BAB I

DIODA

Tujuan Instruksional Khusus :

Setelah akhir kuliah diharapkan mahasiswa dapat :

1. Menjelaskan karakteristik dioda

2. Menghitung besarnya arus yang mengalir pada dioda

3. Menganalisa rangkaian dioda

4. Menyebutkan jenis-jenis penyearah

5. Menentukan parameter-parameter untuk merencanakan penyearah

6. Menjelaskan kegunaan filter pada rangkaian penyearah

7. Menentukan jenis filter pada penyearah

8. Menghitung nilai filter yang digunakan pada penyearah

9. Menjelaskan karakteristik diode zener

10. Menggunakan diode zener sebagai regulator pada penyearah

1.1 Pendahuluan

Dioda merupakan salah satu komponen semikonduktor yang dapat mengalirkan

arus dalam satu arah. Arus akan mengalir dari anoda ke katoda jika dioda di bias maju,

yaitu anoda terhubung dengan positif sumber dan katoda terhubung dengan negatif

sumber. Dioda banyak dipakai pada rangkaian elektronika maupun telekomunikasi.

Salah satu aplikasi dioda yang sering dipakai adalah rangkaian penyearah, Rangkaian

ini terdiri dari satu atau beberapa dioda.

1.2 Karakteristik dioda

Kurva karakteristik dioda menunjukkan hubungan antara arus yang mengalir

dengan tegangan anoda katoda VAK, seperti terlihat pada Gambar 1.1

Gambar 1.1 Karakteristik dioda Silikon dan Germanium (Robert Boylestad and Louis Nashelsky : 16)

Pada saat dioda dibias maju, yaitu VAK positif maka arus dioda ID akan naik

dengan cepat setelah VAK mencapai tegangan cut in Vγ sebesar kira-kira 0,3 V untuk

dioda germanium dan 0,7 V untuk dioda silikon.

Karakteristik dioda pada saat di bias mundur terlihat pada bagian kiri bawah dari

karakteristik Gambar 1.1. Besarnya arus jenuh mundur (reverse saturation current) Is

untuk dioda germanium dalam orde mikro amper μA, dan dalam contoh di atas adalah 1

uA. Sedangkan untuk dioda silikon, arus saturasi Is dalam orde nano amper nA, dalam

hal ini adalah 10 nA, dan besarnya arus yang mengalir pada dioda adalah:

I D=I s (e (V D /η .V T )−1 ) (1.1)

dengan :

ID = arus dioda (Amper)

IS = arus saturasi (Amper)

e = bilangan natural ( 2, 71828…)

VD = beda tegangan pada dioda

η = konstanta, 1 untuk Ge dan 2 untuk Si

VT = tegangan ekivalen temperatur (volt)

harga VT ditentukan dengan persamaan :

V T=kTq

(1.2)

dengan :

k = konstanta Boltzman, 1,381 x 10-23 J/K

T = suhu (Kelvin)

q = muatan sebuah elektron , 1.602 x 10-19

Pada suhu ruang, 250 C atau 273 + 25 = 2980 K, maka dapat dihitung besarnya VT

V T=1,38 x 10−23 J /K x 2980 K

1.602 x10−19

= 0,02569 J/C

= 26mV

1.3 Pendekatan Dioda

Dalam menganalisa rangkaian dioda, dapat digunakan tiga macam model

pendekatan (aproximate) dioda, yaitu :

Ideal model

Simplified model

Piecewise-linear model

Penggambaran ketiga model untuk dioda Silikon ditunjukkan pada Tabel 1.1.

Tabel 1.1 Aproksimasi Dioda

Model Gambar KarakteristikModel ideal

Simplified model

Piece-wise model

Dioda ideal menyerupai suatu saklar, bila VD positip saklar akan menutup (dioda

ON) sehingga arus ID besar dan bila VD negatif saklar akan membuka (dioda OFF)

sehingga arus ID = 0. Model dioda ideal dipakai terutama dalam kondisi apabila

tegangan dan resistansi jaringan sangat besar, misalnya pada power supply.

Pendekatan kedua adalah lebih lengkap dari model ideal yaitu model dioda

sederhana (Simplified model). Rangkaian ekivalennya terdiri atas dioda ideal yang diseri

dengan tegangan batere sebesar 0.7 V (untuk dioda silikon). Tegangan batere ini sebesar

tegangan cut-in dari dioda yang bersangkutan.

Pendekatan ketiga adalah yang paling komplek yaitu rangkaian ekivalen

piecewise-linier. Meskipun rangkaian ekivalen ini dianggap paling akurat, namun

bagian nonlinier dari kurva bias maju tetap dianggap sebagai linier.

Contoh Soal

1.

Hitunglah VD, VR, dan ID dari rangkaian disamping.

Jawab :

V D=0,7 Volt

V R=E−V D

¿8−0,7

¿7,3 Volt

I D=I R=V R

R= 7,3

2k 2=3,32 mA

2. Hitung tegangan output VO dan arus yang mengalir ID dari rangkaian berikut

Jawab :

dengan menggunakan pendekatan kedua, maka :

V o=E−V T 1−V T 2

¿12−0,7−0,3¿11V

I D=I R=V R

R=

V O

R= 11

5 k 6 = 1,96 mA

1.4 Penyearah

Salah satu pemakaian dioda adalah penyearah. Penyearah berarti mengubah arus

bolak-balik (ac) menjadi arus searah (dc). Sebagian besar peralatan elektronik

membutuhkan sumber daya yang berupa arus searah. Untuk kebutuhan daya dan

tegangan yang kecil biasanya cukup digunakan baterai atau accu, namun untuk lebih

dari itu diperlukan power supply.

1.4.1 Penyearah Setengah Gelombang

Rangkaian penyearah setengah gelombang Gambar 1.2, mendapat masukan dari

sekunder trafo yang berupa sinyal ac berbentuk sinus, vi = Vm Sin ωt.

Gambar 1.2 Penyearah setengah gelombang

Vm merupakan tegangan puncak atau tegangan maksimum. Harga Vm hanya bisa

diukur dengan CRO (Catode Ray Osciloscope) yakni dengan melihat langsung pada

gelombangnya. Sedangkan pada umumnya nilai yang tercantum pada sekunder trafo

adalah tegangan efektif. Hubungan antara tegangan puncak Vm dengan tegangan

efektif (Veff) atau tegangan rms (Vrms) adalah:

V eff =V rms=V m

√2=0,707V m (1.2)

I rms = Ieff = Io/2 = 0.707 Io

Tegangan 110 V atau 220 V yang diberikan oleh PLN ialah tegangan rms (root

main square), bukan tegangan maksimum.

Selama interval t = 0 → T/2, polaritas tegangan vi seperti terlihat pada Gambar

1.3, membuat dioda menjadi konduksi, ekivalen dengan rangkaian yang hubung singkat

(short circuit). Akibatnya tidak ada beda tegangan antara input dengan output sehingga

vo = vi.

Untuk perioda t = T/2 → T, polaritas tegangan vi seperti pada Gambar 1.4,

mengakibatkan dioda tidak konduksi , atau ekivalen dengan rangkaian yang terbuka

(open circuit). Sehingga tidak ada arus yang mengalir dan tegangan pada output vo = 0.

Gambar 1.5 menunjukkan sinyal input dan ouput penyearah setengah gelombang

Gambar 1.3 Sinyal ouput antara 0 → T/2

Gambar 1.4 Sinyal output pada perioda T/2 → T

Gambar 1.5 Sinyal input dan ouput penyearah setengah gelombang

Arus dioda id yang mengalir pada beban R adalah :

i = Im sin ωt , untuk 0 < ωt < π dan,i = 0 , untuk π < ωt < 2π

dengan :

I m=V m

Rs+r d+R

dengan, Rs : Resistansi sekunder Trafo

rs : Resistansi dioda

R : Beban

maka besarnya arus rata-rata Idc :

I dc=1

2 π∫0

2 π

I msin ωt

¿ 12 π

∫0

π

I m sin ωt

I dc=I m

π≅ 0,318 I m

Tegangan dc pada beban R adalah :

V dc=I dc R=I m

πR

Jika R >>> Rs + rd , maka :

V dc=V m

π≅ 0,318V m

Arus yang mengalir ke beban R bentuknya sudah searah (satu arah) yaitu positip

semua. Apabila arah dioda dibalik, maka arus yang mengalir adalah negatip. Frekuensi

sinyal keluaran dari penyearah setengah gelombang sama dengan frekuensi input (dari

jala-jala listrik) yaitu 50 Hz, karena jarak dari puncak satu ke puncak berikutnya adalah

sama. Bila diperhatikan meskipun sinyal keluaran masih berbentuk gelombang, namun

arah gelombangnya adalah sama, yaitu positif (Gambar 1.5).

1.4.2 Penyearah Gelombang Penuh

Terdapat dua jenis penyearah gelombang penuh, yaitu :

a. Penyearah Gelombang penuh dengan CT (Center Tap)

Terdapat cara yang sangat sederhana untuk meningkatkan kuantitas keluaran

positip menjadi sama dengan masukan (100%). Ini dapat dilakukan dengan menambah

satu dioda pada rangkaian seperti terlihat pada gambar 1.6. Pada saat masukan berharga

negatif maka salah satu dari dioda terbias maju sehingga memberikan keluaran positif.

Karena keluaran berharga positif pada satu periode penuh, maka rangkaian ini disebut

penyearah gelombang penuh.

Gambar 1.6 Penyearah gelombang penuh dengan trafo CT

Pada gambar 1.6 terlihat bahwa anoda pada masing-masing dioda dihubungkan

dengan ujung-ujung rangkaian sekunder dari transformer. Sedangkan katoda masing-

masing dioda dihubungkan pada titik positif keluaran. Beban R dari penyearah

dihubungkan antara titik katoda dan titik center-tap (CT) yang dalam hal ini digunakan

sebagai referensi atau “tanah”.

Mekanisme terjadinya konduksi pada masing-masing dioda tergantung pada

polaritas tegangan yang terjadi pada masukan. Keadaan positif atau negatif dari

masukan didasarkan pada referensi CT. Pada gambar 1.7 nampak bahwa pada setengah

periode pertama misalnya, vi berharga positif, menyebabkan D1 konduksi dan D2 tidak

konduksi. Pada setengah periode ini arus mengalir di D1 dan menghasilkan keluaran

yang akan nampak pada hambatan beban R.

Gambar 1.7 Kondisi tegangan input vi positif

Pada setengah periode berikutnya, vi berharga negatif (gambar 1.8),

menyebabkan D2 konduksi dan D1 tidak konduksi. Pada setengah periode ini mengalir

arus di D2 dan menghasilkan keluaran yang akan nampak pada hambatan beban. Dengan

demikian selama satu periode penuh hambatan beban akan dilewati arus D1 dan D2

secara bergantian dan menghasilkan tegangan keluaran dc.

Gambar 1.8 Tegangan input vi negatif

b. Penyearah Gelombang Penuh Sistem Jembatan

Penyearah gelombang penuh model jembatan (Bridge) memerlukan empat buah

dioda. Dua dioda akan konduksi saat isyarat positif dan dua dioda akan konduksi saat

isyarat negatif. Model penyearah jembatan ini tidak memerlukan transformator center-

tap.

Gambar 1.9 Penyearah gelombang penuh model jembatan

Seperti ditunjukkan pada gambar 1.9, bagian masukan ac dihubungkan pada

sambungan D1-D2 dan yang lainnya pada D3-D4. Katode D2 dan D4 dihubungkan dengan

keluaran positif dan anode D1 dan D3 dihubungkan dengan keluaran negatif (tanah).

Gambar 1.10 Kondisi saat vi positif

Misalkan masukan ac vi positif yaitu saat periode 0 → T/2, maka D2 dan D3

konduksi karena terbias maju seperti terlihat pada Gambar 1.10, sedangkan D1 dan D4

tidak konduksi. Pada keadaan ini arus akan mengalir dari vi positif melalui D2 ke beban

R terus melalui D3 dan menuju ke vi negatif, seperti ditunjukkan pada Gambar 1.10.

Gambar 1.11 Kondisi ketika vi negatif

Pada saat vi negatif yaitu saat setengah periode berikutnya T/2 → T, dioda D1

dan D4 akan terbias maju sedangkan D2 dan D3 akan terbias mundur. Aliran arus dimulai

dari titik vi positif melalui D4, ke beban R, melalui D1 dan kembali ke vi negatif. Perlu

dicatat di sini bahwa pada saat vi positif dan vi negatif arus yang mengalir ke beban

tetap pada arah yang sama. Sehingga besarnya tegangan dc adalah dua kalinya tegangan

dc penyearah setengah gelombang, yaitu :

V dc=2.(0,318)Vm

V dc=0,636 Vm

1.4.3 Parameter pada rangkaian penyearah

Parameter penyearah berikut diambil contoh pada penyearah setengah

gelombang.

a. Pengaturan Tegangan

Perubahan tegangan keluaran sebuah catu daya karena perubahan beban diukur oleh

pengaturan tegangan yang dinyatakan dalam prosen.

Dengan,

VTB : tegangan tanpa beban

VBP : tegangan beban penuh

Catu daya ideal akan mempunyai tegangan tanpa beban yang sama dengan

tegangan beban penuh, sehingga prosentase pengaturan tegangan adalah nol.

b. Faktor Ripple

Faktor ripple r merupakan ukuran yang menyatakan efektif tidaknya sebuah

rangkaian penyearah.

r=harga rms komponen ackomponen dc

r=I r , rms

I dc

=V r , rms

V dc

daya yang didisipasikan pada R adalah :

I rms2 . R=I dc

2 . R+ I r ,rms2 . R =

maka :

I rms2 =Idc

2 + I r ,rms2

atau

I r ,rms=√I rms2 −I dc

2

sehingga besarnya faktor ripple adalah :

r=I r , rms

I dc

=√I rms2 −I dc

2

I dc

=√( I rms

I dc)

2

−1

Harga Irms penyearah setengah gelombang adalah :

dan faktor ripple r menjadi :

= 1,21

yang artinya komponen ac yang ada pada keluaran sama dengan 1,21 % kali komponen

dc.

c. Efisiensi (η)

Perbandingan antara daya dc yang diteruskan ke beban dengan daya input

sekunder transformator merupakan ukuran keefektifan suatu rangkaian

penyearah,:

η=Pdc

Pac

dengan :

Pdc=I dc2 . R=

Im2

π 2 . R

Pac=I rms2 (r+R )=

I m2

4(r+R)

sehingga :

η=

Im2

π 2 R

I m2

4 (r+R)

= 4

π2.

1rR

+1

Jika r << R, maka η= 4

π2=0,406=40,6 %

Artinya, hanya 40,6 % daya masukan ac yang diubah menjadi daya dc pada

beban.

d. Transformer Utilization Factor (TUF)

Merupakan perbandingan daya DC yang diteruskan ke beban terhadap daya

nominal sekunder trafo.

TUF=

I m2

π2 R

V m

√2.

I m

2

dengan, Vm = Im (r + R),

jika R >> r , maka :

TUF=2√2π2 =0,287

Artinya, jika transformator dengan daya nominal 1000 VA bila digunakan pada

rangkaian penyearah setengah gelombang, maka daya dc yang dapat diteruskan

ke beban oleh trafo tanpa over heating adalah : 1000 x 0,287 = 287 watt.

e. Peak Inverse Voltage (PIV)

Dalam perencanaan rangkaian penyearah yang juga penting untuk

diketahui adalah berapa tegangan maksimum yang boleh diberikan pada dioda.

Tegangan maksimum yang harus ditahan oleh dioda ini sering disebut dengan

istilah PIV (peak-inverse voltage) atau tegangan puncak balik. Hal ini karena

pada saat dioda mendapat bias mundur (balik) maka tidak arus yang mengalir

dan semua tegangan dari sekunder trafo berada pada dioda. Kondisi ini terjadi

pada puncak perioda negatif dari tegangan sekunder. PIV harus lebih kecil dari

tegangan breakdown dioda. PIV untuk penyearah setengah gelombang adalah

sebesar Vm.

f. Form Factor

Form factor= tegangan rmsteganganrata−rata

¿

V m

2V m

π

=π2

¿1,57

g. Peak Factor

peak factor=tegangan maksimumtegangan rms

¿V m

V m

2

¿2

Perbandingan parameter dari penyearah setengah gelombang dengan penyearah

gelombang penuh ditunjukkan pada Tabel 1.2 berikut :

Tabel 1.2 Perbandingan Penyearah

Parameter Jenis PenyearahSetengah Gelombang Gelombang penuh Bridge

Jumlah dioda 1 2 4Efisiensi maksimum

40,6 % 81,2 % 81,2 %

Vdc (tanpa beban) V m

π

2V m

π

2V m

πArus rata-rata (Iav) Idc I dc

2

I dc

2Factor ripple 1,21 0,48 0,48PIV Vm 2Vm 2Vm

Frekuensi output f 2f 2fTUF 0,287 0,693 0,812Form factor 1,57 1,11 1,11Peak factor 2 √2 √2

1.5 Penapis (Filter)

Pada prinsipnya yang diinginkan pada keluaran penyearah hanya komponen dc,

maka perlu adanya penyaringan untuk membuang komponen ac.

Gambar 1.12 Blok diagram power supply

Gambar 1.12 menunjukkan bagian dari power supply. Tegangan ac 120Vrms

dihubungkan dengan transformator yang berfungsi untuk menurunkan tegangan ac

sesuai dengan tegangan output dc yang diinginkan. Penyearah gelombang penuh akan

menyearahkan tegangan ac menjadi dc. Keluaran dari penyearah menunjukkan bahwa

ripple tegangan masih besar, dengan kata lain komponen ac masih masih besar. Untuk

itu perlu dilakukan penyaringan (filter).

Secara praktis dapat dipasang sebuah kapasitor pada kaki-kaki beban sebagai filter,

karena kapasitor bersifat terbuka untuk komponen dc dan mempunyai impedansi yang

rendah untuk komponen ac.

Berdasarkan jenis komponen yang digunakan, filter penyearah dapat

dikelompokkan menjadi dua. Kelompok pertama dilakukan dengan memasang kapasitor

atau disebut sebagai filter kapasitor. Kelompok lain dilakukan dengan memasang

induktor atau kumparan disebut sebagai filter induktif atau tapis masukan-L. Keluaran

filter Capasitor C biasanya mengalami penurunan saat beban meninggi. Sedangkan filter

Induktor L cenderung mempertahankan keluaran pada harga yang relatif konstan.

Namun demikian tegangan keluaran filter-L relatif lebih rendah dibandingkan tapis-C.

Konsep filter ditunjukkan pada Gambar 1.13, yang memperlihatkan bahwa keluaran

dari filter masih mengandung komponen ac (Vripple)p-p, sehingga diperlukan rangkaian

filter yang baik agar bisa meminimalkan komponen ac.

Gambar 1.14 Filter tegangan dengan komponen dc dan tegangan ripple

Pada bab ini hanya akan dibahas mengenai filter kapasitor. Filter kapasitor sangat

efektif digunakan untuk mengurangi komponen ac pada keluaran penyearah. Pertama

akan di lihat karakter kapasitor sebagai filter dengan memasang langsung pada keluaran

penyearah tanpa memasang beban.

a. Penyearah Tanpa Beban

Rangkaian tanpa beban dengan pemasangan kapasitor beserta bentuk keluarannya

diperlihatkan pada Gambar 1.15. Saat sumber tegangan dihidupkan, satu dioda

berkonduksi dan keluaran berusaha mengikuti tegangan transformator. Pada kondisi ini

tiba-tiba tegangan kapasitor menjadi besar dan arus yang mengalir menjadi besar (dalam

ini, i C dv / dt; dv / dt ). Saat masukan membesar keluaran juga akan membesar,

namun saat masukan menurun tegangan kapasitor atau keluaran tidak mengalami

penurunan tegangan karena tidak ada proses penurunan tegangan. Dalam keadaan ideal,

tegangan keluaran dc akan sama dengan tegangan puncak masukan Vm dan akan

ditahan untuk seterusnya

Gambar 1.15. Penyearah Gelombang penuh tanpa beban

b. Penyearah Gelombang Penuh dengan beban dan filter kapasitor.

Gambar 1.16 menunjukkan rangkaian penyearah gelombang penuh dengan filter

kapasitor.

.

Gambar 1.16 Penyearah gelombang penuh dengan filter kapasitor

Cara kerja filter kapasitor dapat dijelaskan sesuai gambar berikut :

Selama seperempat periode positif, dioda D dibias maju . Dengan pendekatan

pertama, dioda seperti saklar tertutup sehingga akan terjadi pengisian muatan pada

kapasitor sampai mencapai tegangan maksimum Vm atau Vp

Gambar 1.17 Filter kapasitor selama seperempat perioda positif

Setelah sedikit saja melewati puncak positif, dioda akan off, hal ini terjadi karena

kapasitor mempunyai tegangan sebesar Vm, yang artinya tidak ada beda tegangan

sehingga dioda seperti saklar terbuka. Karena dioda off, kapasitor mulai mengosongkan

muatan melalui beban RL sampai tegangan sumber mencapai harga yang lebih besar dari

tegangan kapasitor.

Gambar 1.18 Pengosongan muatan pada filter kapasitor

Kapasitor kembali mulai mengisi muatan sampai mencapai tegangan input

maksimum Vm ketika dioda on. Pengisian muatan akan berhenti saat tidak ada beda

tegangan antara tegangan kapasitor dengan tegangan input.

Gambar 1.19 Pengisian muatan pada filter kapasitor

Dari Gambar 1.16, besarnya muatan yang dilepaskan kapasitor selama interval

waktu T2 adalah :

Q pengosongan=Idc T 2

Muatan ini akan diganti selama perioda menghantar dioda T1, sehingga tegangan

kapasitor berubah sebesar tegangan ripple puncak ke puncak Vr(p-p). Perubahan muatan

kapasitor adalah :

Q pengisian=V r , p−p .C

maka :

Q pengisian=Q pengosongan

V r , p−p .C=I dc T 2

V r , p−p=I dc .T 2

C

Dengan menganggap arus beban kecil, ripple kecil, maka waktu pengisian

kapasitor sangat kecil dibandingkan waktu pengosongan, maka :

T 2=T2= 1

2 f

jadi :

V r , p− p=I dc

2 f C

Karena arus beban dianggap kecil, maka bentuk gelombang ripplenya menyerupai

segitiga (Gambar 1.20), dengan harga puncak ke puncak Vr,p-p

Gambar 1.2: Gelombang ouput filter kapasitor

Besarnya tegangan efektif ripple adalah :

V r ,rms=V r , p−p

2√3

Karena I dc=V dc

RL, maka :

V r ,rms=

I dc

2. f . C2√3

=I dc

4√3 . f .C=

V dc

4 √3. f . C . RL

sehingga faktor ripple adalah :

r=V r ,rms

V dc

= 14√3 . f .C .RL

dengan :

f : frekuensi (Hz)

C : Kapasitor (Farad)

RL : Resistansi beban (Ω)

Dari persamaan tersebut terlihat bahwa faktor ripple akan berkurang dan tegangan

keluaran dc bertambah bila nilai C dan RL diperbesar.

1.6 Dioda Zener

Struktur Dioda zener tidaklah jauh berbeda dengan dioda biasa, hanya tingkat

dopingnya saja yang sangat berbeda. Kurva karakteristik dioda zener juga sama seperti

dioda biasa, namun perlu dipertegas adanya daerah breakdown dimana pada saat bias

mundur mencapai tegangan breakdown maka arus dioda naik dengan cepat (Gambar

1.21). Daerah breakdown inilah titik fokus penerapan dari dioda zener. Sedangkan pada

dioda biasa tidak diperbolehkan pemberian tegangan mundur sampai pada daerah

breakdown, karena bisa merusak dioda.

Gambar 1.21 Karakteristik diode zener

Penerapan dioda zener yang paling penting adalah sebagai penstabil tegangan

(voltage regulator). Analisa dioda zener dilakukan seperti cara menganalis dioda

sebelumnya. Ketika dioda zener diindikasikan ON, rangkaian penggantinya adalah

sumber tegangan Vz, sedangkan ketika diode zener OFF, rangkaian penggantinya

adalah saklar terbuka.

Gambar 1.22 Pengganti dioda zener saat On dan Off

1.6.1 Vi dan R tetap

Rangkaian diode zener yang paling sederhana dapat dilihat pada Gambar 1.23.

Gambar 1.23 Rangkaian dasar regulator zener

Analisa rangkaian zener dapat dilakukan dengan langkah berikut :

a. Tentukan kondisi zener dengan melepasnya dari rangkaian dan menghitung

tegangan pada untai terhubung.

Gambar 1.24 Rangkaian regulator dengan dioda zener terbuka

Tegangan V dapat dihitung dengan menerapkan aturan pembagi tegangan :

V=V L=RL V i

R+ RL

Jika V ≥ Vz , zener → ON.

Zener dapat diganti dengan rangkaian penggantinya. Sebaliknya jika V ≤ Vz

maka zener → OFF dapat digantikan dengan saklar terbuka.

b. Ganti zener dengan rangkaian ekivalennya

Gambar 1.25 Rangkaian ekivalen zener ON

Dari Gambar 1.25, arus yang mengalir pada zener dapat ditentukan dengan

KCL :

I R=I Z+ I L

I Z=I R−I L

dengan :

I L=V L

RL

I R=V R

R=

V i−V L

R

dan daya yang diserap zener :

PZ=V Z I Z

1.6.2 Vi tetap dan RL variabel

ON/OFF – nya zener tergantung pada interval nilai RL . Resistor beban yang

terlalu kecil akan berakibat zener OFF. Nilai minimum RL dapat dihitung

dengan cara :

V L=V Z=RL V i

RL+R

RLmin=R V Z

V i−V Z

Jika RL yang dipilih > RL min maka zener ON. Selanjutnya ganti dengan

rangkaian ekivalen zener ON.

RL min akan menimbulkan IL mak

I L max=V L

RL

=V Z

RL min

Tegangan pada R :

V R=V i−V Z

I R=V R

R

I Z=I R−I L

IZ min dicapai pada IL max dan sebaliknya

I L min=I R−I Z max

RLmax=V Z

I Lmin

1.6.3 RL tetap dan Vi variabel

Untuk nilai RL yang tetap, tegangan Vi harus cukup besar untuk dapat

mengakibatkan zener ON.

Tegangan Vi minimum ditentukan oleh :

V L=V Z=RL V i

RL+R

V Lmin=(RL+R)V Z

RL

I Rmax=I Z max−I L

V i max=V R max+V Z

V i max=I Rmax R+V Z

Contoh Soal :

1a. Hitunglah nilai VL, VR, IZ, dan PZ dari rangkaian diode zener berikut.

b, Ulangi (a) jika RL = 3K

Gambar 1.26 Rangkaian regulator

Jawab :

a. Rangkaian ekivalen dari Gambar 1.26 adalah :

V=RL V i

RL+Ri

¿ 1,2 k x161,2k+1 k

¿8,73 V V < Vz

Karena V < Vz, diode zener OFF, sehingga :

V=V L=8,73 V

V R=V i−V L=16 V−8,73V =7,2V

Iz = 0

maka :

PZ=V Z I Z=0

b. Jika RL = 12 K, maka :

V=3 k x16 V3 k+1 k

=12 V

V > Vz , diode zener ON

sehingga V L=V Z=10 V

dan V R=V i−V L=16 V−10 V =6 V

dengan :

I R=V R

R=6 V

1 k=6 mA

dan

I L=V L

RL

=10 V3k

=3,33mA

sehingga :

I Z=I R−I R=6 mA−3,33 mA=2,67 mA

Disipasi daya pada zener :

PZ=V Z I Z=(10 V ) (2,67 mA )=26,7mW

1.7 Latihan Soal

1a. Gunakan karakteristik dioda berikut untuk menghitung nilai VD, ID, dan VR

b. Ulangi pertanyaan (a) dengan pendekatan dioda, dan bandingkan hasilnya.

1. Hitung nilai VD, VR dan ID

2. Hitung nilai VD, VR dan ID

3. Hitung VD dan ID dari rangkaian tersebut

4. Hitung VD dan ID dari rangkaian tersebut

2. Apakah perbedaan karakteristik statis dan karakteristik dinamis sebuah dioda ?

3. Apakah pengaruh tegangan-potong (cut-in) pada gelombang keluaran dibandingkan

dengan gelombang masukan ? Mungkinkah pengaruh tersebut dihilangkan ?

4. Terangkan bagaimana caranya menentukan resistansi dalam (RD) sebuah pencatu

daya ?

5. Sebutkan beberapa keuntungan penyearah gelombang penuh dibandingkan dengan

penyearah gelombang setengah !.

6. Berapa PIV sebuah dioda pada :

a. Penyearah gelombang setengah

b. Penyearah gelombang penuh pembalik fasa

c. Penyearah gelombang penuh jembatan

7. Terangkan bagaimana sebuah kapasitor dapat berfungsi sebagai filter pada catu daya

8. Terangkan prinsip kerja sebuah pengatur tegangan yang menggunakan dioda zener ?

9. Sebuah catu daya mempunyai tegangan tanpa beban 12 V. berapakah tegangan

beban penuh bila pengaturan tegangan : a) 10%; b) 50%; c) 100%; d) 200%

10a. Sebuah catu daya mempunyai faktor riak ( r ) 10 %. Bila tegangan keluaran DC

adalah 10 Volt, berapakah tegangan efektif ripple (Vr, rms) pada keluaran

b. Anggap bahwa tegangan ripple adalah sinusoidal. Berapakah tegangan ripple

puncak ke puncak.

c. Gambar bentuk tegangan keluarannya !

11a. Berapakah daya AC yang dipindahkan dari gulungan sekunder trafo yang

digunakan pada penyearah setengah gelombang, bila daya DC yang diinginkan

pada beban 500 Watt

b. Berapakah daya AC yang dipindahkan bila digunakan pada penyearah gelombang

penuh.

12. Tentukanlah daya nominal trafo untuk memindahkan daya DC 100 Watt ke beban

pada kondisi berikut :

a. Penyearah gelombang setengah

b. Penyearah gelombang penuh dengan tap-tengah

c. Penyearah gelombang penuh jembatan

13. Sebuah transformator step-up dengan tap-tengah mempunyai perbandingan

transformasi 5 dihubungkan dengan tegangan AC 120 V / 60 Hz pada primernya.

Jika trafo tersebut digunakan pada penyearah gelombang penuh pembalik fasa

dengan beban 1 KΩ. Hitunglah :

a. Tegangan dan arus DC pada beban

b. Daya DC yang dipindahkan pada beban

c. Daya nominal trafo sekunder

d. Daya masukan AC pada trafo bila efisiensi trafo 80 % dan PP = 0,812

e. Tegangan riak pada beban dan frekuensi riak

f. PIV pada masing-masing dioda

g. Bila penyearah menggunakan rangkaian jembatan dengan menggunakan rating

trafo pada soal butir c.

h. Tegangan DC pada beban 1 KΩ

i. PIV pada masing-masing dioda

14. a) Tentukan harga tegangan efektif pada trafo sekunder supaya tegangan DC tanpa

beban adalah 9V pada penyearah jembatan.

b) Bila resistansi gulungan sekunder adalah 3 Ω dan masing-masing dioda

mempunyai resistansi dinamis 1 Ω, berapakah tegangan DC keluaran pada beban

90 Ω

15. Bila resistansi induktor pada soal 14 adalah 20 Ω, berapakah tegangan DC pada

beban 100 Ω bila tegangan sekunder trafo adalah 120 V. berapakah presentasi

tegangannya.

16. Sebuah trafo tap-tengah yang mempunyai tegangan sekunder 12,6 V digunakan

dalam penyearah gelombang penuh dengan tapis kapasitor 100 µF pada beban

resistansi 1 KΩ. Tentukan :

a) Presentasi riak

b) Tegangan DC keluaran

17. a) Bila pada soal nomor 16, tegangan DC keluaran paling rendah yang dapat

ditolerir adalah 6 Volt, berapakah harga kapasitor minimum yang dapat

digunakan untuk beban resistansi yang sama

b) Berapakah presentasi riak

18. a) Bila pada soal nomor 17, harga kapasitor adalah 100 µF dan tegangan DC

keluaran adalah 6 Volt, berapakah harga resistansi beban.

b) Berapakah presentasi ripple

19. Rancanglah sebuah rangkaian regulator yang memberikan tegangan 12 Volt pada

beban yang arusnya berubah dari 5 mA sampai 35 mA. Tegangan keluaran adalah

18 V. Anggap tegangan zener yang dipilih adalah 12 volt, IZT = 20 mA. Tentukan :

a) Tegangan jatuh pada resistor dan rating dayanya dengan menggunakan suatu

harga rata-rata arus beban IL dimana IZ = IZT.

b) Rating daya minimum dari dioda zener.

c) Harga maksimum IZK untuk mempertahankan pengaturan tegangan yang dapat

diterima pada saat arus beban minimum

a. Latihan :