bab vi rangkaian dioda

BAB VI, Rangkaian Dioda
Hal: 97
BAB VI
RANGKAIAN DIODA
Hubungan P-N
Hubungan pn dapat terjadi dengan mendifusi impuritas tipe-p pada salah
satu ujung kristal tipe-n. Walaupun ada hubungan antara dua tipe silikon
namun sebagai keseluruhan bertidak sebagai kisi kristal tunggal.
Akibatnya elektron bebas dari tipe-n akan bergerak menuju hole pada
tipe-p demikian pula hole pada tipe-p bergerak ke elektron di tipe-n
sehingga terjadi proses rekombinasi. Selanjutnya akan terjadi lapisan
deplesi. Pada dasarnya lapisan ini adalah isolator dengan kelebihan
elektron di sisi tipe-p dan kelebihan hole di sisi tipe-n dan berakibat
timbulnya beda tegangan di hubungan pn, yaitu Vγ , seperti ditunjukkan
pada Gambar 1.
+
-
-
-
-
+
+
+
P
+
+
+
+
+
+
+
+
+
N
inmobile carrier : minoritas
Gambar 1, Timbulnya lapisan deplesi dan tegangan deplesi Vγ
Setelah terjadi lapisan deplesi pergerakan pembawa muatan terhenti,
walaupun sebenarnya masih ada pergerakan pembawa muatan minoritas
Sastra Kusuma Wijaya
FISIKA FMIPA UI
Diktat Elektronika I
BAB VI, Rangkaian Dioda
Hal: 98
akibat energi termal pada kristal hubungan pn tsb. Dengan adanya
tegangan Vγ berarti ada kecenderungan aliran muatan positif dari n ke p
dan muatan negatif dari tipe-p ke tipe-n, namun aliran netto sama
dengan nol. Artinya beberapa pembawa muatan positif jika memperoleh
cukup energi akan mampu melompati penghalang potensial dan
pergerakan muatan ini diimbangi dengan arus pembawa muatan negatif.
Sehingga jika tidak diberi beda potensial tambahan pada dioda tidak
akan ada arus netto yang mengalir.
Sebaliknya jika ada beda potensial yang diberikan pada terminal dioda,
maka lebar lapisan deplesi berubah bergantung dengan polaritas yang
diberikan pada kedua terminal tsb, seperti yang diilustrasikan sbb:
Gambar (a) pembiasan negatif (b) pembiasan positif.
Karakteristik arus-tegangan pada dioda hubungan p-n dinyatakan dalam
persamaan:
VD
ηVT
I D = I o (e
− 1)
dengan VD : beda potensial pada terminal anoda dan katoda dioda p-n
VT : tegangan termal =
Sastra Kusuma Wijaya
kT
;
q
FISIKA FMIPA UI
Diktat Elektronika I
BAB VI, Rangkaian Dioda
Hal: 99
k = 1,3x 10-23 J/K; konstanta Boltzmann
VT ~ 26 mV untuk suhu ruang
IO : arus saturasi ≈ 10-9 A
ID : arus yang mengalir pada dioda
η = konstanta, biasanya diambil η = 1.
I
(mA)
V
nA
VD
ηVT
Jika VD >> ηVT , maka I D ≈ I o e
diperoleh :
VD 2
ηVT
I D 2 Ioe
(VD 2 −VD1 ) /ηVT
=
=
e
VD 1
I D1
ηVT
Ioe
atau
ΔVD= VD2 - VD1 = η VT ln (ID2/ID1)
Sastra Kusuma Wijaya
FISIKA FMIPA UI
Diktat Elektronika I
BAB VI, Rangkaian Dioda
Hal: 100
o Tegangan Knee : tegangan pada saat arus mulai membesar secara
cepat, nilainya sama dengan tegangan barrier.
o Di atas tegangan barrier R dioda kecil (rB = rP+ rN) < 1 Ω
o Rating: (1) Arus maksimum forward, IF(max)
ƒ (2) Daya disipasi maksimum
o Daerah Reverse: hanya ada sedikit arus bocor, di atas
tegangan breakdown membesar dengan cepat.
Berikut ini adalah beberapa model dioda p-n.
Model I:
dioda p-n dimodelkan sebagai skalar, jika dioda mendapat
bias maju seperti skalar tertutup sedang jika dioda mendapat
bias mundur seperti skalar terbuka (Rr = ∞ Ω, Rf = 0 Ω).
Seringkali model I ini dikenal sebagai model dioda ideal.
Model II: sama seperti model pertama hanya bedanya pada saat dioda
mendapat bias maju ada tegangan Vγ sebesar 0,7 volt (Rr = ∞
Ω, Rf = 0 Ω)
Sastra Kusuma Wijaya
FISIKA FMIPA UI
Diktat Elektronika I
BAB VI, Rangkaian Dioda
Hal: 101
Model III: sama seperti model II hanya pada saat dioda mendapat bias
maju ada hambatan bulk Rb . Hambatan rB dihitung dengan
V − V1
, dengan V1, I1 tegangan dan arus di sekitar
cara rB = 2
I 2 − I1
knee, V2, I2 tegangan dan arus di atas knee. Disamping itu
ada hambatan DC dioda, , hambatan pada saat reverse ( RR
)dan pada saat forward ( RF.) Pada model ini Rr = ∞ Ω, Rf =
kecil.
Model IV: sama seperti model III hanya pada saat dioda mendapat bias
mundur ada hambatan Rr (Rr = besar Ω, Rf = kecil Ω).
Sastra Kusuma Wijaya
FISIKA FMIPA UI
Diktat Elektronika I
BAB VI, Rangkaian Dioda
Hal: 102
I
I
V
Model I
V
Model II
I
I
V
Model III
V
Model IV
Gambar 1, Karakteristik ideal kurva I-V pada dioda.
Model IV jika digambarkan secara skematik dapat direpresentasi
sebagai:
Jika diberi bias positif, maka dioda mendapat bias maju akibatnya dioda
dapat dianggap hanya bagian atas saja. Sedangkan jika diberi bias
negatif dioda dapat dianggap hanya pada rangkaian bawah saja.
Sastra Kusuma Wijaya
FISIKA FMIPA UI
Diktat Elektronika I
BAB VI, Rangkaian Dioda
Hal: 103
PENYEARAH SINYAL TEGANGAN
Dioda dapat digunakan sebagai penyearah sinyal tegangan AC menjadi
sinyal DC. Dengan menggunakan sebuah dioda dapat digunakan sebagai
penyearah setengah gelombang, sebaliknya dengan menggunakkan 4
buah dioda yang dirangkai seperti jembatan dapat menjadi penyearah
gelombang penuh atau dapat dilakukan dengan menggunakan 2 duah
dioda dengan trafo yang memiliki center tap.
Penyearah setengah gelombang
V
D
RL
t
Gambar 2, Penyearah setengah gelombang dan bentuk tegangannya.
Untuk dioda ideal (model I), pada saat 0 ≤ ωt ≤ 2π
i=
v Vm sin ωt
=
RL
RL
untuk 0 ≤ ωt ≤ π
untuk π ≤ ωt ≤ 2π
i=0
π
Sedangkan Idc
1
=
id (ωt )
2π ∫0
π
1 Vm sin ωt
d ωt
=
2π ∫0 RL
Sastra Kusuma Wijaya
FISIKA FMIPA UI
Diktat Elektronika I
BAB VI, Rangkaian Dioda
=
Hal: 104
Vm
I
= m
π RL π
Filter kapasitif
Untuk memperbaiki kualitas penyearahan perlu ditambahkan rangkaian
filter kapasitif seperti ditunjukkan pada gambar berikut ini.
D
C
RL
Gambar 2, Filter kapasitif untuk penyearah setengah gelombang
Penyearah gelombang penuh
V
RL
t
Gambar 3, Penyearah gelombang penuh dan bentuk gelombangnya.
Untuk dioda ideal :
i=
v Vm sin ωt
=
RL
RL
untuk 0 ≤ ωt ≤ π
i=
Vm sin(ωt + π )
RL
untuk π ≤ ωt ≤ 2π
Sastra Kusuma Wijaya
FISIKA FMIPA UI
Diktat Elektronika I
BAB VI, Rangkaian Dioda
1
Sedangkan Idc =
2π
Hal: 105
2π
∫ id (ωt )
0
π
1 Vm sin ωt
1
=
d
t
ω
+
2π ∫0 RL
2π
=2
2π
Vm sin(ωt + π )
d ωt
∫π
RL
Vm
I
=2 m
π RL
π
Perhatikan rangkaian simulasi berikut ini.
Bentuk gelombang pada osiloskop diperoleh sbb:
Sastra Kusuma Wijaya
FISIKA FMIPA UI
Diktat Elektronika I
BAB VI, Rangkaian Dioda
Hal: 106
Filter Kapasitif
RL
C
Gambar 3, Filter kapasitif untuk penyearah gelombang penuh.
Perioda pengisian muatan
t1 < t < t2
VL = Vm sin ωt
Perioda pelepasan muatan
t2 < t < t3
VL = V2 e-(t-t2)/τ
Jika τ = RL C >>
ripple
maka Vc = VL
Vr = Δ Vc
Δq = IdcT = C ΔVc = C Vr
dengan T : perioda sinyal AC
Sastra Kusuma Wijaya
FISIKA FMIPA UI
Diktat Elektronika I
BAB VI, Rangkaian Dioda
Hal: 107
Sehingga diperoleh tegangan ripple Vr =
I dcT I dc
V
=
= dc ,
C
fC fRL C
Sedangkan untuk gelombang penuh tegangan ripplenya adalah
Vr = 2
Vdc
.
fRL C
Sehingga setelah penambahan filter kapasitor bentuk tegangan
outputnya menjadi sbb:
Untuk memperkecil tegangan ripple dapat dilakukan dengan
menggunakan kapasitor yang bernilai besar. Namun terdapat kerugian
diantaranya adalah yaitu:
1. kapasitor tsb mahal dan secara fisik juga besar sehingga tidak
praktis digunakan.
2. masih adanya variasi tegangan akibat fluktuasi tegangan input,
akibat hambatan dalam input dari transformer, dioda dll (R > 0
pada rangkaian ekivalen thevenin).
Agar terregulasi, rangkaian konverter AC-DC ditambahkan dioda zener,
seperti ditunjukkan pada gambar berikut ini.
Sastra Kusuma Wijaya
FISIKA FMIPA UI
Diktat Elektronika I
BAB VI, Rangkaian Dioda
Hal: 108
Dengan penambahan dioda zener, tegangan ripple akan dikurangi jika
tegangan minimum ripple lebih besar dari tegangan zener, sehingga
outputnya akan sama dengan tegangan zener, seperti ditunjukkan berikut
ini.
Namun tegangan zener tidak konstan, cara yang lebih baik adalah
dengan menggunakan umpan balik aktif (regulator sumber tegangan).
Rangkaian umpanbalik ini melihat output dan melakukan pengaturan
agar outputnya sesuai dengan yang diharapkan, seperti yang ditunjukkan
pada gambar berikut ini.
In
Out
Gambar 4, Sumber tegangan DC teregulasi.
IC regulator menggunakan prinsip umpanbalik, diantaranya adalah
7805, 7812, 7905, 7912, dll.
Sastra Kusuma Wijaya
FISIKA FMIPA UI
Diktat Elektronika I
BAB VI, Rangkaian Dioda
Hal: 109
Seringkali diinginkan sumber daya terpisah (dual-supply) yaitu sumber
daya dengan tegangan keluaran positif dan negatif terhadap GROUND.
Hal ini dapat dilakuan dengan menggunakan center tapped full-wave
circuit seperti yang ditunjukan pada gambar berikut ini.
+v
-v
Gambar 5, Dual supply center tapped full-wave circuit.
Selanjutnya juga seringkali diinginkkan pelipat gandaan tegangan DC.
Hal ini dapat dilakukan dengan membuat penyearah gelombang secara
seri seperti ditunjukkan pada gambar berikut ini.
Sastra Kusuma Wijaya
FISIKA FMIPA UI
Diktat Elektronika I
BAB VI, Rangkaian Dioda
Hal: 110
C1
A
D2
C2
D1
C2
doubler
D3
D1
C1
D2
C3
C1
D1
trippler
C3
D4
D3
D2
C2
C4
quadrupler
Gambar 6 , Pelipat gandaan tegangan.
Proses pelipatgandaan tegangan dapat terjadi karena adanya proses
pengisian energi pada kapasitor tidak ada jalan pembuangannya.
Perhatikan rangkaian doubler, mula-mula arus listrik mengalir pada loop
kapasitor C1 dan dioda D1, setelah kapasitor C1 terisi penuh dengan
tegangan mencapai Vin , maka dioda D1 medapat bias mundur, sehingga
Sastra Kusuma Wijaya
FISIKA FMIPA UI
Diktat Elektronika I
BAB VI, Rangkaian Dioda
Hal: 111
tidak ada lagi loop arus yang mengalir di D1. Tegangan di titik A adalah
VA = Vin+ Vin sin ωt dengan Vin adalah amptudo tegangan dari tegangan
sekunder trafo. Selanjutnya loop D2, C2 dan C1 terjadi aliran arus untuk
mengisi tegangan di kapasitor C2 sampai tegangannya mencapai 2Vin.
Penjelasan yang sama juga berlaku untuk rangkaian trippler dan
quadrupler.
Perlu diingat bahwa hukum kekekalan energi berlaku, sehingga daya
outputnya tetap. Misalnya sumber AC dengan tegangan 220 V dan arus
3A, dapat menghasilkan tegangan DC sebesar 3000 V dan arus-nya
berkurang menjadi 220 mA (jika diasumsikan tidak ada yang daya
disipasi di dioda, kapasitor, transformer dan kabel listrik.
Contoh 1:
R1
Vin
D
Vout
Dengan menggunakan karakteristik ideal: (model II)
Bila Vin > - 0,7 volt : dioda mendapat reverse bias dan rangkaian
ekivalennya adalah :
R1
Vin
Sastra Kusuma Wijaya
Vout
FISIKA FMIPA UI
Diktat Elektronika I
BAB VI, Rangkaian Dioda
Hal: 112
Dari rangkaian ekivalen ini, pada saat dioda mendapat bias mundur
berlaku :
Vout = Vin
Sedangkan bila Vin < - 0.7 volt, dioda mendapat forward bias dengan
rangkaian ekivalen sbb :
R1
Vin
-V?
Vout
Untuk dioda mendapat bias maju didapat
Vout = - Vγ
Dengan demikian signal outputnya untuk signal input sinusoidal adalah
sbb :
contoh 2 :
Untuk Vin < (V2 + 0,7 )
⇒ dioda mendapat reverse bias
⇒ Vout = Vin
Untuk Vin > (V2 + 0,7)
Sastra Kusuma Wijaya
FISIKA FMIPA UI
Diktat Elektronika I
BAB VI, Rangkaian Dioda
Hal: 113
⇒ dioda mendapat forward bias
I=
Vin − (V2 + 0,7 )
R1 + R2
Bila V2 < Vinmaz maka signal input dan outputnya adalah sbb :
;Contoh 3:
Gambarkan kurva transfer karakteristik (kurva yang menggambarkan
hubungan antara output dengan input) untuk rangkaian sbb: (anggap
dioda ideal model I)
Dioda akan konduksi (dioda mendapat bias maju) yaitu pada saat
tegangan input Vin > VB
Sehingga tegangan outputnya :
Vout = VB
Sastra Kusuma Wijaya
FISIKA FMIPA UI
Diktat Elektronika I
BAB VI, Rangkaian Dioda
Hal: 114
Sebaliknya jika Vin < VB dioda akan mendapat bias mundur, sehingga
outputnya dapat didekati menjadi:
Vout = Vin
(Kalau tidak mau ada pendekatan, maka tegangan outputnya adalah Vout
= Vin – i R)
Dengan demikian karakteristik transfer dari rangkaian tsb adalah:
Vout
V out
V in
V in
Tambahan
Coba kerjakan juga untuk rangkaian berikut ini
Contoh 4
Perhatikan rangkaian switching berikut yang terdiri atas tiga buah dioda
seperti ditunjukkan pada gambar. Hitung tegangan di terminal B (VB)
untuk tegangan input Vin = +3, +2, +1, 0, dan -1 V.
Sastra Kusuma Wijaya
FISIKA FMIPA UI
Diktat Elektronika I
BAB VI, Rangkaian Dioda
Hal: 115
Jawab:
Dioda D2 dan D3 dapat dianggap sebagai sebuah dioda ideal dengan
sumber tegangan sebesar 2 × 0,7V = 1, 4V , sehingga rangkaian di atas
dapat diganti menjadi:
Dioda D23 mendapat bias maju, tegangan di terminal B, VB = 1,4 V.
Dioda D1 mendapat bias maju, tegangan di terminal B, VB = Vin – 0,7
Nilai kritisnya adalah VB = 1,4V = Vin + 0,7V → Vin =0,7V
Sastra Kusuma Wijaya
FISIKA FMIPA UI
Diktat Elektronika I
BAB VI, Rangkaian Dioda
Hal: 116
Untuk Vin < 0,7 , D1 mendapat bias maju, sedang D23 mendapat bias
mundur sehingga arus I 23 = 0 dan VB = Vin − 0,7
Sedang untuk Vin > 0,7 , dioda D1 mendapat bias mundur ( I1 = 0 ),
sedang dioda D23 mendapat bias maju sehingga I1 = 0 dan
VB = 1, 4V
Arus yang mengalir di dioda D23 adalah I 23 =
(5 − 1, 4)V
= 3,6mA
1kΩ
Dari penjelasan ini, maka:
Vin
+3V
+2V
+1V
0V
-1V
VB
1,4V
1,4V
1,4V
-0,7V
-1,7
Dengan EWB dengan input berupa tegangan segitiga Vpp = 10 V
diperoleh sbb:
Contoh 6:
Dari rangkaian berikut ini diketahui :
Sastra Kusuma Wijaya
FISIKA FMIPA UI
Diktat Elektronika I
BAB VI, Rangkaian Dioda
Hal: 117
R1
A
vs
R2
D
VB
B
Diketahui R1 = R2 = 100 Ω
vs = 0,1 cos ωt volt
VB = 2 volt
Anggap dioda tersebut memiliki karakteristik Rf = 50 Ω, Rr = ∞ dan Vγ
= 0,7 volt. Cari vD dan iD secara analitik :
Jawab:
Dari terminal AB ke kiri diubah menjadi rangkaian ekivalen thevenin,
dengan :
Vth =
R2
(vs + VB ) = 1 + 0,05cos ωt
R1 + R2
Rth =
R1 R2
= 50 Ω
R1 + R2
Terlihat bahwa beda potensial di terminal AB diantara 0,95 hingga 1,05
volt. Sehingga dioda selalu mendapat bias maju, dan dari rangkaian
ekivalen tsb dapat dihitung :
Sastra Kusuma Wijaya
FISIKA FMIPA UI
Diktat Elektronika I
BAB VI, Rangkaian Dioda
Vth − Vγ
Hal: 118
(1 + 0,05cos ωt ) − 0,7
= (3 + 0,5cos ωt ) mA
Rth + R f
50 + 50
vD = Vγ + iD R f = 0,7 + (0,15 + 0,025cos ωt )
iD =
=
vD = 0,85 + 0,025cos ωt
Contoh aplikasi lain dari dioda adalah battery backup yaitu suatu
rangkaian yang memungkinkan dapat tetap bekerjawalaupun ada
kegagalan sumber daya. Rangkaian logika untuk maksud ini
ditunjukkan pada gambar berikut ini.
Gambar 7, Rangkaian gerbang OR sebagai battery backup.
Pada saat power-cord dihubungkan ke jala-jala listrik PLN, dioda D1
akan konduksi dan tegangan jatuh di peralatan elektronik sebesar 15 V –
0,7 V = 14,3 V, dioda D2, tidak konduksi karena VAD 2 > VKD 2 , sehingga
peralatan elektronik mendapat supply dari sumber listrik DC power
supply. Sebaliknya jika jika DC power supplynya mati, atau tidak
dihubungkan ke PLN, maka peralatan elektronik itu mendapat tegangan
sebesar 11,3 V
Sastra Kusuma Wijaya
FISIKA FMIPA UI
Diktat Elektronika I
BAB VI, Rangkaian Dioda
Hal: 119
Modifikasi dari rangkaian ini adalah rangkaian pengisi batere NiCd
/NiMH pada saat sumber DC dihidupkan. Rangkaian ini akan mengisi
batere NiCd pada saat sumber DC diberikan ke alat elektronik,
sebaliknya akan menggunakan sumber batere NiCd jika tidak
menggunakan sumber DC.
Gambar 8, Rangkaian logika pengisi batere NiCd.
CLIPPING
Fungsi rangkaian clipper adalah memotong tegangan output dari
tegangan input, Vin hingga mencapai tegangan batas tertentu, Vbatas. Di
atas harga batas tsb akan di clip hingga Vbatas .
Rangkaian clipper positif dan rangkaian clipper negatif ditunjukkan
pada gambar berikut.
Sastra Kusuma Wijaya
FISIKA FMIPA UI
Diktat Elektronika I
BAB VI, Rangkaian Dioda
Hal: 120
Sketsa tegangan output untuk rangkaian clipper positif ditunjukkan pada
gambar berikut ini:
1
0
Tegangan Output (V)
0
0.005
0.01
0.015
0.02
0.025
0.03
0.035
0.04
0.045
0.05
-1
-2
-3
-4
waktu (s)
Dioda yang digunakan untuk clipper adalah dioda small-signals yang
menggunakan hambatan bulk lebih besar dibandingkan dengan dioda
penyearah. Misalnya untuk dioda 1N914 arus forward-nya 10 mA pada
tegangan 1 V, sehingga hambatan bulk adalah:
RB =
Sastra Kusuma Wijaya
1V − 0,7 V
= 30 Ω
10 mA
FISIKA FMIPA UI
Diktat Elektronika I
BAB VI, Rangkaian Dioda
Hal: 121
Rangkaian clipper akan berfungsi normal jika hambatan seri jauh lebih
kecil dari hambatan beban dan juga jauh lebih besar dari hambatan bulk,
biasanya diambil pendekatan:
100 RB < RS < 0,01 RL
Tegangan output dari rangkaian clipper positif untuk berbagai hambatan
Rs ditunjukkan pada gambar berikut ini.
R=1
R = 10
R = 100
R = 1k
R = 10k
R = 100k
2
0
Tegangan Output (V)
0
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0.06
-2
-4
-6
-8
Waktu (s)
contoh :
R
D2
Vin
D1
VA
Sastra Kusuma Wijaya
VB
FISIKA FMIPA UI
Diktat Elektronika I
BAB VI, Rangkaian Dioda
Hal: 122
Gambar 4, Contoh rangkaian clipping
Dioda D1 mendapat bias maju jika Vin > VA, sehingga Vout = VA.
Dioda D2 mendapat bias maju jika Vin < - VB sehingga Vout = - VB.
Dioda D1 dan D2 mendapat bias mundur jika -VB < Vin < VA sehingga
tegangan Vout = Vin.
Vout
VA
vin
VB
Gambar 5, Fungsi transfer
Bentuk sinyal input dan output dari rangkaian clipping tsb ditunjukkan
pada gambar berikut. (hitam: input, merah: output)
CLAMPING
Rangkaian clamping dipergunakan untuk menjaga (clamp) nilai tertinggi
dari suatu signal agar tetap berharga sama. Secara umum, pada saat
melewati amplifier signal acuan DC tsb akan swing (berayun) maka
Sastra Kusuma Wijaya
FISIKA FMIPA UI
Diktat Elektronika I
BAB VI, Rangkaian Dioda
Hal: 123
diperlukan suatu rangkaian clampler untuk mengembalikan signal DC
asli-nya kembali.
C
vin
vout
Gambar 6, Contoh rangkaian clamping
v
V
in
V
o u t
m
t2
t
t1
-V
m
Gambar 7, Contoh tegangan input dan output.
Pada saat 0 < t < t1
muatan mengisi kapasitor hingga tegangan di
kapasitor sebesar Vm.
Sedangkan t > t1
kapasitor berusaha membuang muatannya,
namun tidak ada jalan pembuangan sehingga
level tegangan pada kapasitor tetap dijaga sebesar
Vm. Misalnya Vm = 10 volt, akibatnya tegangan
output akan berayun sebesar -20 < Vout < 0 volt,
atau Vout = - (10 + 10 sin ωt). Sehingga output di
clamp pada 0 volt.
Sastra Kusuma Wijaya
FISIKA FMIPA UI
Diktat Elektronika I
BAB VI, Rangkaian Dioda
Hal: 124
Vin
Vm
0
-Vm
Vout
Sebaliknya jika dioda dibalik, outputnya menjadi :
Vout = (10 + 10 sin ωt)
untuk ωt > π
Vout = 0
untuk π/2 < ωt < π
Vout = vin
untuk 0 < ωt < π/2
Pemakaian kapasitor untuk mem blok signal DC = bypass
signal AC
Kapasitor dapat dipergunakan untuk menahan sinyal DC, dan
melewatkan sinyal AC. Contoh rangkaian diberikan pada gambar
berikut.
vac
R1
C
B
A
VDC
R2
vout
Gambar 8, Contoh penggunaan kapasitor bypass
V=ZI
Sastra Kusuma Wijaya
FISIKA FMIPA UI
Diktat Elektronika I
BAB VI, Rangkaian Dioda
Z=
Hal: 125
1
Z membesar pada saat ω mengecil
jωC
Z → ∞ pada saat ω = 0 (signal DC) ⇒ rangkaian
terbuka.
Vin = Vdc + vac
Dengan memanfaatkan Vout = VA + VB
maka Vout =
R2
R2
1/ jωC
Vdc +
vac +
vac
R1 + R2
R1 + R2
1/ jωC + R2
Anggap 1/ωC >> R2 , sehingga Vout =
R2
1/ jωC
Vdc +
vac
R1 + R2
1/ jωC + R2
Karena ada kapasitor, maka level tegangan DC akan diblok, sehingga:
Vout =
1/ jωC
vac
1/ jωC + R2
Dioda untuk rangkaian proteksi induktor / relai
Pada rangkaian induktif sering kali digunakan dioda untuk memproteksi
tegangan induktif. Pada induktor timbul tegangan induksi sebesar
di
V = − L . Pada saat rangkaian induktif (induktor/ relai) di-off-kan
dt
mendadak akan timbul tegangan listrik yang cukup besar. Untuk
memproteksi kondisi ini dapat dilakukan dengan menggunakan dioda
ataupun dengan kapasitor seperti ditunjukkan pada gambar berikut ini.
Sastra Kusuma Wijaya
FISIKA FMIPA UI
Diktat Elektronika I
BAB VI, Rangkaian Dioda
Hal: 126
Gambar 9, Rangkaian induktif
Pada Gambar 9b, pada saat saklar di-off-kan, dioda akan mendapat bias
maju sehingga tegangan induktif akan kembali mengalir ke induktor,
sedangkan pada saat on, dioda mendapat bias mundur. Kekurangan
ΔI
metoda ini adalah lamanya decay arus, karena V ÷ . Untuk aplikasi
Δt
AC yang cepat seperti printer dot-matrix, relay cepat, dll digunakan
rangkaian Gambar 9c. Hal ini karena dioda hanya konduksi untuk
setengah siklus saja. Seringkali rangkaian ini dikenal sebagai rangkaian
snubber.
Dioda Zener
Dioda umumnya digunakan dalam bias maju. Ada suatu dioda khusus
yang umumnya untuk membuat tegangan konstan VZ, jika mendapat
bias mundur Vin< Vz. Dioda ini dikenal sebagai dioda zener dengan
karakteristik I-V seperti ditunjukkan pada gambar berikut, dengan VZ
adalah tegangan breakdown dari dioda zener tsb, relatif konstan.
Sastra Kusuma Wijaya
FISIKA FMIPA UI
Diktat Elektronika I
BAB VI, Rangkaian Dioda
Hal: 127
Gambar 10, Karakteristik I-V dioda zener, skematik dioda zener dan
model dioda zener
Sastra Kusuma Wijaya
FISIKA FMIPA UI
Diktat Elektronika I
BAB VI, Rangkaian Dioda
Hal: 128
Perhatikan rangkaian dioda zener berikut ini.
Tegangan di terminal beban pada hambatan 1 kΩ adalah sebesar
tegangan zenernya yaitu sekitar 10 V.
Arus
I 270
yang
mengalir
18V − 10V
=
= 29,6 mA
270Ω
di
hambatan
270
Ω
adalah
Sedangkan arus yang mengalir di hambatan 1kΩ adalah 10 mA
Sehingga arus yang mengalir di dioda zener adalah 19,6 mA.
Contoh:
Sastra Kusuma Wijaya
FISIKA FMIPA UI
Diktat Elektronika I
BAB VI, Rangkaian Dioda
Hal: 129
Perhatikan rangkaian berikut ini, tentukan arus yang mengalir pada
masing-masing hambatan, arus yang mengalir pada masing-masing
dioda zener dan tentukan juga tegangan jatuh di hambatan 2 kΩ.
Dengan menganggap pada dioda zener ada beda tegangan sebesar
tegangan dioda zener, maka arus yang mengalir pada hambatan 270 Ω
adalah:
I 750 =
35V − 20V
= 0,02A = 20 mA
750Ω
yang mengalir pada
20 V - 10 V
I1k =
= 10 mA
1kΩ
hambatan
1
kΩ
adalah
sebesar
Arus
hambatan
2
kΩ
adalah
sebesar
Arus
I 2k
yang mengalir
10 V
=
= 5mA
2 kΩ
pada
Berdasarkan hukum KCL, maka arus yang malir pada dioda zener 20V
adalah I Z 20 = I 750 − I1k = 10 mA
Dan arus yang mengalir
I Z 10 = I1k − I 2 k = 5mA
pada
dioda
zener
10V
adalah
Tegangan jatuh di hambatan 2 kΩ adalah 10 V
Sastra Kusuma Wijaya
FISIKA FMIPA UI
Diktat Elektronika I
BAB VI, Rangkaian Dioda
Hal: 130
Contoh:
Pada rangkaian berikut, tentukan tegangan outputnya
Pada saat tegangan tegangan input Vin > 4.3 V, maka dioda Z1 konduksi
(forward) dan dioda Z2 tidak (reverse), sehingga VA = 4.3 V
Sebaliknya pada saat tegangan input Vin < - 4.3 V, maka dioda Z2
konduksi (forward) dan dioda Z1 tidak (reverse), sehingga VA = - 4.3 V
Sedangkan untuk 4.3 V < Vin < -4.3 V, maka VA = Vin
Dengan EWB dilakukan sbb:
Sastra Kusuma Wijaya
FISIKA FMIPA UI
Diktat Elektronika I
BAB VI, Rangkaian Dioda
Sastra Kusuma Wijaya
Hal: 131
FISIKA FMIPA UI
Diktat Elektronika I
BAB VI, Rangkaian Dioda
Hal: 132
LATIHAN :
Buatlah sket tegangan output dari rangkaian-rangkaian berikut ini
dengan menggunakan karaktristik ideal dioda model II. Tentukan
kondisi-kondisi masing-masing dioda agar mendapat bias maju maupun
mendapat bias mundur.
R
Vo sin ?t
D
V1
R
Vo sin ?t
R1
D
V1
Vo sin ?t
R
R1
D1
V1
D2
V2
Jika diketahui untuk semua rangkaian di atas:
atau Vin = 10 sin ωt volt
Vo = 10 volt
R = 10 kΩ
R1 = 1 kΩ
V1 = 2,5 volt
V2 = 3,5 volt
3.
Buatlah sket tegangan output dari rangkaian di bawah ini.
Sastra Kusuma Wijaya
FISIKA FMIPA UI
Diktat Elektronika I
BAB VI, Rangkaian Dioda
Hal: 133
1 k?
220V
6,3V AC
Sastra Kusuma Wijaya
FISIKA FMIPA UI
Diktat Elektronika I