Karakteristik dan RangkaianDioda

Rudi Susanto

1

Pengantar tentang Dioda

• Resistor merupakan sebuah piranti linier karena arusberbanding terhadap tegangan. Dalam bentuk grafik, grafik arus terhadap tegangan merupakan garis lurus.

• Berbeda dengan resistor, dioda merupakan piranti non-linier karena grafik arus terhadap tegangan bukanberupa garis lurus.

• Saat tegangan dioda lebih kecil dari teganganpenghalang (potential barier) maka arus di dalam diodakecil. Tetapi ketika tegangan dioda melebihi teganganpenghalang maka arus dioda akan naik dengan cepat.

2

Dioda

Devais semikonduktor yang paling sederhanaDioda adalah devais semikonduktor yang memiliki dua terminal

3

Operasi Dasar Dioda

Dioda menghantarkan arus searah dengan arah yang sama dengan simbol

Namun jika arahnya berlawanan, maka dioda akanberperilaku seperti open circuit

4

Karakteristik dioda ideal – Area konduksi

• Pada area konduksi, idealnya:– Tegangan pada dioda adalah 0 V.– Arus yang melalui dioda adalah disesuaikan dengan rangkaian.– Tahanan maju (RF) didefinisikan sebagai RF = VF/IF. – Dioda berperilaku seperti short circuit.

Lihat garis vertikal!

5

Karakteristik dioda ideal – Area non-konduksi

• Pada area non-konduksi, idealnya:– Semua tegangan dapat melalui dioda.– Arus yang melalui dioda adalah 0A.– Tahanan mundur (RR) didefinisikan sebagai RR = VR/IR. – Dioda berperilaku seperti open circuit.

Lihat garis horizontal!

6

Karakteristik dioda

7

Material Semikonduktor

• Bahan yang digunakan dalam pembuatandivais semikonduktor.

– Silikon (Si)

– Germanium (Ge)

8

Enegy level

9

Doping

• Karakteristik dari Silikon dan Germanium diperbaiki dengan menambahkan material lainnya melalui proses yang dinamakandoping.

• Terdapat dua tipe material

tambahan, yaitu:

– n-type

– p-type

10

Efek Doping

11

Perbandingan n-type dan p-type

• Material n-type membuat atom Silikon (atauGermanium) menjadi lebih bermuatan negatif.

• Sebaliknya, material p-type membuatnya lebihbermuatan positif.

• Menggabungkan n-type dan p-type akanmenghasilkan p-n junction.

12

pn Junction

• Dioda tanpa Bias (The Unbiased dioda)

– Sisi p mempunyai banyak hole dan sisi n banyakelektron pita konduksi.

– Tidak ada tegangan luar disebut dioda tanpa bias.

13

Lapisan pengosongan (The depletion layer)

• Elektron pada sisi n berdifusi ke segala arah.

• Beberapa berdifusi melewati junction.

• Elektron yg masuk ke daerah p, merupakan pembawa minoritas.

• Elektron akan jatuh ke dalam hole, hole lenyap dn elektron pita konduksi menjadi elektron valensi.

• Elektron yg berdifusi melalui junction menciptakan sepasang ion.

• Pasangan ion positif dan negatif disebut dipole.

• Medan antara ion ekivalen dgn perbedaan potensial. Disebut potensial barier.

• Pembentukan sejumlah dipole mengakibatkan daerah dekat junction dikosongkan dari muatan yg bergerak.

• Daerah kosong muatan disebut lapisan pengosongan (depletion layer).

14

Potensial Barier• Tiap dipole mempunyai medan listrik.

• Anak panah menunjukkan arah gayapada muatan positif.

• Kekuatan medan bertambah denganberpindahnya tiap elektron.

• Beberapa pembawa minoritas bergesarmelewati junction. Mengurangi medan ygmenerimanya.

• Beberapa pembawa mayoritas berdifusimelewati junction dan mengembalikanmedan pada harga semula.

• Potensial barier :

• 0,3 V utk dioda germanium

• 0,7 V utk dioda silikon

15

Jenis Dioda

16

Model Dioda

• Model adalah representasi dari suatu komponen atau rangkaian yang memiliki satu atau lebih Sifat atau karakteristik.

• Tiga model dioda :

1. Model Dioda Ideal

2. Model dioda Praktek

3. Model dioda Lengkap

17

1. MODEL dioda IDEAL

• Model dioda ideal menggambarkan dioda sebagai saklar sederhana yang dapat tertutup ( Conducting ) ketika dibias forward maupun terbuka ( nonconducting ) ketika dibias reverse. Model ini hanya digunakan untuk menentukan tahap awal troubleshooting (proses mencari kesalahan dalam perangkat elektronik).

Kondisi Karakteristik

OPEN *Infinite Resistansi Sehingga Arus nol

*Tegangan penuh pada kaki dioda

CLOSED *Resistansi nol Shg Arus Max

*Tegangan nol pada kaki dioda

18

• Berdasarkan karakteristik sebuah saklar, maka dapat diperoleh :

1. Ketika dibias reverse ( Open Switch )– dioda memilki resistansi tak terbatas ( maksimum )

– dioda tidak dialiri arus

– Sumber Tegangan akan jatuh semua pada terminal dioda

2.Ketika dibias forward ( Closed Switch )– dioda memilki resistansi nol ( minimum )

– dioda dialiri arus

– Tidak ada Sumber Tegangan jatuh pada terminal dioda

CONT.

19

2. MODEL DIODA PRAKTEK

• Dalam model dioda ideal banyak karakteristrik-karakteristik dioda yang diabaikan. Contohnya : Tegangan maju. Tegangan maju biasanya diperhatikan dalam analisis matematika dari rangkaian dioda. Pada aplikasi rangkaian yang digunakan diasumsikan dioda yang dipergunakan dioda silikon kalau ingin mengganti dengan dioda germaniun maka tegangan maju tinggal diubah dari 0.7V menjadi 0.3V

20

3. MODEL dioda LENGKAP

• Merupakan model yang paling akurat.

• Menggambarkan karakteristik-karakteristik operasional dioda.

• 2 faktor yang menyebabkan model ini menjadi semakin akurat adalah Resistansi Bulk.

21

Kurva KarakteristikUntuk masing-masing Model dioda

IF

VF

IR

VR

IF

VF

IR

VRVK=0.7V

IF

VF

IR

VRVK=0.7V

RB= ΔV / ΔI

Model diodaIDEAL

Model diodaPRAKTEK

Model diodaLENGKAP

22

Mem

bac

aD

atas

hee

t

23

24

25

26

27

Membaca Datasheet Dioda 1N4001

• Seperti terlihat dalam Gambar, beberapa informasiberguna tentang dioda:

Tegangan patah sebesar: 50V (Maximum repetitive peak reverse voltage).

Rata-rata arus bias maju: 1A (Average rectified forward current).

Tegangan maksimum pada kondisi bias maju 1A adalah1,1V (Maximum instateneous forward voltage).

Arus bias mundur maksimum: 5 A – 50 A (Maximum DC reverse currnet)

28

Menentukan Garis Beban

Garis beban adalah sebuah perangkat yang dapatdigunakan untuk menghitung nilai arus dantegangan dioda dengan tepat.

Perhatikan rangkaian berikut, dan kita akanmenggambar garis beban dari rangkaian tersebut:

29

D1

Rs

100 Ohm

Vs

2 V

Persamaan Garis Beban

30

Persamaan Garis Beban

31

Persamaan Garis Beban

32

Persamaan Garis Beban

33

10 mA

20 mA

30 mA

12,5 mA

1V0,75v 2V

Saturation

Diode

Curve

Cutoff

Q (operating point)

ID

VD

Titik Q

Saat garis beban digabungkan dengan kurva diode, terdapat titik potong antara garis beban dan kurva dioda, yang dikenal sebagai titik Q. Q adalah singkatan dari“quiescent” yang berarti istirahat.

Titik Q memerupakan penyelesaian simultan antara kurvadioda dan garis beban. Titik ini merupakan satu-satunyatitik pada grafik yang berlaku untuk dioda dan rangkaian.

Dengan membaca koordinat titik Q, didapatkan titikoperasi (operating point) pada arus sebesar 12,5 mA danpada tegangan dioda 0,75 V.

34

Percobaan 1 | Electronics Workbench (EWB)

1. Membuktikan Grafik V-I pada dioda silikon. Langkah-langkah percobaan

a. Buat rangkaian seperti pada gambar dibawah ini

b. Atur tegangan pada catu daya (Vs) pada nilai 0.001 V

c. Catat tegangan (Vd) dan arus (Id) pada dioda

d. Naikan Vs sampai dengan mencapai nilai 10 V

e. Buat grafik hubungan antara tegangan (Vd) dengan arus (Id)

35

Percobaan 2| Electronics Workbench (EWB)

Dengan menggunakan langkah percobaan yang sama, lakukan pengukuran pada gambar di atas .

36

Percobaan 3| Electronics Workbench (EWB)

• Komponen yang digunakan dalam rangkaian penyearah yaitu Trafoatau Function Generator sebagai V in, Multimeter, Kapasitor, Resistor dan Osiloskop.

• Rangkailah gambar 1 pada EWB dengan V in adalah sumbertegangan bolak-balik (AC) dan V out disambung dengan osiloskop.

• Setelah merangkai gambar 1, kemudian lihat bentuk tegangan V in dengan menggunakan osiloskop.

• Lihat bentuk tegangan pada V out dengan menggunakan osiloskopdan bandingkan dengan tegangan V in.

37

Percobaan 4| Electronics Workbench (EWB)

• Langkah-langkah sama pada gambar 1.

38

Tugas!

• Buatlah laporan terkait Percobaan 1 dan 2, Yang berisi : data hasil percobaan, grafik hasilpercobaan, analisis hasil percobaan

• Lakukan percobaan 3 dan 4 dan analis hasilpercobaan 3 dan 4

39