD (Volt) Grafik 3. Hubungan Antara ID dan VD dalam Bias Mundur Pada Pioda Penyearah -1,5 0 200 100 0 -15 -14 -13 -12 -11 -10 -9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 -100 0 -200 -300 -400 -500 -600 -700 Garis beban ID (mA) -800 -900 -1000 -1100 Titik kerja -4,8 ; -1330,0 -1200 -1300 -1400 -1500 -1600 -1700 Karakteristik dioda -1800 -1900 -2000 -2100 VD (Volt) Grafik 4. Hubungan Antara ID dan VD dalam Bias Mundur Pada Pioda Zener -2200 25 20 Karakteristik Bias Maju ID (mA) 15 10 5 Karakteristik Bias Mundur 0 -18 -16 -14 -12 -10 -8 -6 -4 VD (Volt) Grafik 5 . Hubungan Antara ID dan VD Pada Pioda Penyearah -2 0 -5 2 0 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 Karakteristik Bias Maju ID (mA) -500 -1000 -1500 Karakteristik Bias Mundur VD (Volt) -2000 Grafik 6. Hubungan Antara ID dan VD dalam Pada Dioda Zener 2 PEMBAHASAN Pada percobaan ini terdapat dua kegiatan yaitu pada kegiatan pertama kndisi forward bias dengan tegangan sumber sebesar 2 V. pada diode penyearah digunakan diode yang terbuat daru germanium dimana pada germanium tegangan kaki menurut teori sebesar 0,3 V. sedangkan untuk diode zener pada umumnya terbuat dari bahan silicon yang mempunyai tegangan kaki sebesar 0,7 V secara teori. Secara percobaan pada diode penyearah diode mulai mengalirkan arus pada saat tegangan 3,5 V keatas. Sedangkan untuk diode zener arus mulai mengalir kurang dari 0,7 V. untuk titik kerja atau Q point diperoleh dari titik perpotongan antara karakteristik diode dan garis beban dimana diperoleh untuk diode penyearah yaitu 0,55 V dan 15 mA, dan untuk diode zener yaitu 0,79 V dan 11,1 mA. Sehingga dari titik kerja tersebut diperoleh tegangan zener sebesar 0,79 V. pada kondisi forward bias arus lebih cepat mencapai titik maksimum pada diode penyearah dibandingkan diode zener. Pada kegiatan kedua yaitu kondisi reserve bias. Pada kondisi ini diode penyearah tidak dapat bekerja karena diode penyearah memang di desain hanya dapat bekerja pada kondisi forward bias yang bekerja atau aktif pada kondisi reserve bias hanyalah diode zener karena diode zener memang didesain bekerja pada daerah breakdown, sehingga grafik yang diperoleh dari diode penyearah berbentuk seperti gelombang. Untuk diode zener titik kerja pada bias mundur diperoleh sebesar – 4,8 V dan 1330 mA. Sehingga tegangan zener diperoleh sebesar-4,8 V. KESIMPULAN Berdasrkan hasil percobaan yang telah dilakukan maka dapat disimpulkan bahwa : 1. Dari kurva karakteristik kurva arus-tegangan dari diode penyearah dan diode zener tampak jelas/memperlihatkan dengan jelas bahwa ada perbedaan yang terjadi jika masing-masing dari diode ini dibalik (bias mundur) dan jika tidak dibalik (bias maju). 2. Untuk menentukan titik kerja dan garis beban yaitu untuk titik kerja didapatkan dengan menghubungkan arus maksimum dan tegangan sumber sehingga didapatkan sebuah titik kordinat dan ditarik garis miring yang memotong kurva dan melewati titik kerja sehingga garis miring yang ditarik merupakan garis beban. 3. Untuk mencari tegangan zener dapat diperoleh dengan melihat kondisi tegangan baliknya ketika tegangan baliknya itu lebih rendah atau relative konstan maka di situlah tegangan zener yang disebut juga dengan kondisi breakdown. DAFTAR PUSTAKA Boylestad, R., & Nashelsky, L. (1989). Electronic Devices and Circuit Theory, Fourth Edition. Delhi : Prentice Hall of India. Malvino, A.P. (2003). Prinsip-Prinsip Elektronika, Buku 1, Jakarta : Salemba Teknika.
