Hal

aman

1

DIODA : KARAKTERISTIK DAN APLIKASI

Praktikan: Nicholas Melky S Sianipar (13206010) Asisten: Hifni Ashif

Waktu Percobaan: 6 Maret 2009EL2140 – Praktikum Elektronika

Laboratorium Dasar Teknik ElektroSekolah Teknik Elektro dan Informatika – ITB

Abstrak

Pada praktikum ini praktikan mencoba beberapa kit praktikum yang berisi rangkaian penyearah dan dioda. Dengan menggunakan osiloskop, praktikan dapat memahami dan mengamati karakteristik dioda dan tegangan output dari sebuah rangkaian penyearah. Dengan mengubah-ubah kondisi rangkaian, seperti kapasistansi dan resistansi, maka praktikan dapat melihat perubahan-perubahan dan karakteristik rangkaian tersebut. Namun juga, praktikan mencoba rangkaian-rangkaian lainnya seperti rangkaian clipper dan clamper. Dan dari hasil pengamatan tersebut, praktikan dapat mengambil beberapa kesimpulan.

1. Pendahuluan

Praktikum Elektronika EL2140 bertujuan agar mahasiswa dapat melakukan percobaan dan pengamatan secara langsung mengenai perangkat-perangkat elektrik. Dan dalam percobaan ini dilakukan pengamatan karakteristik diode sebagai penyearah dan penggunaanya dalam aplikasi seperti rangkaian clipper dan clamper. Rangkaian penyearah yang dicoba adalah rangkaian penyearah gelombang setengah, gelombang penuh (dengan trafo center tapped), dan penyearah gelombang penuh tipe jembatan. Dan jenis diode yang dicobakan dalam praktikum ini yaitu : Dioda Ge, Dioda Si, dan Dioda zener. Dengan berbagai rangkaian tersebut, diharapkan praktikan dapat memahami karakteristik dioda dan aplikasinya.

2. Dasar Teori

2.1 Dioda Sebagai PenyearahPenggunaan dioda yang paling dasar adalah sebagai penyearah arus bolak‐balik jala‐jala menjadi arus searah pada suatu sumber tegangan DC, seperti catu daya. Tegangan pada rangkaian penyearah gelombang penuh diperoleh sebesar [1]

dimana Vp adalah magnituda tegangan puncak sinyal AC yang disearahkan dan tegangan ripple Vr sebesar [2]

dengan f frekuensi sinyal AC jala‐jala yang digunakan, C kapasitansi filter dan R beban pada rangkaian penyearah dan filter.

Untuk catu daya tegangan ideal (DC murni), tegangan ripple harus bernilai nol. Keadaan ini dapat diperoleh bila

(i) nilai resistansi R beban adalah tak hingga

(ii) nilai kapasitansi C sangat besar (tak hingga).

Nilai resistansi resistansi beban tak hingga berarti rangkaian tanpa beban (beban terbuka). Dengan demikian untuk keadaan praktis hal yang dapat digunakan adalah dengan menggunakan kapasitansi C yang besar. Nilai kapasitansi C yang besar akan memberikan tegangan ripple yang kecil. Dalam percobaan ini akan dilakukan pengamatan pengaruh nilai kapasitansi dan resistansi beban terhadap tegangan ripple.

Sebuah catu tegangan ideal juga seharusnya tidak mengalami degradasi tegangan outputnya bila mendapat beban yang berarti catu tegangan ideal dapat dimodelkan dengan sumber tegangan. Pada kenyataannya catu tegangan seperti ini selalu mengalami degradari dengan naiknya arus beban. Perilaku seperti ini dapat dimodelkan dengan Rangkaian Thevenin berupa hubungan seri sumber tegangan dan resistansi output. Besaran resistansi output ini menentukan berapa degradasi tegangan yang diperoleh. Untuk rangkaian penyearah gelombang penuh besar resistansi output efektif dapat dihitung [3]

Besaran lain yang dapat digunakan untuk menunjukkan perilaku yang sama adalah faktor regulasi tegangan VR. Besaran ini tidak bersatuan dan didefinisikan sebagai [4]

dimana Vnl adalah tegangan tanpa beban dan Vfl adalah tegangan beban penuh. Nilai

Hal

aman

2

regulasi tegangan VR yang kecil menunjukkan sumber tegangan yang lebih baik.

2.2 Rangkaian Clipper dan ClamperDalam percobaan ini akan dilakukan pengamatan sinyal output yang dihasilkan oleh rangkaian Clipper dan Clamper. Rangkaian clipper adalah rangkaian yang digunakan untuk membatasi tegangan agar tidak melebihi dari suatu nilai tegangan tertentu. Rangkaian ini dapat dibuat dari dioda dan sumber tegangan DC yang ditunjukkan oleh gambar di bawah ini.

Gambar 2.2-1 Rangkaian Clipper

Rangkaian alternatif dapat juga dibuat dengan menggunakan dioda zener seperti yang ditunjukkan oleh gambar berikut ini.

Gambar 2.2-2 Rangkaian Clipper dengan Dioda Zener

Rangkaian Clamper adalah rangkaian yang digunakan untuk memberikan offset tegangan DC, dengan demikian, tegangan yang dihasilkan adalah tegangan input ditambahkan dengan tegangan DC. Rangkaian ini ditunjukkan oleh berikut ini.

Gambar 2.2-3 Rangkaian Clamper

3. Metodologi

Gambar 3-1 Metodologi Percobaan

Pertama praktikan akan men-setting generator sinyal menggunakan osiloskop sampai sebesar 12 Vrms Sinusoidal. Pada kit rangkaian telah tersedia berbagai komponen diantaranya : Trafo, 3 jenis diode, resistor, dan filter berupa kapasitor, sehingga pada saat praktikan merangkai tinggal menghubung-hubungkan komponen tersebut. Namun, untuk merangkai rangkian clipper dan clamper menggunakan breadboard untuk memasang diode beserta sumber DC-nya.

4. Hasil dan Analisis

4.1 Karakteristik Dioda

Gambar 4.1-1 Rangkaian Karakteristik Dioda

Hasil pengukuran dari rangkaian karakteristik diode seperti pada Gambar 4.1-1 dapat dilihat pada tabel berikut.

Tabel 4.1-1 Tabel Karakteristik Dioda

No.

JenisDioda

Tegangan

Cut-in (V)

Tegangan Breakdow

n (V)

Rangkaian

1. Silikon 0.7 -20 R = 1KΩ, Vs=12Vrms, 300Hz

2. Germanium

0.6 -20

3. Zener 0.8 -17.1

Dari data diatas dapat diamati bahwa jenis diode memiliki karakteristik yang berbeda. Pada diode Silikon memiliki Tegangan cut-in sebesar 0,7 V sedangkan diode Germanium sebesar 0,6 V. Hal ini terjadi kembali kepada konsep dasar semikonduktor yang mana masing-masing elemen semikonduktor memiliki ikatan

Setting generator sinyal

sinusoidal, 300Hz, 12 Vrms

Rangkai kit praktikum

sesuai model rangkaian pada

gambar

Kalibrasi dan lakukan

pengukuran dangan

Osiloskop

Ubah karakteristik

rangkaian dan lakukan

pengamatan

Hal

aman

3

kovalen yang sedikit berbeda pula sehingga jenis diode pun memiliki sedikit perbedaan karakteristik.

Gambar 4.1-2 Ouput Ch. A dan Ch. B pada Osiloskop

Dari gambar diatas dapat dilihat bahwa gelombang AC sinusoidal pada Ch.A diubah menjadi gelombang DC setengah sinusoidal pada Ch. B. Hal ini menjadi konsep diode sebagai penyearah juga.

Gambar 4.1-3 Karakteristik Dioda Silikon

Gambar 4.1-4 Karakteristik Germanium

Gambar 4.1-5 Karakteristik Dioda Zener

Dari ketiga gambar diatas dapat disimpulkan bahwa masing-masing diode memiliki karakteristik yang berbeda-beda. Perbedaan diantara ketiga gambar tersebut, tampak bahwa kemiringan eksponensial arus terhadap tegangan pada diode Ge lebih rendah daripada diode Si maupun diode Zener. Akan tetapi, tegangan breakdown diode tidak tertampil pada osiloksop karena tegangan breakdown diode biasanya lebih rendah dari -20V, sedangkan pada rangkaian yang dipakai adalah tegangan sebesar 12Vrms.

4.2 Penyearah dan Filter

Gambar 4.2-1 Rangkaian Penyearah Gekombang Setengah

Pada kit praktikum yang terdapat di laboratorium, rangkaian Gambar 4.2-1 disusun dan digunakan tegangan jala-jala sebesar 220V/50Hz pada transformator di kit tersebut. Setelah mengukur gelombang dengan pengaruh kapasitansi dan resistansi yang berbeda-beda, dilakukan pengukuran dengan menghubungakn resistor Rm dari CT trafo ke Ground seperti pada gambar berikut.

Gambar 4.2-2 Rangkaian Penyearah Gekombang Setengah dengan Beban Rm

Hal

aman

4

Hasil pengukuran dari kedua rangkaian penyearah gelombang setengah tersebut dapat dilihat pada kedua tabel berikut.

Tabel 4.2-2 Tabel Penyearah Gelombang Setengah dengan Resistansi Konstan (R=27Ω)

C(F)

Teg

DC (V)

TegRipple(mV)

FrekTeg

Ripple

(Hz)

Frek Arus Diod

a(Hz)

Arus Mak

s (mA

)

Rm (Ω)

Hitung

Amati

2200µ

7.52

1.01 0.9 49.76 50 652 0.2

1000µ

7.44

2.22 1.8 49.79 50 576 0.2

470µ 7.18

4.73 3.6 49.80 50 480 0.2

Tabel 4.2-3 Tabel Penyearah Gelombang Setengah dengan Kapasitansi Konstan (C=2200µF)

R(Ω)

Teg DC (V)

TegRipple(mV)

FrekTeg

Ripple

(Hz)

Frek Arus Diod

a(Hz)

Arus

Maks

(mA)

Rm (Ω)

Hitung

Amati

27 7.65 1.01 0.9 49.72 50 652 0.2

180

14.75

0.15 0.4 49.74 50 110 0.2

1K 18.40

0.027 0.1 49.73 50 20.3 0.2

Tegangan ripple perhitungan diperoleh dari rumus [2] pada bagian 2 Dasar Teori, yang mana perolehan Vp sebesar 15Vrms

dari transformator Center-Tapped. Terdapat perbedaan sedikit antara Teg ripple perhitungan dengan pengamatan. Hal ini dapat disebabkan oleh beberapa hal diantaranya adalah kesalahan pembacaan pada osiloskop yang kurang teliti (seperti pada Gambar 4.2-4). Pembacaan dapat meleset sekitar 0.2mV.

Gambar 4.2-3 Tegangan Ouput dengan Kompling DC Osiloskop (R=27Ω, C=2200µF)

Gambar 4.2-4 Tegangan Ouput dengan Kompling AC Osiloskop (R=27Ω, C=2200µF)

Tampak pada gambar diatas bahwa gelombang telah menjadi ‘searah’ atau DC. Namun karena pemakaian beban dan ada bantuan dari filter juga, masi memiliki ripple atau gelombang AC kecil. Pada kopling AC kita dapat mengamatai Tegangan ripple dari gelombang yang telah disearahkan tersebut sebesar 0.9mV.

Gambar 4.2-5 Tegangan Ouput dengan Kompling AC Osiloskop (R=27Ω, C=1000µF)

Gambar 4.2-6 Tegangan Ouput dengan Kompling DC Osiloskop (R=180Ω, C=2200µF)

Dari kedua gambar diatas dapat dilakukan perbandingan dengan Gambar 4.2-3 & 4.2-4 yang menggunakan R=27Ω, C=2200µF. Dapat diamati bahwa semakin kecil kapasistansi filter maka ripple tegangan tampak semakin besar (Pada

Hal

aman

5

Gambar 4.2-5 sebesar 1.8mV). Dan juga pada Gambar 4.2-6 dapat diamati bahwa semakin semakin besar resistansi beban pada rangkaian penyearah maka semakin kecil tegangan ripplenya. Sehingga, dari karakteristik tersebut dapat disimpulkan bahwa rangkaian penyearah yang baik adalah semakin besar kapasistansi filternya dengan beban resistansi yang besar pula mendekati open-circuit (R mendekati ∞).

Gambar 4.2-7 Rangkaian Penyearah Gekombang Penuh

Rangkaian penyearah gelombang penuh yang dirangkai pada kit praktikum sesuai gambar diatas menghasilkan karakteristik pada tabel-table berikut.

Tabel 4.2-4 Tabel Penyearah Gelombang Penuh dengan Resistansi Konstan (R=27Ω)

C(F)

Teg

DC (V)

TegRipple(mV)

FrekTeg

Ripple

(Hz)

Frek Arus Diod

a(Hz)

Arus Mak

s (mA

)

Rm (Ω)

Hitung

Amati

2200µ

8.54

1.01 0.9 50.07 50 678 0.2

1000µ

8.47

2.22 1.8 50.07 50 649 0.2

470µ 8.37

4.73 3.3 50.07 50 586 0.2

Tabel 4.2-5 Tabel Penyearah Gelombang Penuh dengan Kapasitansi Konstan (C=2200µF)

R(Ω)

Teg DC (V)

TegRipple(mV)

FrekTeg

Ripple

(Hz)

Frek Arus Diod

a(Hz)

Arus Mak

s (mA

)

Rm (Ω)Hitun

gAmati

27 8.43 1.01 0.9 50.07 50 678 0.2180

22.54

0.15 0.4 50.07 50 107 0.2

1K 33.71

0.027 0.1 50.07 50 19.5 0.2

Gambar 4.2-8 Tegangan Ouput Rangkaian Gelombang Penuh dengan Kompling AC Osiloskop

(R=27Ω, C=2200µF)

Gambar 4.2-7 Rangkaian Penyearah Gekombang Penuh Jembatan

Rangkaian penyearah gelombang penuh tipe Jembatan menghasilkan karakteristik pada tabel-table berikut.

Tabel 4.2-6 Tabel Penyearah Gelombang Penuh Jembatan dengan Resistansi Konstan (R=27Ω)

C(F)

Teg

DC (V)

TegRipple(mV)

FrekTeg

Ripple

(Hz)

Frek Arus Diod

a(Hz)

Arus Mak

s (mA

)

Rm (Ω)

Hitung

Amati

2200µ

6.95

1.01 0.7 50.01 50 678 0.2

1000µ

6.91

2.22 1.7 50.01 50 649 0.2

470µ 6.69

4.73 3.2 50.01 50 586 0.2

Tabel 4.2-7 Tabel Penyearah Gelombang Penuh Jembatan dengan Kapasitansi Konstan (C=2200µF)

R(Ω)

Teg DC (V)

TegRipple(mV)

FrekTeg

Ripple

(Hz)

Frek Arus Diod

a(Hz)

Arus Mak

s (mA

)

Rm (Ω)Hitun

gAmati

27 6.97 1.01 0.8 50.01 50 678 0.2180

14.02

0.15 0.3 50.01 50 107.6

0.2

1K 17.62

0.027 0.1 50.00 50 19.5 0.2

Gambar 4.2-9 Tegangan Ouput Rangkaian Gelombang Penuh Jembatan dengan Kompling AC Osiloskop

(R=27Ω, C=2200µF)

Dari data diatas dapat disimpulkan karakteristik rangkaian penyearah gelombang penuh dan jembatan hampir menyerupai karakteristik rangkaian penyearah gelombang setengah, yaitu Tegangan ripplenya akan semakin kecil apabila kapasitansi filternya semakin besar dan resistansi beban yang besar juga. Tegangan ripple rangkaian penyearah tipe jembatan diode tampak lebih ‘mulus’ ketika digunakan kapasitansi yang besar dan resistansi yang besar seperti pada Gambar 4.2-9. Hal ini karena gelombang penuh lebih ripple

Hal

aman

6

gelombangnya lebih kecil dan periodanya lebih pendek (lihat gambar berikut).

Gambar 4.2-10 Perbedaan Ripple Tegangan Ouput Rangkaian Gelombang Setengah dengan Penuh

Sedangkan, untuk perhitungan arus diode dilakukan dengan mengukur pada osiloskop seperti pada gambar berikut.

Gambar 4.2-11 Ouput Arus Dioda (R=27Ω, C=2200µF, Rm= 0.2 Ω)

Pada saat praktikum, kelompok kami mengalami kendala pada percobaan karakteristik diode. Bantuan kordas dan asisten yang mendatangi meja kelompok kami cukup memakan waktu. Dan hasil output tegangan pada osiloskop tetap tidak keluar. Kami pun ‘terpaksa’ berpindah ke meja lain untuk mecoba dari awal. Hal ini menyebabkan kami hanya sempat melakukan percobaan sampai pada rangkaian clipper.

4.3 Rangkaian Clipper

Gambar 4.3-1 Tegangan Ouput Rangkaian Clipper

Rangkaian Clipper yang berfungsi sebagai pemabatas tegangan tampak pada gambar diatas. Dengan rangkaian seperti pada Gambar 2.2-1, jelas bahwa untuk tegangan diatas 5V (tepatnya 5.7V), akan menyebabkan diode bersifat ON dan mengalirkan arus yang sangat besar (cut-in). Pada kondisi ini tegangan dipertahankan pada maksimum 5.7V.

4.4 Rangkaian Clamper (Simulasi EWB)

Gambar 4.4-1 Tegangan Ouput Rangkaian Clamper

Output tegangan rangkaian clamper tampak sebagai super posisi dari gelombang AC dan DC. Hal ini memang jelas sebagai fungsi dari rangkaian clamper (seperti pada Gambar 2.2-3) bahwa gelombang AC pada input akan ditambah dengan tegangan DC pada VR tanpa ‘mengganggu’ sinyal DC pada input sebenarnya.

5. Kesimpulan

Dioda memiliki karakteristik yang unik seperti mempunyai tegangan cut-in dan tegangan breakdown yang tidak dimiliki komponen lain. Kemiringan karakteristik kurva yang berarti resistansi dinamis suatu diode, berbeda-beda pada tiap jenisnya. Beberapa kemungkinan penggunaan dioda yaitu pada penyearah gelombang, rangkaian clipper dan clamper. Penyearah gelombang penuh memiliki tegangan ripple yang lebih kecil dan lebih pendek daripada

Hal

aman

7

tegangan ripple penyearah setengah gelombang. Tegangan ripple bergantung pada kualitas filter (kapasitansi) yang besar dan Resistansi yang besar pula untuk dapat mempertahankan tegangannya. Penggunaan diode pada rangkaian clipper sangat berguna untuk membatasi tegangan suatu rangkaian. Dan pengunaan diode pada rangkaian clamper juga sangat bermanfaat untuk mengabungkan suatu gelombang AC (supply) dengan suatu tegangan DC.

6. Daftar Pustaka

[1] A. S. Sedra et.al., Microelectronic Circuits 5th Ed, Hal. 171-190, Oxford University Press, New York, 2004

[2] Mervin T. Hutabarat, Petunjuk Praktikum Elektronika EL-2140, Laboratorium Dasar Teknik Eletro STEI-ITB, Bandung, 2009

7. Lampiran

Kit Praktikum EL-2140 'Karakteristik Dioda & Rangkaian Penyearah'