ELEKTRONIKA

Bab 3. Dioda

DR. JUSAK

Pengantar tentang Dioda

Resistor merupakan sebuah piranti linier karena arus berbanding 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 bukan berupa garis lurus.

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

ELEKTRONIKA – STMIK STIKOM SURABAYA

2

Simbol Skematis Dioda

Pada simbol skematik dioda, sisi 𝑝 disebut sebagai anoda dan sisi meluncur dari sisi 𝑝 𝑛 disebut sebagai katoda. Simbol dari dioda seperti anak panah yang ke sisi 𝑛 .

ELEKTRONIKA – STMIK STIKOM SURABAYA

3

Rangkaian Sederhana Dioda

Dioda dibias maju apabila sisi 𝑝 dioda dihubungkan dengan kutub positif baterai dan sisi 𝑛 dioda dihubungkan dengan kutub negatif baterai.

Saat dioda diberi bias maju, tidak ada arus yang signifikan mengalir sampai tegangan dioda melebihi tegangan penghalang.

Sebaliknya jika dioda diberi bias balik tidak ada arus yang mengalir sampai tegangan dioda mencapai tegangan patah (breakdown). Pada titik tertentu saat tegangan terus dibesarkan, dioda akan mengalami kerusakan dan mengalirkan arus yang besar. Lihat grafik karakteristik diode.

ELEKTRONIKA – STMIK STIKOM SURABAYA

4

Grafik Karakteristik

ELEKTRONIKA – STMIK STIKOM SURABAYA

5

Tegangan Lutut (Knee Voltage)

Pada daerah maju, tegangan pada saat arus mulai naik secara cepat disebut dengan tegangan kaki atau tegangan knee dari dioda.

Besar tegangan ini sama dengan tegangan penghalang (barier). Jadi nilai tegangan knee untuk dioda silikon :

V K

 0 , 7

V

ELEKTRONIKA – STMIK STIKOM SURABAYA

6

Hambatan Gabungan (Bulk Resistance)

Setelah tegangan penghalang terlampaui, satu-satunya yang menjadi penghalang arus dioda adalah hambatan ohmic daerah 𝑝 dan 𝑛 .

Jumlah dari hambatan ohmic pada daerah 𝑝 dan 𝑛 disebut dengan hambatan gabungan dioda. Hambatan ini didefinisikan sebagai : R B = R P + R N Besar hambatan gabungan tergantung pada ukuran daerah 𝑝 dan berapa banyak daerah tersebut didoping. Pada umumnya hambatan gabungan lebih kecil dari 1  .

dan 𝑛 ,

ELEKTRONIKA – STMIK STIKOM SURABAYA

7

Arus Maju DC Maksimum

Apabila arus listrik yang melewati dioda terlalu besar, arus tersebut menimbulkan panas yang berlebihan dan dapat merusak dioda. Karena itu datasheet yang dikeluarkan oleh pabrik selalu mencantumkan Arus maju maksimum yang merupakan salah satu batas maksimum yang dapat diberikan pada sebuah dioda.

Arus ini ditulis sebagai I

max

, I

F(max)

, I

O

, atau yang lain tergantung pada perusahaan pembuat.

Misalnya, diode 1N456 mememiliki arus maju maksimum sebesar 135 mA.

ELEKTRONIKA – STMIK STIKOM SURABAYA

8

Disipasi Daya

Disipasi daya adalah besarnya daya yang melewati dioda. Disipasi daya dapat dihitung dengan mengalikan tegangan dan arus :

P D = V D I D

Daya operasi merupakan daya maksimum yang dapat dilepas secara aman tanpa memperpendek usia dioda atau merusak sifat-sifat dioda tersebut. Disimbolkan :

P max = V max I max

ELEKTRONIKA – STMIK STIKOM SURABAYA

9

Contoh 1.

Sebuah diode memiliki daya operasi sebesar 5W. Jika tegangan pada dioda bernilai 1,2V dan arus yang mengalir pada diode sebesar 1,75A, berapa disipasi daya?

Dengan tegangan dan arus seperti di atas, apakah diode akan rusak atau beroperasi secara normal?

ELEKTRONIKA – STMIK STIKOM SURABAYA

10

Pendekatan Pertama: Dioda Ideal

Arus maju maksimum, daya, dan karakteritik-karakteristik lainnya dari sebuah diode dapat berbeda antara satu diode dengan dioda lainnya, tergantung pada cara dioda tersebut didoping dan juga tergantung pada ukuran fisiknya.

Namun, sekalipun tegangan dan arus akan berbeda untuk setiap dioda, grafik karakteristik dari setiap dioda memiliki bentuk serupa. Misalnya, seluruh dioda silikon mempunyai tegangan lutut sekitar 0,7 V.

ELEKTRONIKA – STMIK STIKOM SURABAYA

11

Dioda Ideal (2)

Dioda ideal adalah pendekatan yang paling sederhana dari dioda.

Secara ideal dioda akan berperilaku seperti penghantar sempurna (hambatan nol) saat diberi bias maju, dan seperti penghambat sempurna (hambatan tak hingga) saat dibias balik.

Pada kenyataannya tidaklah mungkin membuat dioda seperti ini. Piranti lain yang berperilaku seperti dioda ideal adalah saklar, yang mempunyai hambatan nol saat ditutup dan hambatan tak hingga saat dibuka.

ELEKTRONIKA – STMIK STIKOM SURABAYA

12

Dioda Ideal (3)

I D

IDEAL BIAS BALIK BIAS MAJU

V D

(a) (b) (a) Kurva dioda ideal, (b) Dioda ideal berperilaku seperti saklar

ELEKTRONIKA – STMIK STIKOM SURABAYA

13

Contoh 2

Untuk rangkaian dioda di bawah ini, gunakan pendekatan dioda ideal untuk menghitung tegangan beban dan arus beban (pada 𝑅 𝐿 )!

0 D1 1 V1 10 V 1N1202C 2 0 RL 1kΩ 0.1%

ELEKTRONIKA – STMIK STIKOM SURABAYA

14

Contoh 3

Untuk rangkaian dioda di bawah ini, gunakan pendekatan dioda ideal untuk menghitung tegangan beban, arus beban dan daya beban (pada 𝑅 𝐿 )!

0 1 V1 10 V R1 6kΩ 0.1% D1 3 0 R2 3kΩ 0.1% 1N1202C 2 0 RL 1kΩ 0.1%

ELEKTRONIKA – STMIK STIKOM SURABAYA

15

Pendekatan Kedua

Pendekatan dioda ideal dapat digunakan dengan baik dalam proses troubleshooting. Namun dalam analisis, diperlukan nilai arus dan tegangan yang lebih akurat. Untuk itu digunakanlah pendekatan kedua.

Pendekatan kedua dioda memperhitungkan nilai dari tegangan lutut (0,7V untuk dioda silikon). Sehingga meskipun dioda dibias maju, arus dioda tidak akan mengalir sampai tegangan dioda melebihi 0,7V.

ELEKTRONIKA – STMIK STIKOM SURABAYA

16

Pendekatan Kedua (2)

I D

PENDEKATAN KEDUA 0,7V BIAS BALIK 0,7V

V D

0,7V BIAS MAJU (a) (b) (a) Kurva dioda pendekatan kedua (b) Rangkaian ekivalen pendekatan kedua

ELEKTRONIKA – STMIK STIKOM SURABAYA

17

Pendekatan Kedua (3)

Gambar diatas menunjukkan rangkaian ekivalen untuk pendekatan kedua dari sebuah dioda silikon. Dioda ideal yang digambarkan dengan saklar dihubungkan dengan sumber tegangan 0,7V secara seri.

Apabila dioda dibias maju dengan tegangan Thevenin lebih besar dari 0,7V maka saklar akan tertutup. Tetapi jika tegangan lebih kecil dari 0,7V saklar akan terbuka. Pada kondisi ini, tidak akan ada arus melewati dioda.

ELEKTRONIKA – STMIK STIKOM SURABAYA

18

Contoh 4

Untuk rangkaian dioda di bawah ini, gunakan pendekatan kedua dioda untuk menghitung tegangan beban dan arus beban (pada 𝑅 𝐿 )!

0 D1 1 V1 10 V 1N1202C 2 0 RL 1kΩ 0.1%

ELEKTRONIKA – STMIK STIKOM SURABAYA

19

Contoh 5

Untuk rangkaian dioda di bawah ini, gunakan pendekatan kedua dioda untuk menghitung tegangan beban, arus beban dan daya beban (pada 𝑅 𝐿 )!

0 1 V1 10 V R1 6kΩ 0.1% D1 3 0 R2 3kΩ 0.1% 1N1202C 2 0 RL 1kΩ 0.1%

ELEKTRONIKA – STMIK STIKOM SURABAYA

20

Pendekatan Ketiga

Dalam pendekatan ketiga dari dioda, nilai dari hambatan gabungan ( 𝑅 𝐵 ) diperhitungkan. Pengaruh 𝑅 𝐵 terhadap kurva dioda adalah kenaikan tegangan yang linier terhadap kenaikan arus.

Rangkaian ekivalen untuk pendekatan ketiga ini adalah sebuah saklar yang terhubung seri dengan sumber tegangan 0,7V dan hambatan 𝑅 𝐵 . Seperti terlihat dalam gambar di bawah.

ELEKTRONIKA – STMIK STIKOM SURABAYA

21

Pendekatan Ketiga (2)

I D

PENDEKATAN KETIGA 0,7V R B BIAS BALIK 0,7V R B

V D

0,7V BIAS MAJU (a) (b) (a) Kurva dioda pendekatan ketiga, (b) Rangkaian ekivalen dioda pendekatan ketiga

ELEKTRONIKA – STMIK STIKOM SURABAYA

22

Pendekatan Ketiga (3)

Pada pendekatan ketiga saat tegangan dioda lebih besar dari dioda akan menghantarkan listrik. Selama menghantar arus listrik, nilai tegangan total yang melalui dioda adalah : 0,7𝑉 𝑉 𝐷 = 0,7𝑉 + 𝐼 𝐷 𝑅 𝐵

ELEKTRONIKA – STMIK STIKOM SURABAYA

23

Pendekatan Ketiga (4)

Di dalam praktek, seringkali nilai hambatan gabungan lebih kecil dari 1  , sehingga dapat diabaikan. Acuan untuk mengabaikan hambatan gabungan adalah apabila : 𝑅 𝐵 < 0,01 𝑅 𝑇𝐻 Hal ini berarti, bahwa nilai tegangan gabungan dapat diabaikan bila nilainya lebih kecil 1/100 dari nilai hambatan Thevenin di depan sebuah diode. Jika kondisi ini terpenuhi, dapat diasumsikan bahwa kesalahan adalah kurang dari 1%.

ELEKTRONIKA – STMIK STIKOM SURABAYA

24

Contoh 6

Untuk rangkaian dioda di bawah ini, Dioda 1N4001 memiliki hambatan gabungan sebesar beban (pada 𝑅 𝐿 )!

0,23Ω . Gunakan pendekatan ketiga dioda untuk menghitung tegangan beban, arus beban dan daya

D1 1 2 1N4001 V1 10 V 0 RL 1kΩ 0.1% 0

ELEKTRONIKA – STMIK STIKOM SURABAYA

25

Contoh 7

Untuk rangkaian dioda di bawah ini, Dioda 1N4001 memiliki hambatan gabungan sebesar beban (pada 𝑅 𝐿 )!

0,23Ω . Gunakan pendekatan ketiga dioda untuk menghitung tegangan beban, arus beban dan daya

D1 1 2 1N4001 V1 10 V RL 10Ω 0.1% 0 0

ELEKTRONIKA – STMIK STIKOM SURABAYA

26

Simulasi Dengan Multisim

1 D1 1N4001 0 V1 10 V 2 0 RL 1kΩ 0.1% XMM1

Agilent

1 D1 1N4001 0 V1 10 V 2 0 RL 10Ω 0.1% XMM1

Agilent

ELEKTRONIKA – STMIK STIKOM SURABAYA

27

ELEKTRONIKA – STMIK STIKOM SURABAYA

28

29

30

31

32

Membaca Datasheet Dioda 1N4001

Seperti terlihat dalam Gambar, beberapa informasi berguna 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 adalah 1,1V (Maximum instateneous forward voltage).

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

ELEKTRONIKA – STMIK STIKOM SURABAYA

33

Menghitung Hambatan Gabungan

Hambatan gabungan dihitung dengan menggunakan rumusan: 𝑅 𝐵 = 𝑉 2 𝐼 2 − 𝑉 − 𝐼 1 1 Dengan menggunakan grafik Instantaneous Forward Characteristics, didapatkan bahwa: pada saat arus mencapai 1A maka dibutuhkan tegangan sebesar 0,93V, sedangan untuk diode silicon kita tahu bahwa tegangan lutut adalah 0,7V yaitu pada saat arus masih mendekati 0A. Jadi hambatan gabungan adalah: 0,93𝑉 − 0,7𝑉 𝑅 𝐵 = 1𝐴 − 0𝐴 = 0,23Ω

ELEKTRONIKA – STMIK STIKOM SURABAYA

34

Menentukan Garis Beban

Garis beban adalah sebuah perangkat yang dapat digunakan untuk menghitung nilai arus dan tegangan dioda dengan tepat.

Perhatikan rangkaian berikut, dan kita akan menggambar garis beban dari rangkaian tersebut: Rs 100 Ohm Vs 2 V D1

ELEKTRONIKA – STMIK STIKOM SURABAYA

35

Persamaan Garis Beban

Nilai arus dan tegangan dioda dihitung dengan menggunakan rumus : 𝐼 𝐷 = 𝑉 𝑠 − 𝑉 𝐷 𝑅 𝑠 Sebagai contoh, pada saat diberikan tegangan 2V pada rangkaian dengan nilai 𝑅 𝑠 = 100Ω , didapatkan persamaan garis: 𝐼 𝐷 = 2 − 𝑉 𝐷 100

ELEKTRONIKA – STMIK STIKOM SURABAYA

36

Persamaan Garis Beban (2)

Untuk menggarkan garis beban dengan menggunakan persamaan di atas adalah:  Tentukan nilai 𝐼 𝐷 saat 𝑉 𝐷 = 0𝑉 mewakili arus maksimum ), dan (Titik ini disebut titik

saturasi

karena  Tentukan nilai 𝐼 𝐷 saat 𝑉 𝐷 mewakili arus minimum ).

= 𝑉 𝑠 (Titik ini disebut titik

cut-off

karena

ELEKTRONIKA – STMIK STIKOM SURABAYA

37

Persamaan Garis Beban (3)

Jadi: 𝐼 𝐷 𝐼 𝐷 = 2−0 = 100 2−2 100 = 20𝑚𝐴 , sehingga 𝐼 𝐷 = 0 , sehingga 𝐼 𝐷 = 10𝑚𝐴 = 0𝑚𝐴 saat 𝑉 𝐷 saat 𝑉 𝐷 = 2𝑉 .

= 0𝑉 , dan Lakukan plotting garis dari dua titik di atas seperti pada gambar.

ELEKTRONIKA – STMIK STIKOM SURABAYA

38

Persamaan Garis Beban (4)

I D Diode Curve 30 mA Saturation 20 mA Q (operating point) 12,5 mA 10 mA Cutoff 0,75v 1V V D 2V

ELEKTRONIKA – STMIK STIKOM SURABAYA

39

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 kurva dioda dan garis beban. Titik ini merupakan satu-satunya titik pada grafik yang berlaku untuk dioda dan rangkaian.

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

ELEKTRONIKA – STMIK STIKOM SURABAYA

40