BAB III RANGKAIAN APLIKASI DIODA

(1)

BAB III

RANGKAIAN APLIKASI DIODA Analisis rangkaian dioda ada 2 pendekatan :

1. Analisis garis beban

2. Pendekatan model / rangkaian ekivalen dioda 3.1 Analisis Garis Beban

E D V D I R V R

Gambar 3.1 Rangkaian dioda Hukum Kirchoff II : R I V E V V E V V E D D R D R D + = + = = − − 0 saat R E I VD =0→ D = saat I_D =0→E=V_D ID (mA) VD Q - point R E E DQ V DQ I Tegangan pada dioda Arus yang mengalir

di dioda

Gambar 3.2 Garis beban sebuah dioda 3.2 Pendekatan Model / Rangkaian Ekivalen Dioda a. Simplified model

(2)

Dioda Si VT =0,7Vdan dioda Ge VT =0,3V dengan Rf =0Ω dan Rr =∞Ω 7 , 0 D I ID 7 , 0

Gambar 3.3 Dioda silikon 3 , 0 D I ID 3 , 0

Gambar 3.4 Dioda germanium

Saat dioda “OFF”, maka pada dioda menjadi open circuit (terbuka). b. Ideal model

Saat dioda “ON” , maka V_T =0V dengan R_f =0Ω dan R_r =∞Ω 0

D

I ID

0

Gambar 3.5 Dioda ideal

Saat dioda “OFF”, maka pada dioda menjadi open circuit (terbuka). 3.3 Konfigurasi Dioda Seri dengan Input DC

Kasus 1 : E D V D I R V R

(3)

E 7 , 0 D I R V R D R D D D RI V R E R V E I V = − = − = = 7 , 0 7 , 0

Untuk E < VT, maka dioda Si ”OFF” :

E D V D I R V R 0 0 = = = R D D V I E V Kasus 2 : E D I R V R Si Ge

Untuk E > VT, maka dioda Si & Ge ”ON” :

E D I R V R 7 , 0 0,3

(4)

D R D RI V R E I = − − = 0,7 0,3

Untuk E < VT, maka dioda Si & Ge ”OFF” :

E D I R V R 0 0 = = = R D D V I E V Kasus 3 : E D I R V R Si Ge

Untuk E > VT, maka dioda Si ”ON” dan Ge ”OFF” :

E D I R V R 7 , 0

Karena arus dioda ID =0, maka pada dioda Si menjadi no bias (tertutup / short circuit), sehingga rangkaian menjadi :

(5)

E D I R V R

3.4 Konfigurasi Dioda Paralel dengan Input DC

Kasus 1 : E + R Si Si E + R 7 , 0 0,7 Kasus 2 : E + R Ge Ge E + R 3 , 0 0,3 Kasus 3 : E + R Si Ge E + R 7 , 0 Kasus 4 :

(6)

E + R Si Ge E + R 7 , 0 0,3

Karena paralel seharusnya tegangan sama besar, tetapi karena VGe < VSi, maka jika Si 0,7 sebagai referensi tegangan maka seharusnya Ge juga “ON” (tidak boleh sama tegangan paralelnya), sehingga jika Ge 0,3 sebagai tegangan referensi maka Si “OFF”.

E

+ R

3 , 0

3.5 Gerbang Logika dasar OR / AND dengan Dioda Gerbang OR 1 E + 2 E + Si Si 1 D 2 D Ω k 1 o V

Jika “+10V” samadengan logika “1” dan “0V” samadengan logika “0”.

0 0 Si Si 1 D 2 D Ω k 1 o V 0 0 1 D 2 D Ω k 1 o V

(7)

0 = o V 10 + 0 Si Si 1 D 2 D Ω k 1 o V 10 + 0 7 . 0 1 D 2 D Ω k 1 o V V V₀ =10−0,7=+9,3 10 + 0 Si Si 1 D 2 D Ω k 1 o V +10 0 7 . 0 1 D 2 D Ω k 1 o V V V₀ =10−0,7=+9,3 10 + Si Si 1 D 2 D Ω k 1 o V 10 + 10 + 7 . 0 1 D 2 D Ω k 1 o V 10 + 7 . 0 V V0 =10−0,7=+9,3 Tabel 3.1 Gerbang logika OR

E2 E1 Vo

0 0 0 0 +10 +9,3 +10 0 +9,3 +10 +10 +9,3

(8)

Gerbang AND 1 E + 2 E + Si Si 1 D 2 D Ω k 1 o V V 10 +

Jika “+10V” samadengan logika “1” dan “0V” samadengan logika “0”.

0 0 Si Si 1 D 2 D Ω k 1 o V V 10 + 0 7 . 0 1 D 2 D Ω k 1 o V 0 10 + 7 . 0 V V_o =0,7 10 + 0 Si Si 1 D 2 D Ω k 1 o V V 10 + 0 1 D 2 D Ω k 1 o V 10 + 10 + 7 . 0 V V_o =0,7

(9)

0 10 + Si Si 1 D 2 D Ω k 1 o V V 10 + 0 D1 2 D Ω k 1 o V 10 + 10 + 7 . 0 V Vo =0,7 10 + 10 + Si Si 1 D 2 D Ω k 1 o V V 10 + 0 1 D 2 D Ω k 1 o V 0 10 + V V0 =+10 Tabel 3.2 Gerbang logika AND

E2 E1 Vo

0 0 +0,7 0 +10 +0,7 +10 0 +0,7 +10 +10 +10

3.6 Input Sinusoidal : Penyearah Setengah Gelombang i V 2 T 0 T t m V m V − i V + R Vo

(10)

Saat V_i >0Æ 0−T₂Æ siklus positif i V + R Vo i o V V =

Saat 0Vi < ÆT₂−TÆ siklus negatif i V + R Vo 0 = o V i V 2 T 0 T _t m V m V − o V 2 T 0 T _t m V

Proses menghilangkan setengah gelombang sinyal input menjadi level DC disebut penyearah setengah gelombang.

[ ]

m DC m m m DC m T m T m DC t m t o DC av V V V V V V T T T V t T T T V tdt T T V V tdt T V T dt v T V v 318 , 0 318 , 0 1 1 2 0 2 cos 2 2 cos 2 2 cos 2 2 sin 2 sin 1 1 2 0 2 0 0 0 = = = + =    ₋ ₊ =         − = = = = =

∫

π π π π π π π π π

(11)

Jika dioda bukan dioda ideal, maka : i V 2 T 0 T _t m V m V − i V + R Vo

Saat 0Vi > Æ 0−T₂Æ siklus positif Saat V_i <V_T i V + R Vo 0 = o V Saat Vi >VT i V + R Vo T V T i o V V V = −

Saat 0Vi < ÆT₂−TÆ siklus negatif i V − R V_o 0 = o V

(12)

i V 2 T 0 T _t m V m V − o V 0 T _t T m V V − T V

PIV rating sebuah dioda adalah hal yang sangat penting dalam mendesain sebuah sistem penyearah.

PIV rating≥ Vm

3.7 Input Sinusoidal : Penyearah Gelombang Penuh i V 2 T 0 T _t m V m V − i V 1 D D₂ 3 D Vo _D₄

Jika D1, D2, D3, D4 adalah dioda ideal, maka : Saat 0Vi > Æ 0−T₂Æ siklus positif

i V 1 D D₂ 3 D 4 D o V i o V V =

(13)

i V 1 D D₂ 3 D 4 D o V i o V V = i V 2 T 0 T _t m V m V − o V 0 T _t m V 2 T

[ ]

m DC m m m DC m T m T m DC t m t o DC av V V V V V V T T T V t T T T V tdt T T V V tdt T V T dt v T V v 636 , 0 636 , 0 2 1 1 0 2 cos 2 2 cos 2 cos 2 2 2 sin 2 2 sin 2 1 1 2 0 2 0 0 0 = = = + =    ₋ ₊ =         − = = = = =

∫

π π π π π π π π π

Jika D1, D2, D3, D4 adalah bukan dioda ideal, maka : Saat 0Vi > Æ 0−T₂Æ siklus positif

Saat V_i <V_T i V o V 0 = o V

(14)

Saat Vi >VT i V o V T V T V T i o V V V = −2

Saat 0Vi < ÆT₂−TÆ siklus negatif Saat V_i <V_T i V o V 0 = o V Saat V_i >V_T i V T V o V T V T i o V V V = −2 i V 2 T 0 T _t m V m V − o V 0 T t T m V V −2 T V 2 3.8 Rangkaian Clipper

(15)

Rangkaian yang memiliki kemampuan untuk memotong bagian tertentu dari sinyal masukan tanpa mengganggu bagian sinyal masukan lainnya yang dilewatkan.

Ada 2 kategori rangkaian clipper : 1. Rangkaian clipper seri 2. Rangkaian clipper paralel Prosedur analisis rangkaian clipper :

a. Perhatikan arah dioda (katoda dan anoda) dan sinyal input. b. Tegangan transisi (saat Id = 0 dan Vd = 0 )

c. Perhatikan polaritas

d. Gambar output dibawah gambar input sinyal 1. Rangkaian clipper seri

i V +

R Vo

Saat 0Vi > Æ 0−T₂Æ siklus positif i V + R Vo i o V V =

Saat V_i <0ÆT₂−TÆ siklus negatif i V + R Vo 0 = o V

(16)

i V 2 T 0 T _t m V m V − o V 0 T t m V 2 T T i V 2 T 0 T _t m V m V − o V 0 T t m V 2 T T

Seri dengan DC Supply

i V + R ideal o V DC V

Saat Vi >0Æ 0−T₂Æ siklus positif

DC i V V < Æ dioda "OFF" R Vo DC V i V 0 = o V DC i V V ≥ Æ dioda "ON" R Vo i V DC V DC i o V V V = −

(17)

R Vo DC V i V 0 = o V

Untuk dioda ideal transisi antara 2 region/ daerah terjadi pada titik dimana Vd = 0 dan Id = 0 (no bias). R Vo DC V i V 0 = d V 0 = d I DC i d d DC i V V R I V V V V = = + + + − = Σ 0 0 i V 2 T 0 T _t m V m V − o V 0 T _t DC m V V − DC V 2 T

2. Rangkaian clipper paralel

i V + R o V

(18)

R o V i V 0 = o V

Saat 0V_i < ÆT₂−TÆ siklus negatif R o V i V i o V V =− i V 2 T 0 T _t m V m V − o V 0 T t m V − 2 T i V 2 T 0 T _t m V m V − o V 0 T t m V − 2 T

Paralel dengan DC Supply

i V + R ideal o V DC V

Saat 0V_i > Æ 0−T₂Æ siklus positif

DC

i V

(19)

R o V DC V i V DC i V V ≥ Æ dioda "OFF" R o V DC V i V i o V V =

Saat 0Vi < ÆT₂−TÆ siklus negatif R o V DC V i V DC o V V = i V 2 T 0 T _t m V m V − o V 0 T t m V 2 T T DC V DC V 3.9 Rangkaian Clamper

(20)

Terdiri dari kapasitor, dioda, resistor, dan sumber DC. i V + o V C R

Saat 0Vi > , maka dioda "ON" sehingga Vo =0. Sedangkan pada kapasitor terjadi

proses pengisian sampai nilai tegangan VC =Vi =Vm.

o V C R i V VC

Saat V_i <0, maka dioda "OFF" sehingga V_o =−V_C −V_i =−V_i −V_i =−2V_i =−2V_m. Sedangkan pada kapasitor terjadi proses pengosongan dimana konstanta pengisian dan pengosongan sebesar τ =RC, pada praktisnya untuk mendapatkan keluaran rangkaian clamper sebesar 5τ. o V C R i V VC

Prosedur analisis rangkaian clamper : a. Analisis saat dioda forward bias b. Selama dioda "ON" kapasitor terisi

c. Selama dioda "OFF" kapasitor mengalami pengosongan d. Perhatikan polaritas

(21)

i V 2 T 0 T _t m V m V − o V 0 T t m V 2 − 2 T 3.10 Dioda Zener

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 3.6 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, maka dioda zener tersebut kondisinya "ON" dimana tegangan dioda zener samadengan tegangan threshold.

i V Saat V_i <V_T i V Saat V_i ≥V_T i V VT

(22)

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. i V Saat Vi <VZ i V Saat Vi ≥VZ i V VZ

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 :

1. Zener breakdown

Dengan adanya tegangan mundur yang relatif tinggi, medan listriknya dapat menarik keluar elektron dari ikatan kovalen sehingga terjadi pembentukan pasangan elektron dan hole sebagai pengangkut muatan yang memungkinkan terjadinya arus mundur. 2. 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. i V + R Z V R_L Z I Zm P

Gambar 3.7 Rangkaian dioda zener untuk regulator tegangan Vi dan R Tetap

Dua tahap untuk menganalisis :

1. Tentukan kondisi dioda zener dengan memindahkannya dari rangkaian dan hitung tegangan yang melintas pada rangkaian terbuak tersebut.

(23)

i V + R V RL i L L _V R R R V + =

Jika V ≥VZÆ dioda zener "ON"

Jika V <V_ZÆ dioda zener "OFF"

2. Gantikan dengan rangkaian ekivalen dioda zener dan hitung parameter yang ditanyakan.

Jika kondisi dioda zener "OFF" maka :

i V + R L V L R L I R R V I V R R R V L i L i L L L + = + =

Jika kondisi dioda zener "ON" maka :

i V + R L V L R L I Z I Z V Z Z Z L Z i Z L Z L L L Z L I V P I R V V I R V R V I V V = − − = = = = dimana P_Z ≤P_Zm

Penggunaan dioda zener sebagai rangkaian regulator dan rangkaian referensi tegangan. Vi Tetap , R Berubah-ubah

(24)

(

)

R V V V R V R R R V V R R R V V L i L L i L L L i L L Z L − = = + + = =

Beban yang kecil RL menyebabkan tegangan yang melintasinya pun kecil, sehingga jika lebih kecil dari VZ menyebabkan dioda "OFF", maka nilai resistansi beban minimumnya : min max min L Z L L L Z i Z L i L L R V R V I R V V V R V V V R = = − = − =

Saat dioda "ON" : R V V R V I R i Z R − = = L R Z I I

I = − Æ dimana Izmin saat ILmax dan Izmax saat ILmin

Zm R

L I I

I _min = − Æ dimana Izm adalah arus maksimum dioda zener pada datasheet

min max L Z L _I V R =

Vi Berubah-ubah dan R Tetap

Supaya dioda "ON" Vi harus besar, maka nilai minimum Vi :

Z L L i i L L Z L V R R R V V R R R V V + = + = = min

Maksimum nilai Vi dibatasi oleh arus maksimum dioda zener IZm

Z R i Z R i L Zm R L R Zm V R I V V V V I I I I I I + = + = + = − = max max max max max

3.11 Rangkaian Pengali Tegangan

Rangkaian ini diterapkan pada trafo dengan tegangan puncak yang rendah dimana dapat dinaikkan output tegangan puncakmenjadi dua, tiga, empat atau lebih tegangan puncak penyearahnya.

Pengganda Tegangan Dua

(25)

m V 1 C 1 D 2 D 2 C o V

Saat V_i >0Æ 0−T₂Æ siklus positif

m V 1 C 1 D 2 D 2 C _V_o m

V Pada saat siklus ini D1 “ON”

dan D2 “OFF”, sedangkan pada kapasitor terjadi proses pengisian kapasitor sampai level tegangannya sama dengan input.

0 =

o

V

Saat 0V_i < ÆT₂−TÆ siklus negatif

m V 1 C 1 D 2 D 2 C o V m

V Pada siklus ini D1 “OFF” dan

D2 “ON” :

m

o V

V =−2

(26)

i V 2 T 0 T _t m V m V − o V 0 T _t m V 2 − 2 T

Rangkaian Lainnya untuk Pengganda Tegangan Dua

m V C1 1 D 2 D C2 o V

(27)

m V C1 1 D 2 D C2 o V m V

Pada saat siklus ini D1 “ON” dan D2 “OFF”, sedangkan pada kapasitor 1 terjadi proses pengisian kapasitor sampai level tegangannya sama dengan input.

m

o V

V =

Saat 0Vi < ÆT₂−TÆ siklus negatif

m V C1 1 D 2 D C2 o V m V m V

Pada siklus ini D1 “OFF” dan D2 “ON” :

m

o V

V =2

Sinyal keluaran dibandingkan masukan : i V 2 T 0 T _t m V m V − o V 0 T _t m V 2 2 T m V

(28)

m V 1 C 1 D D2 2 C 3 C 4 C 3 D D4 m V 2 m V 4 m V 3

3.12 Jenis Dioda Lainnya 1. LED (Light Emitting Diode)

Merupakan komponen yang dapat mengeluarkan emisi cahaya bila diberikan forward bias. Banyak digunakan sebagai indikator dan display, transmisi sinyal cahaya, dan sebagai penggandeng rangkaian elektronik. Untuk mendapatkan emisi cahaya doping yang dipakai adalah Galium, Arsenic dan Phospor. Jenis doping berbeda menghasilkan warna yang berbeda juga.

Kelebihan LED adalah tahan lama, tegangan rendah, waktu switching cepat.

Gambar 3.8 LED

Tabel 3.3. Berbagai LED dan tegangannya

Warna Forward Bias

Merah 1,8 V

Oranye 2,0 V

Kuning 2,1 V

Hijau 2,2 V

Besar arus maju suatu LED standaradalah sekitar 20 mA. 2. Photo Diode / Dioda Photo

Berkebalikan dengan LED dimana dioda ini akan menghasilkan arus listrikbila terkena cahaya. Bekerja pada daerah reverse bias, jadi hanya arus bocor saja yang melewatinya. Kuat cahaya dapat menaikkan arus bocor dan mengubah nilai resistansinya dimana semakin kuat cahaya semakin kecil nilai resistansinya.

(29)

Gambar 3.9 Photo Diode 3. Varactor / Varicap/ Dioda Kapasitansi Variabel

Sifatdioda ini bila dipasangkan menurut arah terbalik akan berperan sebagai kondensator/ kapasitor. Nilai kapasitansinya tergantung pada tegangan yang masuk, semakin besar tegangan nilai kapasitansinya semakin kecil dan bekerja pada daerah reverse bias.

Penggunaan dioda varactor sebagai modulator FM, VCO pada PLL, penerima radio dan penerima TV.

Gambar 3.10 Varactor 4. Dioda Tunnel / Terowongan

Pada persambungan PN konsentrasi ketidakmurnian 1 : 108. Dengan doping ini daerah deplesi menimbulkan potential barrier. Jika konsentrasi ketidakmurnian tinggi 1 : 103 maka daerah deplesi akan tereduksi sehingga potential barrier tipis akan mengakibatkan elektron untuk bisa menembus barrier. Dioda dengan ketidakmurnian tinggi disebut dioda tunnel.

I 0 _V p I v I p V V_v V_F Gambar 3.11 Karakteristik dioda tunnel Karakteristik :

Dioda tunnel adalah konduktor yang sempurna jika diberi reverse bias. Pada Ip dengan tegangan Vp gradien nol. Jika V > Vp arus mengecil nilai resistansi negatif antara arus Ip dan nilai arus IvÆ arus lembah (valley current).

Pada Vv dimana I = Iv konduktansi bernilai nol resistansi kembali menjadi positif. Pad titik yang disebut peak forward voltage VF arus kembali bernilai Ip.

Antara arus Ip - Iv kurva memiliki tiga nilai tegangan.

(30)

Gambar 3.12 Dioda tunnel Latihan Soal : 1. Tentukan I dan V ! V 10 + Ω k 1 ideal I V Jawaban : V 10 + Ω k 1 I V V V mA k I 0 10 1 0 10 = = − = 2. Tentukan I dan V ! V 10 + Ω k 1 I V Jawaban :

(31)

V 10 + Ω k 1 I V V V mA I 10 0 + = = 3. Tentukan i dan V ! 10 + k 10 2 D 1 D k 5 10 − V i Jawaban :

Asumsi D1 dan D2 "ON" 10 + k 10 2 D V k 5 10 − V 1 D I 1 D V ID2

(

)

_mA k k I Volt V D D 1 10 0 10 5 10 0 0 1 1 = − − − − = =

Asumsi D1 "ON" Æ Benar

mA k I Volt V D D 1 10 0 10 0 2 2 = − = =

Asumsi D2"ON" Æ Benar Sehingga :

(

)

_Volt k k V mA I i D 0 10 5 10 0 5 1 1 = − − − = = =

Asumsi D1 "ON" dan D2 "OFF"

(

)

_mA k I Volt V D D 2 5 10 0 0 1 1 = − − = =

mA I Volt V D D 0 10 2 2 = =

(32)

10 + k 10 2 D V k 5 10 − V 1 D I 1 D V ID2

Asumsi D1 "OFF" dan D2 "ON" 10 + k 10 2 D V k 5 10 − V 1 D I 1 D V 2 D I mA I Volt V D D 0 10 1 1 = =

Asumsi D1 "OFF" Æ Salah

(

)

_mA k k I Volt V D D 33 , 1 5 10 10 10 0 2 2 = + − − = =

Asumsi D1 "OFF" dan D2 "OFF" 10 + k 10 2 D V k 5 10 − V 1 D I 1 D V 2 D I mA I Volt V D D 0 10 1 1 = =

(

)

mA I Volt V D D 0 20 10 10 2 2 = = − − =

(33)

i V 2 T 0 T _t 20 + 20 − k 2 , 2 Si o V i V Jawaban :

Siklus 0-180o_Æ_{siklus positif}

k 2 , 2 Vo i V Volt Vo =0

Siklus 180o-360oÆ siklus negatif

k 2 , 2 Vo i V 7 , 0

(

V

)

Volt V_o =− _i−0,7

Jika 7Vi ≤0, dioda "OFF" ÆVo =0

i V 2 T T _t 20 + 20 − o V T _t 7 , 19 − 7 , 0 − 5. Tentukan IL dan VL !

(34)

Volt 20 220 180 L I mW P V V Zm Z 400 10 = = L V Jawaban : Volt 20 220 180 L I L V Volt V_L 20 9 220 180 180 ₌ + =

VL < VZÆ dioda zener "OFF"

mA I I mA I mA R V I L R Z L L L 50 0 50 180 9 = = = = = =