01_13211059

(1)

Laporan Praktikum - Laboratorium Dasar Teknik Elektro – STEI ITB 1

MODUL 01 DIODA: KARAKTERISTIK DAN ANALISIS

Aji Suryo Wibowo (13211059)

Asisten: Inneke Mayachita/13209077 Tanggal Percobaan: 06 Februari 2013

EL2140-Praktikum Elektronika

Laboratorium Dasar Teknik Elektro - Sekolah Teknik Elektro dan Informatika ITB

Abstrak

Pada percobaan kali ini, dilakukan percobaan untuk

menentukan karakteristik dari dioda. Pada percobaan ini

juga dilakukan analisis rangkaian yang menggunakan dioda,

yaitu rangkaian penyearah dan filter, serta rangkaian clipper

dan rangkaian clamper.

Kata kunci: Dioda, Filter, Clipper, Clamper.

1. PENDAHULUAN

Pada barang-barang elektronik, kegunaan dioda sangatlah penting, terutama sebagai penyearah arus bolak-balik sehingga komponen ini merupakan komponen penting dalam pembuatan adaptor.

Setelah melakukan percobaan, diharapkan mahasiswa dapat:

a. memahami karakteristik dioda biasa dan dioda Zener

b. memahami penggunaan dioda dalam rangkaian penyearah

c. mempelajari pengaruh filter sederhana pada suatu sumber DC

d. memahami penggunaan dioda untuk rangkaian clipper dan clamper

2. STUDI PUSTAKA

2.1 D

IODA

Pada dasarnya dioda dapat dibagi menjadi dua jenis, yaitu dioda biasa dan dioda Zener. Perbedaan diantaranya keduanya yaitu terdapatnya tegangan breakdown pada dioda Zener.

Fungsi dioda paling sederhana adalah sebagai penyearah arus bolak-balik menjadi arus searah pada suatu sumber tegangan DC. Tegangan pada rangkaian penyearah gelombang penuh:

di mana Vp adalah magnitudo tegangan puncak sinyal AC yang disearahkan dan Vr adalah tegangan riak pada penyearah gelombang penuh sebesar:

dengan f merupakan frekuensi sinyal Ac jala-jala yang digunakan, C merupakan kapasitansi filter, dan R adalah resistansi pada rangkaian penyearah dan filter.

Untuk rangkaian penyearah gelombang penuh, besar resistansi output efektif Ro:

Besar regulasi tegangan VR yaitu:

di mana Vnl adalah tegangan tanpa beban, dan Vfl adalah tegangan beban penuh. Semakin kecil nilai VR maka sumber tegangan makin baik.

2.2 Rangkaian Clipper dan Rangkaian Clamper Rangkaian Clipper adalah rangkaian yang berguna untuk membatasi tegangan agar tidak melebihi nilai tegangan tertentu.

Rangkaian Clamper adalah rangkaian yang berguna untuk memberikan offset tegangan DC sehingga tegangan outputnya merupakan tegangan input ditambahkan dengan tegangan DC.

3. METODOLOGI

3.1 A

LAT DAN

K

OMPONEN YANG

D

IGUNAKAN

a. Generator Sinyal (1 buah)

b. Sumber Tegangan DC (2 buah)

c. Kit Praktikum Karakteristik Dioda dan

Rangkaian Penyearah (1 buah)

d. Trafo CT 15 V (1 buah)

(2)

f. Dioda Zener 5V1 (2 buah)

g. Resistor Variabel (1 buah)

h. Osiloskop (1 buah)

i. Multimeter Digital (1 buah)

j. Resistor 150 kΩ (1 buah)

k. Kapasitor 10 µF (1 buah)

l. Breadboard (1 buah)

m. Kabel Banana-BNC (2 buah)

n. Kabel BNC-BNC (1 buah)

3.2 L

ANGKAH

-L

ANGKAH

P

ERCOBAAN

a. Diagram 1.1 Karakteristik Dioda

Gambar 1.1 Rangkaian Percobaan Karakteristik Dioda, [1]

b. Diagram 1.2 Penyearah dan Filter

Gambar 1.2 Rangkaian Percobaan Penyearah dan Filter, [1]

1

•Rangkaian dibuat seperti pada gambar 1.1.

2

•Osiloskop diset pada mode X-Y.

•Sinyal pada kanal B diinvers.

3

•Tegangan cut-in, breakdown, dan kurva karakteristik diamati.

•Percobaan diulang untuk dioda germanium dan dioda Zener.

1

•Rangkaian dibuat seperti pada gambar 1.2.

2

• Bentuk gelombang, frekuensi gelombang, dan pengaruh pemasangan C pada tegangan riak diamati.

• Nilai resistansi, kapasitansi, tegangan DC, dan tegangan riak dicatat.

3

• Langkah sebelumnya diulangi dengan nilai resistansi yang diubah-ubah.

4

• Rangkaian disusun seperti pada gambar 1.3. • Langkah kedua diulangi.

5

• Resistor Rm dilepas, CT trafo dan ground dihubungkan lagi.

• Beban dilepas lalu diukur tegangan DCnya.

6

• Resistor variabel dijadikan beban, nilai resistansi diatur sehingga tegangan beban besarnya setengah tegangan saat tanpa beban. • Nilai resistansi variabel dicatat.

7

• Rangkaian disusun seperti pada gambar 1.4. • Hal yang sama pada langkah-langkah sebelumnya

diamati pada rangkaian ini.

8

• Rangkaian disusun seperti pada gambar 1.5. • Hal yang sama pada langkah-langkah sebelumnya

(3)

Laporan Praktikum - Laboratorium Dasar Teknik Elektro – STEI ITB 3 Gambar 1.3 Rangkaian Percobaan Penyearah dan Filter,

[1]

c. Diagram 1.3 Rangkaian Clipper dan Rangkaian Clamper

Gambar 1.6 Rangkaian Clipper, [1]

Gambar 1.7 Rangkaian Clipper dengan Dioda Zener, [1]

Gambar 1.8 Rangkaian Clamper, [1]

4. HASIL DAN ANALISIS

4.1 Tabel 1.1 Hasil Percobaan Karakteristik Dioda

Jenis

Dioda Tegangan Cut-in (V) Tegangan Breakdown (V)

Silikon 0.6 -

German

ium 0.4 -

Zener 0.7 -7.2

Dari tabel di atas, nilai tegangan cut-in dioda silikon dan Zener tidak terdapat perbedaan yang signifikan dengan yang ada pada referensi.

1

•Rangkaian disusun seperti pada gambar 1.6.

•Dengan osiloskop, sinyal output diamati.

2

3

(4)

Laporan Praktikum - Laboratorium Dasar Teknik Elektro – STEI ITB 4 Gambar 1.9 Kurva Karakteristik Dioda Silikon

Gambar 1.10 Kurva Karakteristik Dioda Germanium

Gambar 1.11 Kurva Karakteristik Dioda Zener

Analisis :

Kurva diperoleh dengan membandingkan nilai tegangan dioda (sumbu X) dengan tegangan resistor (sumbu Y). Kurva tegangan resistor versus tegangan dioda ini dapat mewakili kurva i-v karena arus yang melewati dioda sebanding dengan tegangan resistor, dan nilai resistansi R dapat dianggap sebagai konstanta.

Pada dioda germanium, terdapat perbedaan yang cukup terlihat, hal ini bisa saja disebabkan akan ketidakidealan dioda.

Pada dioda Zener, terdapat tegangan breakdown pada -7.2 Volt yang artinya dioda Zener dapat meneruskan arus jika terdapat beda potensial sebesar tegangan cut-innya maupun beda potensial sebesar tegangan breakdownnya

sehingga dioda Zener dapat juga digunakan sebagai pengatur tegangan.

4.2 Tabel 1.2 Hasil Percobaan Rangkaian Penyearah dan Filter

Rangkaian Diamati R F VDC (V) Vriak perhitung an (mV) Vriak pengamatan (mV) friak (Hz) farus dioda (Hz) imaks (mA) Ro Penyearah gelombang setengah 1k 2200 u 15 136.36 136 50 50 152 33.6 1000 u 15 300 282 50 50 144 36 470 u 15 683.3 576 50 50 140 41.3 27 2200 u 8 5050.5 1740 50 50 1080 14 180 13 757.57 556 50 50 480 39.7 1k 15 136.36 136 50 50 148 44.2 Penyearah gelombang penuh dua dioda 1k 2200 u 15 68 66 100 100 152 21.8 1000 u 15 149.6 126 100 100 92 21.8 470 u 15 319.5 252 100 100 88 21.8 27 2200 u 10 2518.2 800 100 100 800 21.8 180 14 377.78 264 100 100 280 21.8 1k 15 68 66 100 100 104 21.8 Penyearah gelombang penuh jembatan dioda 1k 2200 u 14 68 66 100 - - 24.2 1000 u 14 149.6 120 100 - - 24.2 470 u 14 319.5 236 100 - - 24.2 27 2200 u 8.5 2518.2 760 100 - - 24.2 180 13 377.78 256 100 - - 24.2 1k 14 68 66 100 - - 24.2 Analisis :

Pada rangkaian penyearah gelombang setengah penuh, dioda bekerja saat tegangan trafo bernilai positif (vo = vi), sementara saat tegangan trafo bernilai negatif, dioda tidak bekerja sehingga vo = 0. Frekuensi arus dioda sama dengan frekuensi sumber yaitu 50 Hz.

Pada rangkaian penyearah gelombang penuh dua dioda, trafo CT merupakan trafo yang mana menghasilkan dua buah tegangan yang besarnya sama namun berlawanan fasenya sehingga kedua dioda akan “berkedip-kedip”. Saat salah satu tegangan bernilai positif, maka arus akan mengalir lewat salah satu dioda, sementara dioda yang lain tidak aktif. Hal ini menyebabkan arus searah dengan bentuk gelombang penuh. Frekuensi tegangan riak dan frekuensi arus dioda akan menjadi dua kali frekuensi jala-jala, yaitu 100 Hz. Pada rangkaian penyearah gelombang penuh jembatan dioda, trafo yang digunakan merupakan trafo biasa, bukan trafo CT seperti pada rangkaian

(5)

sebelumnya. Saat trafo menghasilkan tegangan positif, maka dioda pada bagian atas kanan dan juga bagian bawah kiri akan aktif, sehingga arus akan mengalir, begitupun halnya saat trafo menghasilkan tegangan negatif, maka hanya dioda bagian atas kiri dan bawah kanan yang akan aktif, yang mengakibatkan arus juga mengalir. Dari arah aliran arus tersebut, maka aliran arus tetap searah melewati RL terlebih dahulu baru GND meskipun tegangan dari trafo merupakan tegangan AC. Frekuensi dari tegangan riaknya adalah dua kali frekuensi jala-jala yakni 100 Hz.

Pada rangkaian penyearah ini, terlihat bahwa penyearah gelombang penuh lebih baik daripada penyearah gelombang setengah penuh, hal ini terlihat dari kecilnya tegangan riak yang dihasilkan.

Dari perhitungan tegangan riak Vr untuk gelombang setengah penuh:

sementara untuk gelombang penuh:

dengan Vp tegangan puncak sumber, maka dari kedua persamaan tersebut jelas terlihat bahwa dengan rangkaian yang sama, penggunaan rangkaian penyearah gelombang penuh akan memperkecil tegangan riak yang terjadi dikarenakan terdapat faktor 2 pada penyebutnya. Hal itu akan mempengaruhi pada tegangan DC yang terbentuk, semakin kecil nilai Vr maka semakin baik kualitas rangkaian penyearah, yang terlihat dari persamaan:

Dari tabel di atas, nilai hasil tegangan riak yang diamati tidak tepat sama dengan hasil perhitungan, hal ini dapat disebabkan karena adanya toleransi komponen baik itu kapasitor maupun resistor.

Besar resistansi Thevenin dari rangkaian atau resistansi output dapat diperoleh dengan melepas beban dan menggantinya dengan resistor variabel. Saat tegangan pada resistor variabel sama dengan setengah tegangan sumber, maka di situlah nilai resistansi outputnya. Kemudian arus maksimum diukur dengan memasang suatu resistor bantuan yang besarnya sangat kecil (Rm) sehingga tidak mempengaruhi rangkaian secara signifikan. 4.3 Tabel 1.3 Rangkaian Clipper dan Clamper

Pada percobaan ini, percobaan dilakukan dengan menggunakan Multi-Sim.

Gambar 1.12 Kurva Tegangan Output Rangkaian Clipper

Gambar 1.13 Kurva Tegangan Output Rangkaian Clipper dengan Dioda Zener

Gambar 1.14 Kurva Tegangan Output Rangkaian Clamper

Analisis :

Pada rangkaian clipper, baik dengan menggunakan dioda biasa maupun dengan menggunakan dioda Zener, kurva terlihat seperti sebuah kurva sinusoidal yang terpancung pada bagian puncak-puncaknya. Hal ini disebabkan oleh adanya dioda. Pada rangkaian clipper dengan dioda biasa, saat tegangan berada pada

(6)

rentang 5 hingga 15 Volt, maka salah satu dioda akan aktif, pada gambar adalah dioda yang terletak di sebelah kiri, saat dioda tersebut aktif, pada osiloskop akan terukur nilai VDC yang dipasang pada dioda tersebut yaitu sebesar 5 Volt, begitupun saat tegangan berada pada rentang -15 hingga -5 Volt, maka dioda sebelah kanan akan aktif, sehingga nilai tegangan yang terukur pada pada saat itu adalah -5 Volt. Pada saat tegangan berada pada rentang -5 hingga 5 Volt, maka kedua dioda tidak aktif sehingga tegangan terukur adalah tegangan itu sendiri. Hal ini terlihat pada gambar, namun terdapat perbedaan nilai tegangan sebesar 0.24 Volt dari tegangan yang diinginkan. Hal ini terjadi karena dioda real memiliki tegangan cut-in yaitu tegangan di mana dioda akan aktif. Kemudian pada rangkaian clipper dengan dioda Zener, kita tidak membutuhkan sumber tegangan DC sebagai tegangan pembatas, karena kita hanya perlu memanfaatkan tegangan breakdown yang dimilki oleh dioda Zener. Pada prinsipnya rangkaian clipper dengan dioda biasa sama dengan rangkaian clipper dengan dioda Zener namun yang membuat dioda Zener unik adalah dengan kombinasi dioda seperti gambar 1.7, kita seolah-olah memiliki dioda dengan

tegangan “cut-in” sebesar tegangan

breakdownnya, dalam hal ini 4.7 Volt.

Pada rangkaian clamper, nilai tegangan output Vo sama dengan hasil penjumlahan dari nilai tegangan input Vi dengan tegangan kapasitor Vc. Saat tegangan input lebih kecil dari sumber tegangan DC (dalam hal ini 5 V), maka dioda akan aktif, kemudian arus akan mengalir mengisi kapasitor sehingga tegangan maksimum pada kapasitor akan sebesar 5 – (-15) = 20 Volt. Saat tegangan input lebih besar dari sumber tegangan DC 5 Volt, maka dioda tidak aktif, sehingga kapasitor membuang tegangan yang disimpannya. Karena waktu pembuangan tegangan dibuat sangat lama jika dibandingkan dengan frekuensi tegangan output, maka seolah-olah tegangan output Vo sama dengan tegangan input Vi diberi offset tegangan DC sebesar 20 Volt.

5. KESIMPULAN

Dari percobaan dapat disimpulkan bahwa:

a. Karakter dioda adalah memiliki sebuah nilai tegangan di mana dioda tersebut aktif yang dinamakan tegangan cut-in. Dioda juga memiliki batas tegangan reverse di mana dioda tersebut aktif yang dinamakan tegangan breakdown. Pada dioda silikon, tegangan cut-in berada pada rentang 0.6 – 0.7 Volt, sementara pada dioda germanium tegangan cut-in berada pada rentang 0.1 – 0.2

Volt. Tegangan breakdown pada kedua dioda yang disebut barusan (dioda biasa) berada pada rentang 30 – 300 Volt. Sementara pada dioda Zener, tegangan cut-in berada pada rentang 0.7 – 0.8 Volt dan tegangan breakdownnya berada pada rentang 1.2 – 200 Volt, [2] namun pada umumnya sekitar 6.8 Volt.

b. Pada rangkaian penyearah, dioda berfungsi sebagai “polisi pengatur lalu lintas” yang mengakibatkan “jalan” arus menjadi “verboden” artinya arus diperbolehkan lewat saat beda tegangan pada dioda positif sehingga akan tercipta arus yang searah. Penggunaan dua dioda pada rangkaian penyearah membuat frekuensi tegangan riak dan frekuensi arus pada dioda menjadi dua kali tegangan jala-jala artinya terjadi pembalikan fasa arus dan fasa tegangan riak pada region negatif menjadi bernilai positif atau dengan kata lain gelombang penuh. Begitupun halnya dengan penggunaan jembatan dioda pada rangkaian penyearah. Pada penggunaan jembatan dioda, tidak diperlukan adanya trafo CT lagi berbeda dengan penggunaan dua dioda pada rangkaian penyearah.

c. Pengaruh filter adalah mengurangi besar tegangan riak yang terjadi, karena sesuai dengan persamaan tegangan riak pada rangkaian gelombang penuh:

Jika nilai filter (kapasitor) semakin besar, maka nilai tegangan riak Vr akan semakin kecil.

d. Pada rangkaian clipper, dioda berfungsi sebagai “pemotong” tegangan sehingga tegangan output yang dihasilkan tidak melebihi nilai tegangan yang sudah ditentukan. Sementara pada rangkaian clamper, dioda digunakan sebagai pengatur laju arus, karena saat dioda aktif artinya proses pengisian kapasitor berlangsung, sementara saat dioda tidak aktif, maka proses pengosongan tegangan kapasitor yang berlangsung, sehingga jika waktu pengosongan jauh lebih lama dibandingkan frekuensi tegangan output, maka seolah-olah terlihat bahwa tegangan output merupakan tegangan input yang diberikan offset tegangan DC.

(7)

6. D

AFTAR

P

USTAKA