Karakteristik Diode. kt q

Karakteristik Diode

• Karakteristik diode umumnya dinyatakan dengan grafik hubungan

antara tegangan pada diode versus arus yang melewatinya

sehingga disebut karakteristik tegangan-arus (V-I)

• Secara teoritis, hubungan antara tegangan dan arus diode

dinyatakan oleh persamaan:

Keterangan:

I

_D

=arus diode, positif jika di dalam diode arahnya

dari anode ke katode

I

_s

=arus mundur jenuh (10

-8

_{s.d. 10}

-14

_A)

V

_T

=tegangan kesetaraan suhu= volt=

pada T=300

o

_{K, V}

T

=26mV dan pada T=273

o

K,V

T

=25mV

η= koefisien emisi, antara 1 sampai dengan 2 dan

untuk silikon pada arus normal mendekati 2

e= bilangan natural=2,72

)

1

(

/

−

=

VD VT s D

I

e

I

η

600

.

11

T

q

kT

Karakteristik V-I Diode Secara Teoritik

TEGANGAN MUNDUR TEGANGAN MAJU

Dengan

menggunakan

persamaan

karakteristik

tersebut, dapat

diperoleh tabel

pengaruh tegangan

diode (V

_D

) terhadap

arus yang

melewatinya (I

_D

)

dengan asumsi

I

_s

=10nA, η=2, dan

V

_T

=26 mA sebagai

berikut:

V_D(V) I_D(nA) 0 0 -0,02 -3,19 -0,05 -6,18 -0,1 -8,54 -0,2 -9,79 -0,3 -9,97 -0,4 -9,99 -0,5 -10 -0,6 -10 -0,7 -10 -0,8 -10 V_D(V) I_D(nA) 0 0 0,01 2,12 0,02 4,69 0,1 58,5 0,2 459 0,3 3205 0,4 22011 0,5 150841 0,6 1033362 0,7 7078894 0,8 48492587 V V_D I_D V R -V_D -I_D

Karakteristik V-I Diode Secara Teoritik

γ

V

) 1 ( / − = VD VT s D I e I η

I

_D

I

_S 0,6V Berdasarkan tabel di atas dapat

digambarkan karakteristik diode seperti gambar di samping. Terlihat pada V_D=0,6V nilai I_D kira-kira 100.000 kali I_s atau I_D≈1mA. Jika pada diode silikon ini arus sebesar

100 mA dianggap sedang, maka pada tegangan 0,6V arus sebesar 1mA adalah

1% terhadap arus 100mA tersebut. Pada

tegangan di bawah 0,6V arus I_D kurang dari 1% sehingga V_D=0,6V disebut tegangan

ambang atau threshold atau cut-in atau offset atau break point yang diberi

lambang Vγ. Definisi letak Vγ tidak pasti karena di sekitar Vγ kurvanya berupa garis lengkung dan tidak ada titik patah. Biasanya Vγ untuk diode silikon sekitar 0,6V dan

untuk diode germanium kira-kira 0,2V.

Pengaruh Suhu Pada Karakteristik V-I Diode

I

_D T₁ T₂>T₁ V_D konstan I_D1 I_D2 V_D1 I_D konstan V_D2 Menurut persamaan karakteristik di atas,

perbedaan suhu T₁ dan T₂ dapat

memberikan karakteristik yang berbeda seperti gambar di samping.

1. Jika diode pertemuan pn diberi

tegangan maju konstan, maka suhu yang semakin tinggi menyebabkan arus diode semakin tinggi berubah dari I_D1 ke I_D2.

2. Jika diberi arus konstan, kenaikan suhu menyebabkan tegangan turun berubah dari V_D1 ke V_D2. Keadaan ini menjadikan diode pertemuan pn dapat dimanfaatkan sebagai sensor suhu.

Karakteristik Diode Dalam Praktek

I

_D

V

_D

-V

_D

-I

_D

V

_breakdown γ V Tegangan yang menyebabkan munculnya arus maju sebesar 1% dari arus normal, 0,6 V untuk Si dan 0,2 untuk Ge.

Tegangan yang menyebabkan munculnya arus mundur yang sangat besar. Untuk diode 1N4001 V_BD=-50V, 1N4007 V_BD=-1000V, BY127 V_BD=-1250V, 1N914 V_BD=-100V, dan 1N4148 V_BD=-75V.

Karakteristik Diode Dalam Praktek

Pada saat terjadinya tegangan dadal (breakdown), daerah

kosongnya lebar, dan arus yang bertambah cepat terjadi karena

dua peristiwa yakni:

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. Avalance breakdown

Peristiwa ini disebut juga tabrakan beruntuntun. 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.

Analisis Grafis Rangkaian Diode

V=1V V_D Ω = 50 L R V_O

Diode adalah komponen non linear, sehingga hukum-hukum arus

dan tegangan untuk komponen linear seperti Hukum Kirchhoff

tidak dapat secara langsung diberlakukan. Untuk itu diperlukan

analisis grafis terhadap rangkaian yang mengandung komponen

non linear seperti diode.

Contoh: Perhatikan rangkaian diode dan karakteristiknya sebagai

berikut!

Dengan

menggunakan

analisis garis beban, hitung arus, tegangan diode, dan tegangan output! V_D(V) I_D(mA) 10 20 30 0 1

Analisis Grafis Rangkaian Diode

L D L L D L D L D D L D D L D O O D R V b V x R a b ax y R V V R I R V V I R I V V R I V V V V = = − = + = + − = + − = + = = + = , , 1 dengan , : lurus garis persamaan dengan Identik 1 : arus Persamaan . . : tegangan Persamaan Jawab:

1. Menyusun persamaan arus pada rangkaian, yakni:

V=1V

V

_D

Ω

= 50

L

R

V

_O

Analisis Grafis Rangkaian Diode

20mA A 02 , 0 50 1 0 1 1 = = = = + − = + − = L D L L D L D L D R V I R V R I R V V R I

2. Mencari titik potong pada sumbu-x atau VD:

Anggap I_D=0 sehingga:

Jadi diperoleh titik potong (x,y) atau (V_D,0) atau (1,0)

3. Mencari titik potong pada sumbu-y atau ID:

Anggap V_D=0 sehingga: V V V R V V R R V V R I D L D L L D L D 1 1 0 1 = = + − = + − =

Jadi diperoleh titik

potong(x,y) atau (0,I_D) atau (0,20) V_D(V) I_D(mA) 10 20 30 0 1 Titik potong (0,I_D) atau (0,20) Titik potong (V_D,0) atau (1,0)

Analisis Grafis Rangkaian Diode

4. Membuat garis beban:

Garis beban ditarik dari koordinat (1,0) sampai dengan (0,20)

5. Menentukan titik operasi diode (Q):

Titik operasi Q adalah titik potong antara garis beban dengan kurva statis.

6. Menentukan tegangan dan arus diode:

Tegangan dan arus diode ditentukan dengan menarik

garis dari titik operasi Q ke arah horizontal dan vertikal.

Jadi tegangan diode=V_D=0,6V arus diode=I_D=8mA

V_D(V) I_D(mA) 10 20 30 0 1 Titik potong (0,I_D) atau (0,20) Titik potong (V_D,0) atau (1,0) Q Garis beban Titik operasi I_D,Q= 8mA V_D,Q,=0,6V

Analisis Grafis Rangkaian Diode

Resistansi DC

Berdasarkan analisis grafik

dapat ditemukan tegangan

dan arus diode pada titik

tertentu. Resistansi DC atau

resistansi statis pada suatu

titik dari diode didefinisikan:

R

_F

pada titik Q adalah:

Tugas: Tentukan besarnya

R

_F

pada titik A, B, dan C

pada kurva karakteristik

diode!

V_D(V) I_D(mA) 10 20 30 0 1 Titik potong (0,I_D) atau (0,20) Titik potong (V_D,0) atau (1,0) Q Garis beban Titik operasi I_D,Q= 8mA V_D,Q,=0,6V A B C D D F

I

V

R

=

Ω

=

=

=

=

75

8

6

,

0

8

6

,

0

A

V

mA

V

I

V

R

D D F _-3

x10

Analisis Grafis Rangkaian Diode

V=1V V_D Ω = 10 L R V_O

I

_D

(A)

V

_D

(V)

Dengan analisis grafik tentukan tegangan diode, arus diode, dan

Analisis Rangkaian Diode Dengan Model

Dalam analisis ini diode dimodelkan sebagai komponen linear, sehingga modelnya sering disebut sebagai piece wise linear model (model linear sepotong-sepotong). Pendekatan I V R_L V R_L SAKLAR ON A K A K RANGKAIAN FORWARD BIAS MODEL FORWARD PENDEKATAN I V R_L V R_L SAKLAR OFF A K K A RANGKAIAN REVERSE BIAS MODEL REVERSE PENDEKATAN I V_D I_D 0 KARAKTERISTIK SESUNGGUHNYA V_D I_D 0_{KARAKTERISTIK MODEL} PENDEKATAN I

Pada pendekatan I, dalam keadaan

forward biased, diode dapat dianggap

sebagai saklar tertutup sedangkan dalam keadaan reverse biased dapat dianggap seperti saklar terbuka.

Analisis Rangkaian Diode Dengan Model

Pendekatan II V R_L V R_L SAKLAR OFF A K K A RANGKAIAN REVERSE BIAS MODEL REVERSE PENDEKATAN II V_D I_D 0 KARAKTERISTIK SESUNGGUHNYA V_D I_D 0_{KARAKTERISTIK MODEL} PENDEKATAN I V R_L V R_L A K A K RANGKAIAN FORWARD BIAS MODEL FORWARD PENDEKATAN II γ V

Pada pendekatan II, dalam keadaan

forward biased, diode dapat dianggap

sebagai sumber tegangan sebesar Vγ (untuk silikon Vγ=0,6V dan untuk

germanium Vγ=0,2V), sedangkan dalam keadaan reverse biased dapat dianggap seperti saklar terbuka.

Analisis Rangkaian Diode Dengan Model

Pendekatan III V R_L V R_L A K K A RANGKAIAN REVERSE BIAS MODEL REVERSE PENDEKATAN III r_R V_D I_D 0 KARAKTERISTIK SESUNGGUHNYA V_D I_D 0 KARAKTERISTIK MODEL PENDEKATAN III V R_L V R_L A K A K RANGKAIAN FORWARD BIAS MODEL FORWARD PENDEKATAN III γ V

r_F Pada pendekatan III, dalam keadaan

forward biased, diode dapat dianggap

sebagai sumber tegangan sebesar Vγ dengan resistansi dinamis forward r_Fyang terpasang secara seri,

sedangkan dalam keadaan reverse

biased dapat dianggap sebagai

resistansi dinamis reverse r_R.

Analisis Rangkaian Diode Dengan Model

Pendekatan III V_D I_D 0 D V ∆ D I ∆

Nilai resistansi

dinamis forward r

_F

ditentukan dengan

rumus:

V_D I_D 0 D V ∆ D I ∆ 1,1V 0,6V 1A

D

D

F

I

V

r

∆

∆

=

∆V_D merupakan kenaikan tegangan yang disebabkan oleh kenaikan arus diode ∆I_D. Contoh: Tegangan diode silikon dalam keadaan forward bias sebesar 1,1 V dan arus yang mengalir sebesar 1A. Hitung besarnya r_F!

Jawab: Kita anggap bahwa arus diode I_D=0 ketika tegangan diode V_D=0,6V. Dengan menggunakan persamaan di atas dapat diperoleh:

Ω

=

−

−

=

∆

∆

=

0

,

5

0

1

6

,

0

1

,

1

A

A

V

V

I

V

r

D

D

F

Analisis Rangkaian Diode Dengan Model

Perhatikan rangkaian diode di samping ini! Gambarkan rangkaian pengganti/rangkaian

ekivalen dan hitung besarnya tegangan dan arus diode menggunakan pendekatan I, pendekatan II dan pendekatan III!

V_in=10V Ω = 52, F r Si Ω = 100 L R Jawab: A 100 V R V I L in D = = 10 _Ω = 0,1 V_in= 10V _Ω = 100 L R V V_D =0 D I PENDEKATAN I V_in= 10V ₁₀₀RL _Ω= V V V_D = _γ =0,6 D I PENDEKATAN II A 100 0,6V -V R V V I L in D 094 , 0 10 = Ω = γ − = V_in= 10V ₁₀₀RL _Ω= D I PENDEKATAN III 0,6V Vγ= Ω = 52, r_F A 100 0,6V -V r R V V I F L in D 0,092 5 , 2 10 = Ω + Ω = + γ − = 0,8V 0,092A.100 -10V L .R D I in V D V = Ω = − =