BAB II Dioda dan Rangkaian Dioda

BAB II Dioda dan Rangkaian Dioda 2.1. Pendahuluan Dioda adalah komponen elektronika yang teruun dari bahan emikonduktor tipe-p dan tipe-n ehingga mempunyai ifat dari bahan emikonduktor ebagai berikut. Apabila dioda mendapat umber tegangan luar dimana ii-p mendapat polarita poitip (+) dan ii-n mendapat polarita negatip (-) yang dinamakan arah maju (forward bia) maka akan mengalir aru pada dioda. Sebaliknya apabila ii-p mendapat polarita negatip (-) dan ii-n mendapat polarita poitip (+) yang dinamakan arah balik (revere bia) maka tidak ada aru yang mengalir pada dioda. Sifat diata apabila dioda dianggap ideal yaitu tidak ada tegangan drop (melinta) pada dioda dan tidak mempunyai reitani dalam. Sii-P dari dioda dinamakan Anoda (A) dan ii-n dinamakan Katoda (K). Gambar 2.1. Dioda emikonduktor dan imbol dioda Rangkaian ekivalen dari dioda yaitu : 1. Rangkaian ekivalen model 1. Pada model ini dioda eperti rangkaian aklar aja yaitu jika arah maju (forward bia) maka eperti aklar yang nyambung edangkan jika arah balik (revere bia) eperti aklar yang terbuka pada gambar 2.2. (a). 2. Rangkaian ekivalen model 2. Pada model ini dioda eperti aklar yang eri dengan umber tegangan ebear Vb. Apabila umber tegangan luar pada arah maju (forward bia) lebih bear dari Vb maka aklar akan ambung dan aru mengalir tetapi apabila tegangan luar lebih kecil dari Vb maka aklar terbuka dan tidak ada aru mengalir melewati dioda gambar 2.2. (b). 3. Rangkaian ekivalen model 3. Pada model ini dioda eperti aklar yang eri dengan umber tegangan ebear Vb dan eri dengan reitani dalam dari dioda ebear rd. Prinip kerjanya eperti model 2 eperti pada gambar 2.2. (c). ` 1

Gambar 2.2. Rangkaian ekivalenin dioda arah maju (forward bia) (a)model 1 (b)model 2 (c)model 3 Gambar 2.3. a)dioda ideal dalam arah maju (forward bia) b)rangkaian ekivaleninya Gambar 2.4. a)dioda ideal dalam arah balik (revere bia) b)rangkaian ekivaleninya Kelakuan ecara umum dari dioda adalah bahwa aliran aru pada dioda perambungan p-n biaanya berbai pada analia gradient kepadatan pembawa muatan minorita pada ii daerah tranii. Aru pada dioda terdiri dari komponen injeki komponen aturai balik (revere) temperature T, aru injeki yang negatip dan kontan. ` 2 I yang enitip terhadap potenial perambungan dan i I yang tidak terpengaruh potenial perambungan. Pada I mempunyai bentuk i qv Ae kt dan aru aturai balik (revere) ebear I

Aru totalnya adalah qv I = I I AekT i =. I (1) Pada kondii rangkaian terbuka dimana V = 0 adalah I = 0 = Ae. 0 I ehingga A= I qv Sehingga aru dioda euai peramaan (1) adalah I = I ( ekt 1) (2) qv Peramaan umum dari dioda adalah I = I ( e ηkt 1) dimana η (eta) adalah uatu kontanta antara 1 ampai 2. Biaanya untuk ilikon η =1 dan untuk germanium η =1,2 dan umumnya ama dengan 1. 0 Pada uhu kamar ( T 300 K) q = untuk bahan ilikon maka 40 ehingga peramaan aru dioda ηkt. pada peramaan (2) menjadi I = I ( 40V e 1) (3) Aru aturai balik ( I ) tidak tergantung pada potenial perambungan tetapi tergantung pada temperature. Untuk bahan ilicon atau germanium maka nilai temperaturnya naik ebear 0 10 C. I naik menjadi dua kali etiap 2.5. Karakteritik Aru-Tegangan pada dioda perambungan ` 3

Dari grafik karakteritik dioda didapatkan data dua mode kerja dari dioda yaitu mode forward (maju) dan revere (balik). Pada mode kerja maju (forward) maka pada anoda mendapat umber tegangan (+) dan pada katoda mendapat umber tegangan(-) ehingga begitu ada kenaikan tegangan edikit aja apalagi jika diata tegangan dalam dioda maka aru yang lewat dioda berubah angat bear eperti peramaan (3). Tetapi untuk mode kerja pada revere yaitu pada anoda mendapat tegangan (-) dan pada katoda mendapat tegangan (+) maka aru yang lewat kecil ekali dan namanya aru aturai balik (revere). Apabila tegangan diperbear aru yang lewat maih kecil dan apabila diperbear teru ampai titik tegangan breakdown (Vb) maka aru angat bear dan dioda menjadi ruak. Dioda mempunyai tegangan balik makimum yang dinamakan ebagai PIV (peak invere voltage). Jadi dalam pemaangan dioda tidak boleh terbalik. Apabila terjadi kealahan pemaangan jika tegangan yang melinta dioda maih lebih kecil dari PIV maka dioda tidak mengalami keruakan. Ada dioda yang memanfaatkan mode kerja terbalik (revere) yaitu dinamakan dioda zener. Dan nilai tegangan baliknya adalah Vz. Contoh-1 : Dioda perambungan p-n dari Silikon (Si) pada temperature kamar mempunyai aru ebear 100 µ A pada tegangan ebear -1 volt. Hitunglah magnitude dari aru pada temperature kamar pada tegangan -0,2 volt dan pada +0,2 volt. Hitung juga apabila temperaturnya naik temperature kamar. o 20 C di ata Penyeleaian : Aru pada tegangan -1 volt adalah ebagai aru aturai balik (I) dan bearnya Pada tegangan -0,2 volt maka Pada tegangan +0,2 volt maka Temperatur naik di ata ` 4 I 100µ A =. I I e40v ( 1) I e 8 = = 1 = 100(0 1) = 100µ A. I I e40v I e 8 = ( 1) = 1 = 100(3000 1) µ A 0, 3A. o 20 C berarti I naik empat kali menjadi I = 400µ A. Aru pada tegangan -1 volt adalah ebagai aru aturai balik (I) dan bearnya Pada tegangan -0,2 volt maka Pada tegangan +0,2 volt maka I = 400µ A. I I e40v ( 1) I e 8 = = 1 = 400(0 1) = 400µ A. I I e40v I e 8 = ( 1) = 1 = 400(3000 1) µ A 1, 2A.

2.2. Rangkaian Dioda dan Gari Beban (Load Line) Rangkaian ederhana dari dioda terdiri dari rangkaian eri dari umber tegangan (V), tahanan pembata aru (R) dan dioda pada arah maju (forward bia) eperti gambar 2.6. Apabila tegangan V V dalam (built in) atau tegangan drop dioda ebear V maka peramaan arunya adalah I =. R Peramaan ini apabila digambar pada grafik karakteritik aru-tegangan dari dioda maka akan didapat gari luru yang dinamakan gari beban dan titik potong dengan karakteritik dioda maka didapat titik operai (Q). Gambar 2.6. Rangkaian dioda Contoh-2, pada gambar 2.6. datanya adalah V ama dengan 5 V, R ama dengan 200 ohm. V V 5 V Peramaan aru atau gari bebannya adalah I = atau I = (4) R 200 5 0 Apabila V = 0 volt maka didapat aru I = = 25mA. Aru ini dinamakan aru jenuh (aturai). 200 Titik potong ini terletak pada titik A yaitu (0 V, 25 ma) dan titik A dinamakan titik aturai (jenuh). 5 5 Apabila V = 5 volt maka didapat aru I = = 0mA. Tegangan yang menyebabkan arunya ama 200 dengan nol dinamakan tegangan potong (cutoff). Titik potong ini dinamakan titik cutoff yang terletak di B yaitu (5 V, 0 ma). Apabila gari beban terebut berpotongan dengan kurva dioda maka titik potongnya dinamakan titik operai dan dari grafik gambar 2.7. titik Q berada di (1,9 V & 16 ma). Titik potong dengan umbu vertikal dan umbu horizontal dinamakan titik ujung gari beban (titik A dan B). Gambar grafik lengkapnya pada gambar 2.7. eperti berikut, ` 5

Gambar 2.7. Grafik gari beban memotong kurva dioda di titik operai (Q) Contoh-3, Apabila data dari gambar 2.6 diubah menjadi V = 10 volt dan R = 500 ohm, maka titik ujung dari gari beban adalah : 10 0 Titik aturai terjadi apabila V =0 volt ehinggai = = 20mA dan titiknya adalah (0 V, 20 ma). 500 Titik cut-off terjadi apabila I = 0 ehingga ` 6 10 10 I = = 0mA dan titiknya adalah (10 V, 0 ma). 500 Tahanan dari dioda ada dua yaitu tahanan arah maju (forward) dan tahanan arah balik (revere). Tahanan arah maju diimbolkan dengan dengan rumu R yang didapat dari kurva dioda pada daerah forward F V R F =, demikian juga tahanan arah balik diimbolkan dengan I V R R = yang didapat dari kurva dioda pada daerah revere. I R dan rumunya R Contoh-4, Dioda tipe 1N914 pada daerah forward mempunyai data 10 ma pada 0,65 V; 30 ma pada 0,75 V; 50mA pada 0,85 V. Pada daerah revere datanya 25 na pada 20 V ; 5 ua pada 75 V. Ditanyakan : Tahanan arah maju Penyeleaian : R dan tahanan arah balik F R. R V 0,65V V 0,75V V 0,85V R F = = = 65Ω ; R = = = 25Ω ; I 10mA F R = = = 17Ω I 30mA F I 50mA V 20V V 75V R R = = = 800MΩ ; R = = = MΩ I 25nA R 15 I 5µ A

2.3. Rangkaian Pemotong/Penggunting (Clipper) Rangkaian pemotong (clipper) adalah rangkaian yang tegangan inyal output ama (proporional) dengan tegangan inyal input dan akan dipotong pada nilai tertentu. Rangkaian pemotong (clipper) terdiri dari pemotong poitip, pemotong negatip dan pemotong poitip-negatip. Rangkaian pada gambar 2.8. dinamakan rangkaian pemotong poitip (poitip clipper) karena tegangan inyal input poitipnya yang dipotong. Apabila ada tegangan drop pada dioda ebear Vb maka apabila Vi > Vb maka tegangan inyal output ama dengan Vb edangkan yang lainnya tegangan output (Vo) ama dengan tegangan input (Vi) eperti pada gambar (b). Jika dioda dianggap ideal maka tegangan output eperti pada gambar (c). Gambar 2.8. Rangkaian pemotong poitip (poitip clipper) Rangkaian pada gambar 2.9. dinamakan rangkaian pemotong level tegangan poitip (poitip voltage level clipper) karena tegangan inyal input poitipnya yang dipotong pada level tegangan tertentu. Apabila ada tegangan drop pada dioda ebear Vb maka apabila Vi > (V1+Vb) maka tegangan inyal output ama dengan (V1+Vb) edangkan yang lainnya tegangan output (Vo) ama dengan tegangan input (Vi) eperti pada gambar (b). Jika dioda dianggap ideal maka tegangan output apabila Vi > V1 maka tegangan poitipnya di potong pada +V1 dan lainnya tegangan output (Vo) ama dengan Vi eperti pada gambar (c). ` 7

Gambar 2.9. Rangkaian pemotong poitip pada level +V1 Dibawah ini adalah rangkaian pemotong negatip (negatip clipper) dimana pada gambar (b) untuk dioda prakti yaitu adanya tegangan drop pada dioda ebear Vb untuk Vi < -Vb maka tegangan output dipotong pada Vo = -Vb dan gambar (c) untuk dioda ideal apabila Vi negatip maka Vo = 0. Gambar 2.10. Rangkaian pemotong negatip (negatip clipper) ` 8

Rangkaian pemotong tegangan pada level tegangan negatip (negatip voltage level clipper) eperti tampak pada gambar 2.11. Apabila ada tegangan input dan tegangan drop pada dioda ebear Vb maka apabila Vi < (V1+Vb) maka tegangan inyal output dipotong pada level (V1+Vb) edangkan yang lainnya tegangan output (Vo) ama dengan tegangan input (Vi) eperti pada gambar (b). Jika dioda dianggap ideal apabila Vi < V1 maka tegangan negatipnya di potong pada -V1 dan lainnya tegangan output (Vo) ama dengan Vi eperti pada gambar (c). Gambar 2.11. Rangkaian pemotong negatip pada level -V1 Gambar 2.12. Rangkaian pemotong poitip dan negatip ` 9

Gambar 2.13. Rangkaian pemotong poitip dan negatip pada level +V1 dan V2 Contoh-2 : Sebuah gelombang inu vi = 20inω. tv diterapkan pada rangkaian clipper dibawah. Predikilah bentuk gelombang output jika dioda dianggap ideal. Penyeleaian : Dari gambar rangkaian maka dioda dan baterai 10 V akan memotong gelombang poitip pada level +10 V edangkan pada aat gelombang negatip akan dipotong emuanya. Contoh-3 : Sebuah gelombang egitiga diterapkan pada rangkaian clipper. Predikilah bentuk gelombang output jika dioda dianggap ideal. Penyeleaian : ` 10

2.4. Rangkaian Pemotong (Clipper) tipe Seri Rangkaian pemotong (clipper) tipe eri adalah rangkaian dengan umber inyal langung mauk ke dioda. Rangkaian clipper tipe eri dan hubungan antara maukan (input) dan luaran (output) eperti pada gambar 2.14. ampai 2.19. Gambar 2.14. Rangkaian negatip clipper Gambar 2.15. Rangkaian poitip clipper Gambar 2.16. Rangkaian poitip voltage level clipper ` 11

Gambar 2.17. Rangkaian poitip voltage level Clipper Gambar 2.18. Rangkaian negatip voltage level clipper Gambar 2.19. Rangkaian negatip voltage level clipper ` 12

2.5. Rangkaian Clamping Rangkaian clamping adalah rangkaian yang terdiri dari kapaitor dan dioda yang berfungi untuk menggeer inyal maukan ke ii poitip atau ke ii negatip tanpa merubah bentuk inyal. Pada gambar 2.20 adalah rangkaian negatip clamping yaitu inyal maukan (input) digeer ke ii negatip tanpa merubah bentuk gelombang, tegangan makimum menjadi nol. Sedangkan pada gambar 2.21. adalah rangkaian poitip clamping yaitu inyal maukan digeer ke ii poitip, tegangan minimum digeer menjadi nol. Gambar 2.20. Rangkaian negatip clamping Gambar 2.21. Rangkaian poitip clamping ` 13

2.6. Rangkaian Pengali Dua Tegangan (Voltage Doubler) Tegangan bolak-balik dengan frekueni tertentu dan amplitudo ebear Vm dapat dilipatkan nilai amplitudonya menjadi 2.Vm dengan menggunakan dioda dan kapaitor yang diuun eperti pada gambar 2.22. dibawah. 2.22. Rangkaian pengali dua tegangan (voltage doubler) Prinip kerja dari pengali tegangan (voltage doubler) adalah : 1. Apabila gelombang yang mauk polaritanya poitip (yaitu antara 0 - π ) maka dioda D1 pada mode arah maju (forward bia) yaitu anoda mendapat poitip dan katoda mendapat negatip ehingga dioda eperti aklar yang nyambung (cloe) dan dioda D2 pada mode arah balik (revere bia) ehingga kapaitor C1 diii muatan (charge) dengan polarita poitip di ii kiri dan polarita negatip di ii kanan ampai ama dengan Vm eperti gambar 2.23. Gambar 2.23. Arah aru rangkaian pengali dua tegangan etengah gelombang poitip 2. Apabila gelombang yang mauk polaritanya negatip (yaitu antara π 2π ) maka dioda D1 pada mode arah balik (revere bia) yaitu anoda mendapat negatip dan katoda mendapat poitip ehingga dioda eperti aklar yang terbuka (open) dan dioda D2 pada mode arah maju (forward bia) ehingga kapaitor C2 diii muatan (charge) dengan polarita poitip pada ii bawah dan polarita negatip pada poii ata ampai ama dengan 2.Vm karena kapaitor C1 membuang muatan (dicharge) ehingga tegangan pada kapaitor C1 eri dengan tegangan pada ekunder trafo (Vm+Vm) eperti pada gambar 2.24. ` 14

Gambar 2.24. Arah aru rangkaian pengali dua tegangan etengah gelombang negatip Rangkaian pengali dua tegangan (voltage doubler) juga dapat diuun eperti pada gambar 2.25. Gambar 2.25. Rangkaian pengali dua tegangan (voltage doubler) Prinip kerja rangkaian di ata adalah pada etengah gelombang poitip (etengah periode pertama) maka D1 pada mode arah maju dan dioda D2 pada arah balik ehingga tegangan ekunder trafo mengii muatan (charge) kapaitor C1 ampai amplitudo Vm, edangkan pada etengah gelombang negatip (etengah periode kedua) maka ebaliknya dioda D1 pada arah balik dan dioda D2 pada arah maju ehingga tegangan ekunder trafo mengii muatan (charge) kapaitor C2 ampai amplitudo Vm ehingga pada titik ata C1 dengan titik bawah C2 tegangannya ama dengan 2.Vm dengan polarita poitip di ata dan polarita negatip di bawah. ` 15

2.7. Rangkaian Pengali Tiga (Voltage Tripler) & Pengali Empat (Voltage Quadrapler) Rangkaian dari pengali tiga tegangan adalah ama eperti pengali dua tegangan ditambah atu dioda D3 dan atu kapaitor C3. Prinip kerja pengali tiga tegangan ama eperti pengali dua tegangan yaitu untuk etengah gelombang berikutnya (etengah periode ke tiga) maka D3 pada mode arah maju dan tegangan ekunder trafo (amplitudonya Vm) eri dengan tegangan kapaitor C2 (ebear 2.Vm) dan kapaitor C2 membuang muatannya (dicharge) ehingga mengii kapaitor C1 ebear Vm dan mengii kapaitor C3 ebear 2.Vm. Tegangan eri dari C1 dan C2 ama dengan 3.Vm dimana polarita poitipnya pada ujung kiri C1 dan polarita negatipnya pada ujung kanan C2. Gambar rangkaiannya eperti gambar 2.26. Gambar 2.26. Rangkaian pengali tiga tegangan (Voltage Tripler) Sedangkan untuk rangkaian pengali empat tegangan yaitu ama dengan pengali tiga dengan menambah dioda D4 dan kapaitor C4 ehingga pada etengah gelombang keempat dioda D4 arah maju dan C4 diii muatan (charge) ampai amplitudonya ama dengan 2.Vm. Bear tegangan dari ujung kiri kapaitor C2 (poitip) dan ujung kanan C4 (negatip) ama dengan 4.Vm eperti gambar 2.27. Gambar 2.27. Rangkaian pengali empat tegangan (Voltage Quadrapler) ` 16

Latihan Soal : 1) Dioda perambungan p-n dari Silikon (Si) pada temperature kamar mempunyai aru ebear 200 µa pada tegangan ebear -1 volt. Hitunglah magnitude dari aru pada temperature kamar pada tegangan -0,3 volt dan pada +0,3 volt. Hitung juga apabila temperaturnya naik temperature kamar. o 20 C di ata 2) Sebuah gelombang inu vi = 20inω. t volt diterapkan pada rangkaian clipper dibawah. Predikilah bentuk gelombang output jika dioda dianggap ideal. 3) Gambarkan bentuk gelombang Vo apabila Vi adalah gelombang gigi-gergaji dan dioda ideal. ` 17

4) Sebuah inyal vi = 10inω. t volt, gambarkan Vo apabila diodanya ideal. 5) Gambarkan bentuk tegangan Vc1, Vc2,Vc3, Vc4 dengan input gelombang inu. ` 18

6) Gambarkan bentuk tegangan Vc1, Vc2, Vt dengan input gelombang inu pada oal 5. 7) Dari oal 6 apabila nilai C1 dan C2 ama dengan 2 µ F, a) Berapa tegangan beban DC ideal. b) Berapa aru beban DC. c) Hitunglah ripple peak to peak (riak puncak ke puncak) 8) Berapa tegangan beban ideal? Berapa PIV melinta etiap dioda? Bearnya kapaitor C1 ama dengan C2 ebear 20 µ F. 9) Berapa tegangan beban ideal? Berapa PIV melinta etiap dioda? Bearnya kapaitor C1 ama dengan C2 ama dengan C3 ebear 0,1µ F. ` 19

10) Berapa tegangan beban ideal? Berapa PIV melinta etiap dioda? Bearnya kapaitor C1 = C2 = C3 = C4 ebear 0,015µ F. 11) Gambarkan bentuk gelombang pada tahanan beban 300. ` 20