modul 1 - dioda dan aplikasi

Modul Praktikum Elektronika 2010/2011

MODUL I

DIODA DAN APLIKASII. TUJUAN PRAKTIKUM1. Mengetahui karakteristik dioda ideal 2. Mengenal rangkaian aplikasi dioda 3. Mampu menganalisa dan mengetahui prinsip kerja rangkaian aplikasi dioda

II.

KOMPONEN DAN ALAT YANG DIGUNAKAN1. 2. 3. 4. 5. 6. Osiloskop Multimeter Function Generator DC Power Supply Kabel Jumper Kit praktikum Resistor 1 k dan 4.7 k Kapasitor 10 F dan 47 F Dioda 1N 1007 (2 buah) Bridge 1N 4001

III.

DASAR TEORIA. PENGERTIAN DIODA Dioda adalah devais dua electrode yang berlaku sebagai konduktor satu arah dengan tipe dasar adalah dioda sambungan pn, yang terdiri atas bahan tipe p dan n yang dipisahkan oleh junction. Dioda merupakan komponen elektronika yang dapat mengalirkan arus listrik satu arah, alat ini juga bisa digunakan untuk membatasi arus yang mengalir dalam suatu rangkaian. Dioda ialah jenis VACUUM tube yang memiliki dua buah elektroda. Di bawah ini gambar simbol dan struktur dioda:

Gambar 1.1: simbol dan struktur dioda

Electronics Laboratory IT Telkom

Page 1

Modul Praktikum Elektronika 2010/2011B. SAMBUNGAN P-N

Gambar 1.2: sambungan P-N

Bahan tipe p terbentuk dari: muatan intrinsik + golongan 3A Bahan tipe n terbentuk dari: muatan intrinsik + golongan 5A Pada gambar di atas, muatan yang diberi lingkaran menyatakan ion, dan muatan ini tetap di tempat, tidak bergerak walaupun diberi medan listrik. Muatan intrinsik yaitu muatan yang berasal dari ikatan kovalen pada atom silikon yang menjadi bebas oleh karena eksitasi termal. Pembawa muatan yang lain adalah muatan bebas, yaitu hole yang dihasilkan oleh atom akseptor pada bahan tipe-p, dan elektron bebas yang dihasilkan oleh atom donor pada bahan tipe-n. Pembawa muatan bebas ini adalah pembawa muatan ekstrinsik. Hal yang perlu diperhatikan pada persambungan p-n diantaranya: 1. Saat persambungan pn terbentuk, elektron bebas pada tipe-n akan berdifusi melalui junction, masuk ke dalam tipe-p dan terjadi rekombinasi dengan hole yang ada dalam tipe-p. 2. Sebaliknya, hole dari tipe-p akan berdifusi masuk ke dalam tipe-n dan berekombinasi dengan elektron yang ada dalam tipe-n. 3. Rekombinasi elektron bebas dengan hole disekitar junction saling meniadakan sehingga tepat pada daerah junction terjadi daerah tanpa muatan bebas yang disebut daerah pengosongan (daerah deplesi). 4. Karena muatan positif dan muatan negatif terpisah maka dalam daerah deplesi terjadi medan listrik, yang melawan proses difusi selanjutnya. Dengan adanya medan listrik ini terjadi beda potensial listrik (potensial barier) antara tipe-p dan tipe-n. Sehingga secara tidak langsung difusi elektron bebas akan berhenti. 5. Pada suhu ruang, dioda silikon mempunyai potensial barier 0.7 volt, dan pada dioda germanium 0.3 volt.


Page 2

Modul Praktikum Elektronika 2010/2011C. PRATEGANGAN / BIAS PADA DIODA 1. Prategangan maju (forward bias)

Gambar 1.3: prategangan maju pada sambungan P-N

Prategangan maju pada dioda sambungan pn didapatkan dengan menghubungkan tipe-n dengan kutub negatif baterai dan tipe-p dengan kutub positif baterai. Oleh karena itu elektron bebas dari sisi n ditolak kearah persambungan demikian juga p. Dengan demikian, pada sisi n akan penuh dengan elektron dan sisi p penuh dengan hole. Elektron-elektron bebas yang menyeberangi persambungan akan bergabung kembali dengan hole yang tiba di pesambungan. Hasilnya, arus yang kontinyu akan berlangsung di dalam kristal dan kawat-kawat yang dihubungkan kristal tersebut. Forward bias menyebabkan daerah deplesi semakin mengecil. 2. Prategangan balik (reverse bias)

Gambar 1.4: prategangan balik pada sambungan P-N

Prategangan balik didapatkan dengan menghubungkan tipe-p dengan kutub negatif baterai dan tipe-n dengan kutub positif baterai. Hole pada tipe-p dan elektron bebas pada tipe-n akan menjauhi persambungan sehingga memperlebar lapisan pengosongan sampai potensial menyamai potensial terpasang. Dalam keadaan ini pembawa mayoritas akan berhenti mengalir dan dalam beberapa nanodetik arus listrik akan menurun sampai sekitar harga nol.


Page 3

Modul Praktikum Elektronika 2010/2011D. KURVA KARAKTERISTIK DIODA

Gambar 1.5: kurva karakteristik dioda

Gambar di atas menunjukan dua macam kurva, yakni dioda germanium (Ge) dan dioda silikon (Si). Bagian kiri bawah dari grafik pada gambar di atas merupakan kurva karakteristik dioda saat mendapatkan bias mundur(reverse bias). Bagian kanan atas dari grafik pada gambar di atas merupakan kurva karakteristik dioda saat mendapatkan bias maju (forward bias). Pada saat dioda diberi bias maju Arus ID akan naik dengan cepat setelah VA-K mencapai tegangan cut-in (Vg). Tegangan cut-in (Vg) ini kira-kira sebesar 0.2 volt untuk dioda Germanium dan 0.6 volt untuk dioda Silikon. Dengan pemberian tegangan baterai sebesar ini, maka potensial penghalang (barrier potential) pada persambungan akan teratasi, sehingga arus dioda mulai mengalir dengan cepat. Besarnya arus jenuh mundur (reverse saturation current) Is untuk dioda germanium adalah dalam orde mikro amper dalam contoh ini adalah 1 mA. Sedangkan untuk dioda silikon, Is adalah dalam orde nano amper dalam hal ini adalah 10 nA. 2. Pada saat dioda diberi bias mundur Apabila tegangan VA-K yang berpolaritas negatif tersebut dinaikkan terus, maka suatu saat akan mencapai tegangan patah (break-down) dimana arus Is akan naik dengan tiba-tiba. Pada saat mencapai tegangan break-down ini, pembawa minoritas dipercepat hingga mencapai kecepatan yang cukup tinggi untuk mengeluarkan elektron valensi dari atom. Kemudian elektron ini juga dipercepat untuk membebaskan yang lainnya sehingga arusnya semakin besar. Pada dioda biasa pencapaian tegangan break-down ini selalu dihindari karena dioda bisa rusak. 1.


Page 4


Hubungan arus dioda (ID) dengan tegangan dioda (VD) dapat dinyatakan dalam persamaan matematis yang dikembangkan oleh W. Shockley, yaitu:

Harga Is suatu dioda dipengaruhi oleh temperatur, tingkat doping dan geometri dioda. Dan konstanta n tergantung pada sifat konstruksi dan parameter fisik dioda. Harga VT adalah 26 mV, ini perlu diingat untuk pembicaraan selanjutnya. Sebagaimana telah disebutkan bahwa arus jenuh mundur Is, dipengaruhi oleh beberapa faktor seperti: doping, persambungan, dan temperatur. Namun karena dalam pemakaian suatu komponen dioda, faktor doping dan persambungan adalah tetap, maka yang perlu mendapat perhatian serius adalah pengaruh temperatur. E. APLIKASI DIODA 1. Dioda Sebagai Saklar Dioda merupakan saklar tertutup saat diberi forward bias dan merupakan saklar terbuka saat diberi reverse bias. 2. Dioda Sebagai Penyearah Dioda semikonduktor banyak digunakan sebagai penyearah. a. Penyearah setengah gelombang Penyearah yang paling sederhana adalah penyearah setengah gelombang, yaitu yang terdiri dari sebuah dioda. Melihat dari namanya, maka hanya setengah gelombang saja yang akan disearahkan.


Page 5


Gambar 1.6: rangkaian penyearah setengah gelombang 6:

Prinsip kerja penyearah setengah gelombang adalah bahwa pada saat sinyal input berupa siklus positif maka dioda mendapat bias maju sehingga arus (i) mengalir ke beban (RL), dan sebaliknya bila sinyal input berupa siklus negatif maka dioda mendapat bias mundur sehingga tidak mengalir arus. da b. Penyearah gelombang penuh dengan center tap Gambar di bawah ini merupakan rangkaian penyearah gelombang penuh dengan menggunakan center tap. tap

Gambar 1.7: rangkaian penyearah gelombang penuh

Terlihat dengan jelas bahwa rangkaian penyearah gelombang penuh ini merupakan gabungan dua buah penyearah setengah gelombang yang hidupnya bergantian setiap setengah siklus. Sehingga arus maupun tegangan rata-ratanya rata adalah dua kali dari penyearah setengah gelombang.


Page 6


PIV = 2Vm Prinsip kerja penyearah gelombang penuh dengan center tap (CT): Terminal sekunder dari Trafo CT mengeluarkan dua buah tegangan keluaran yang sama tetapi fasanya berlawanan dengan titik CT sebagai titik tengahnya. Kedua keluaran ini masing masing-masing dihubungkan ke D1 dan D2, sehingga saat D1 mendapat sinyal siklus positif maka D1 mendapat sinyal siklus negatif, dan sebaliknya. Dengan demikian D1 dan D2 hidupnya bergantian. Namun karena arus i1 dan i2 melewati tahanan beban (RL) dengan arah yang sama, maka iL menjadi satu arah. c. Penyearah gelombang penuh dengan bridge Gambar di bawah ini merupakan rangkaian penyearah dengan bridge.

Gambar 1.8: penyearah gelombang penuh dengan bridge 8:

PIV = 2Vm Prinsip kerja rangkaian penyearah gelombang penuh dengan bridge: Pada saat rangkaian jembatan mendapatkan bagian positif dari siklus sinyal AC, maka: - D1 dan D3 hidup (ON), karena mendapat bias maju - D2 dan D4 mati (OFF), karena mendapat bias mundur Sehingga arus i1 mengalir melalui D1, RL, dan D3. Sedangkan apabila jembatan memperoleh bagian siklus negatif, maka: - D2 dan D4 hidup (ON), karena mendapat bias maju - D1 dan D3 mati (OFF), karena mendapat bias mundur Sehingga arus i2 mengalir melalui D2, RL, dan D4.


Page 7

Modul Praktikum Elektronika 2010/20113. Dioda Sebagai Clipper Rangkaian clipper (pemotong) digunakan untuk memotong atau menghilangkan sebagian sinyal masukan yang berada di bawah atau di atas level tertentu. Rangkaian clipper adalah rangkaian yang digunakan untuk membatasi tegangan agar tidak melebihi dari suatu nilai tegangan tertentu. elebihi Secara umum rangkaian clipper dapat digolongkan menjadi dua, yaitu seri dan paralel. Rangkaian clipper seri berarti diodanya berhubungan secara seri dengan beban, sedangkan clipper paralel berarti diodanya dipasang paralel dengan beban. dipasang Sedangkan untuk masing-masing jenis tersebut dibagi menjadi clipper negatif masing masing (pemotong bagian negatif) dan clipper positif (pemotong bagian positif). Dalam analisa ini diodanya dianggap ideal. Petunjuk untuk menganalisa rangkaian clipper seri adalah sebagai berikut: a. Perhatikan arah dioda - bila arah dioda ke kanan, maka bagian positif dari sinyal input akan dilewatkan, dan bagian negatif akan dipotong (berarti clipper negatif). PIV = Vm - bila arah dioda ke kiri, maka bagian negatif dari sinyal input akan dilewatkan, bagian dan bagian positif akan dipotong (berarti clipper positif). b. Perhatikan polaritas baterai (bila ada). c. Gambarlah sinyal output dengan sumbu nol pada level baterai (yang sudah ditentukan pada langkah 2 di atas). d. Batas pemotongan sinyal adalah pada sumbu nol semula (sesuai dengan sinyal input). Rangkaian clipper seri positif adalah seperti gambar di bawah ini:

Gambar 1.9: rangkaian clipper seri positif


Page 8

Modul Praktikum Elektronika 2010/2011Rangkaian clipper seri negatif adalah gambar di bawah ini:

Gambar 1.10: rangkaian clipper seri negatif

Petunjuk untuk menganalisa rangkaian clipper paralel adalah sebagai berikut: a. Perhatikan arah dioda: bila arah dioda ke bawah, maka bagian positif dari sinyal input akan dipotong (berarti clipper positif); bila arah dioda ke atas, maka bagian clipper negatif dari sinyal input akan dipotong (berarti clipper negatif). b. Perhatikan polaritas baterai (bila ada). c. Gambarlah sinyal output dengan sumbu nol sesuai dengan input. d. Batas pemotongan sinyal adalah pada level baterai. Rangkaian clipper paralel positif adalah seperti gambar di bawah ini:

Gambar 1.11: rangkaian clipper parallel positif 11:

Rangkaian clipper paralel negatif adalah seperti gambar di bawah ini:

Gambar 1.12: rangkaian clipper parallel negatif 12:


Page 9

Modul Praktikum Elektronika 2010/20114. Dioda sebagai Clamper Rangkaian Clamper adalah rangkaian yang digunakan untuk membeikan offset tegangan DC. Dengan demikian, tegangan yang dihasilkan adalah tegangan input ditambahkan dengan tegangan DC. Rangkaian Clamper (penggeser) digunakan digun untuk menggeser suatu sinyal ke level DC yang lain. Rangkaian Clamper paling tidak harus mempunyai sebuah kapasitor, dioda, dan resistor, di samping itu bisa pula ditambahkan sebuah baterai. Harga R dan C harus dipilih sedemikian rupa sehingga konstanta waktu RC cukup besar agar tidak terjadi pengosongan muatan yang cukup berarti saat dioda tidak menghantar. Dalam analisa ini dianggap didodanya adalah ideal. Sebuah rangkaian clamper sederhana (tanpa baterai) terdiri atas sebuah R, D, dan C terli pada gambar: terlihat

Gambar 1. 1.13: rangkaian clamper

Keterangan: (a) Gelombang kotak yang menjadi sinyal input rangkaian clamper. (b) Pada saat 0 - T/2 sinyal input adalah positif sebesar +V, sehingga dioda menghantar (ON). Kapasitor mengisi muatan dengan cepat melalui tahanan dioda yang rendah (seperti hubung singkat, karena dioda ideal). (c) Sinyal output merupakan penjumlahan tegangan input -V dan tegangan pada V kapasitor - V, yaitu sebesar -2V. (d) Pada saat ini sinyal output pada R adalah nol. (e) Kemudian saat T/2 - T sinyal input berubah ke negatif, sehingga dioda tidak menghantar (OFF). Kapasitor membuang muatan sangat lambat, karena RC dibuat cukup lama. Sehingga pengosongan tegangan ini tidak berarti dibanding dengan sinyal output. Terlihat pada gambar di atas bahwa sinyal output merupakan bentuk gelombang at kotak (seperti gelombang input) yang level DC nya sudah bergeser ke arah negatif sebesar -V. Besarnya penggeseran ini bisa divariasi dengan menambahkan sebuah V. baterai secara seri dengan dioda. Disamping itu arah penggeseran juga bisa dibuat


Page 10

Modul Praktikum Elektronika 2010/2011kearah positif dengan cara membalik arah dioda. Beberapa rangkaian clamper negatif dan positif dapat dilihat pada gambar di bawah ini.

Gambar 1.14: rangkaian clamper negative dan positif 14:

5.

Dioda sebagai rangkaian logika Aplikasi dioda yang lain adalah dapat digunakan sebagai rangkaian logika AND dan OR. Berikut adalah rangkaian gerbang logika AND dan OR. OR

Gambar 1.15: rangkaian OR dan rangkaian AND 15: r

F. DIODA ZENER DAN LED 1. LED

LED adalah singkatan dari Light Emiting Dioda, merupakan komponen yang dapat , mengeluarkan emisi cahaya. LED merupakan produk temuan lain setelah dioda. Strukturnya juga sama dengan dioda, tetapi belakangan ditemukan bahwa elektron yang


Page 11

Modul Praktikum Elektronika 2010/2011menerjang sambungan P-N juga melepaskan energi berupa energi panas dan energi N cahaya. 2. Dioda Zener

Dioda zener dibuat sedemikian rupa sehingga daerah deplesinya lebih besar daripada dioda biasa. Akibatnya medan listrik yang dihasilkan juga lebih besar. Dioda zener memiliki sifat yang mirip dengan dioda biasa. Pada kondisi bias maju, karakteristik dioda zener sama dengan dioda biasa. Pada kondisi bias maju, karakteristik dioda zener sama dengan dioda biasa. Jadi jika diberikan tegangan luar yang besarnya melebihi tegangan teg kontak maka arus akan mengalir. Sebenarnya tidak ada perbedaan sruktur dasar dari zener, melainkan mirip dengan dioda. Tetapi dengan memberi jumlah doping yang lebih banyak pada sambungan P dan N, ternyata tegangan breakdown dioda bisa makin cepat tercapai. Analisis jaringan dengan menggunakan dioda zener sama seperti dioda semikonduktor. Perbedaan hanya terletak pada pemodeln kondisi "ON" dan "OFF" dioda zener dibandingkan dioda semikonduktor.

Gambar 1.16: Karakteristik dioda zener

Pada saat dioda zener mendapatkan prategangan maju atau forward bias, jika tegangannya lebih kecil daripada tegangan threshold, maka dioda zener tersebut kondisinya "OFF", sedangkan jika tegangannya lebih besar daripada tegangan threshold,


Page 12

Modul Praktikum Elektronika 2010/2011maka dioda zener tersebut kondisinya "ON" dimana tegangan dioda zener samadengan tegangan threshold.

Pada saat dioda zener mendapatkan prategangan mundur atau reverse bias, jika tegangannya lebih kecil daripada tegangan zener, maka dioda zener tersebut kondisinya "OFF", sedangkan jika tegangannya lebih besar daripada tegangan zener, maka dioda zener tersebut kondisinya "ON" dimana tegangan dioda zener samadengan tegangan zener.

Tegangan yang menyebabkan munculnya arus mundur yang sangat besar disebut tegangan dadal (breakdown), dimana saat terjadi tegangan tersebut daerah kosongnya lebar dan arus yang bertambah cepat terjadi karena dua peristiwa : a. Zener breakdown Dengan adanya tegangan mundur yang relatif tinggi, medan listriknya dapat menarik keluar electron dari ikatan kovalen sehingga terjadi pembentukan pasangan electron dan hole sebagai pengangkut muatan yang memungkinkan terjadinya arus mundur. b. Avalanche breakdown/ tabrakan beruntun Elektron dan hole yang telah dibangkitkan dipercepat oleh medan listrik tinggi, karena kecepatannya tinggi menabrak ikatan kovalen sehingga menambah pembangkitan beruntun pasangan elektron-hole sehingga mempercepat pertambahan arus mundur.


Page 13

Modul Praktikum Elektronika 2010/2011Salah satu aplikasi diode zener adalah sebagai regulator tegangan,

Gambar 1.17: rangkaian regulator tegangan

Seperti pada contoh gambar diatas tegangan dari sumber tegangan adalah 12V tetapi tegangan yang terukur pada Rload adalah 9V sama dengan nilai tegangan dioda zener.

IV.

LANGKAH PRAKTIKUMKARAKTERISTIK DIODA IDEAL Rangkaian A

Input positif 1. Hubungkan titik 1 dan titik 2 dengan amperemeter. 2. Hubungkan titik 3 dan titik 4 dengan voltmeter. 3. Naikkan tegangan sumber DC (Vs) dari 0 - 5 volt dengan kenaikan 0,5 volt. 4. Catat nilai arus dan tegangan pada dioda (Vd) kemudian masukkan kedalam tabel 1.


Page 14

Modul Praktikum Elektronika 2010/20115. Gambarkan grafik Id terhadap Vd.

Rangkaian B

Input negatif 1. Hubungkan titik 1 dan titik 2 dengan amperemeter. 2. Hubungkan titik 3 dan titik 4 dengan voltmeter. 3. Naikkan tegangan sumber DC (Vs) dari 0 - 5 volt dengan kenaikan 0,5 volt. 4. Catat nilai arus dan tegangan pada dioda (Vd) kemudian masukkan kedalam tabel 2. 5. Gambarkan grafik Id terhadap Vd. APLIKASI DIODA 1. Dioda sebagai clamper10uF 3 Sinyal Kotak (AC) 1k 4

1. Atur function generator dengan sinyal masukan sinyal kotak dengan tegangan 10 Vpp dengan frekuensi 1,5 KHz. 2. Pada osiloskop, hubungkan channel 1 dengan input (sumber AC), hubungkan channel 2 dengan output (positif pada titik 3 dan negatif pada titik 4). 3. Gambarkan sinyal input dan output.


Page 15

Modul Praktikum Elektronika 2010/20112. Dioda sebagai clipper

1. Atur sumber AC agar tegangannya 10 Vpp dengan frekuensi 1,5 KHz. 2. Beri sumber tegangan DC 4 V dan 2 V pada masing-masing dioda dengan arah yang berlawanan, seperti pada gambar di atas. 3. Pada osiloskop, hubungkan channel 1 dengan input (sumber AC), hubungkan channel 2 dengan output (positif pada titik 3 dan negatif pada titik 4). 4. Gambarkan sinyal input dan output. 3. Dioda sebagai rectifier Rectifier gelombang penuh

1. Atur sumber AC agar tegangannya 10 Vpp dengan frekuensi 50 Hz. 2. Pada osiloskop, hubungkan channel 1 dengan input (sumber AC), hubungkan channel 2 dengan output (positif pada titik 3 dan negatif pada titik 4). 3. Gambarkan sinyal input dan output. 4. Rectifier gelombang penuh dengan LPF


Page 16

Modul Praktikum Elektronika 2010/20111. Atur sumber AC agar tegangannya 10 Vpp dengan frekuensi 50 Hz. 2. Gunakan kapasitor 10 uF. 3. Pada osiloskop, hubungkan channel 1 dengan input (sumber AC), hubungkan channel 2 dengan output (positif pada titik 3 dan negatif pada titik 4). 4. Gambarkan sinyal input dan output, serta hitung tegangan ripple-nya. 5. Ulangi percobaan diatas dengan menggunakan kapasitor 100 uF.

V.

REFERENSIe. Boylested, Nashelsky. Electronic Devices And Circuit Theory , Fifth Edition. Halaman 1 107, 773 797. f. Sedra, Smith. 2002. Microelectronic Circuits, Second Edition. Halaman 150 225. g. Pustaka lain yang mendukung.


Page 17

Modul Praktikum Elektronika 2010/2011 CONTOH-CONTOH SOAL DAN PENYELESAIANI. MODUL I DIODA DAN APLIKASI 1. Rangkaian 2 merupakan rangkaian clipper dan limitter. Pada rangkaian 2 ini, dengan asumsi D1 dan D2 ideal, maka Vo akan dibatasi antara 5 V 10 V.

Penyelesaian: Anggap R1 = R2. V1 = 30 sin t. D1 dan D2 adalah dioda ideal. Maka pada siklus positif pertama, saat V110V, D1 off dan D2 on, Vo = 5 Volt. Saat 10V20V, D1 on dan D2 off, Vo = 10 Volt.

Pada siklus negatif, D1 selalu off sedangkan D2 akan selalu on, Vo = 5 Volt

2.

Diketahui rangkaianD

Vi 10 V

R

Vo

Ditanyakan : a). Kurva transfer untuk selang -10 < V1 < 10 b). Bentuk masukan dan keluaran Jika : V1 .> 10 V D = Off Vo = 10 Volt V1 .< 10 V D = On Vo = V sumber


Page 18

Modul Praktikum Elektronika 2010/2011Penyelesaian :

3. Perhatikan rangkaian berikut.9V 5V

tentukan I dan V10k

10k D2

10k

10k

Penyelesaian: Asumsi dioda off Loop 1 = -9V + 10k . I + 10k . I = 0 I=9 Loop 2 = -5V + 10k .I + 10k. I = 0 20k . I = 5V I = 0.25mA Va= 2.5 V V = Vk Va = 4.5 2.5 = 2V


Page 19

modul 1 - dioda dan aplikasi

Documents