ELEKTRONIKA Bab 3 TEORI DIODA Oleh :

Rinna Hariyati, ST

2013

Electronics Principle’s 7th edition by Albert Malvino

PENDAHULUAN

Materi Perkuliahan Elektronika adalah :

1. Introduction :

Hkm Kirchhoff, Hkm Ohm, Analisis Loop & Mesh, Analisis Node (Simpul), Analisis Thevenin dan Norton

2. Dioda

Teori Semikonduktor, Teori Dioda, Rangkaian Dioda, Dioda-dioda Khusus,

3. Transistor Bipolar Junction Transistor, Fundamental Transistor, Transistor Biasing (transistor NPN dan PNP), AC Model, Voltage Amplifier, CC & CB Amplifier, dan Power Amplifier.

2

Rin

na

Har

iyat

i

Teori Dioda

Pda bab ini kita mempelajari dioda. Setelah membahas tentang kurva dioda kita membahas tentang pendekatan-pendekatan pada perhitungan dioda.

1. Pendekatan I : dioda ideal

2. Pendekatan II : pendekatan dengan perhitungan tegangan dioda

3. Pendekatan III : dengan perhitungan tegangan dioda dan hambatan dalam.

3

Rin

na

Har

iyat

i

Dioda

Dioda adalah devais nonlinier karena grafik arus terhadap tegangannya tidak berupa garis lurus.

(a) Symbol dioda; (b) devais dioda; (c) rangkaian dioda

4

Rin

na

Har

iyat

i

Kurva Dioda

Gambar di bawah ini menampilkan kurva dioda :

1. Forward region

2. Knee Voltage (Tegangan Lutut) : 𝑉𝐾 ≈ 0,7 𝑉

3. Bulk resistance : 𝑅𝐵 = 𝑅𝑃 + 𝑅𝑁

4. Power Dissipation (disipasi daya) : 𝑃𝐷 = 𝑉𝐷𝐼𝐷

Untuk daya maksimum : 𝑃𝑚𝑎𝑥 = 𝑉𝑚𝑎𝑥𝐼𝑚𝑎𝑥

5

Rin

na

Har

iyat

i

Teori Dioda

Contoh I : Pada gambar (a), apakah dioda pada rangkaian forward bias atau reverse bias?

Penyelesaian :

Tegangan jatuh di R2 adalah positif, maka rangkaian mendorong arus untuk mengalir melintasi resistor. Akan tetapi gambar tersebut akan mudah dipahami dengan rangkaian Thevenin yang terlihat pada gambar (b). Pada rangkaian seri tersebut, kita dapat lihat sumber DC mengalir. Sehingga tampak bahwa dioda tersebut forward bias .

6

Rin

na

Har

iyat

i

Teori Dioda

Contoh 2 : Sebuah dioda memiliki rating daya 5 W. Jika tegangan dioda sebesar 1.2 V dan arus dioda 1.75 A, berapakan disipasi daya? Apakah dioda akan rusak?

Penyelesaian : 𝑃𝐷 = 1.2 𝑉 1.75 𝐴 = 2.1 𝑊

Disipasi daya kurang dari rating daya, sehingga dioda tidak akan rusak.

Latihan Contoh 2 : Berapakah disipasi daya jika tegangan dioda 1.1 V dan arus dioda 2 A?

7

Rin

na

Har

iyat

i

Dioda Ideal

Pada gambar grafik forward region dari dioda. Terlihat arus dioda ID vs tegangan dioda VD. Perhatikan bagaimana arus mendekati nol sampai dengan tegangan dioda mendekati barrier potensial (tegangan pembatas). Sekitar 0.6 samapai 0.7 V arus dioda meningkat. Ketika tegangan lebih besar dari 0.8 V, arus dioda meningkat secara signifikan dan grafik hampir linier.

8

Gambar kurva dioda

Rin

na

Har

iyat

i

Pendekatan I

Pendekatan yang paling sederhana disebut dioda ideal.

(a) Kurva dioda ideal; (b) dioda ideal sebagai saklar

9

Rin

na

Har

iyat

i

Pendekatan I

Contoh 3 :

Dengan pendekatan dioda ideal, hitunglah tegangan dan arus pada beban pada gambar (a) !

Penyelesaian:

Ketika dioda forward bias, dioda seperti saklar yang tertutup. Maka kita dapat menhitung tegangan pada beban sebesar

𝑉𝐿 = 10 𝑉

Dengan hukum Ohm, maka arus pada beban : 𝐼𝐿 =10 𝑉

1 𝑘Ω= 10 mA

10

Rin

na

Har

iyat

i

Pendekatan I Contoh 4 : Hitunglah tegangan dan arus beban pada gambar (b) dengan pendekatan dioda ideal !

Penyelesaian :

Satu cara untuk memecahkan permasalahan ini adalah dengan analisis rangkaian Thevenin pada rangkaian dioda.dengan dioda berada di belakang sumber tegangan, dengan pembagian tegangan :

𝑉𝑇ℎ =3𝑘Ω

6+3 𝑘Ω∙ 36𝑉 = 12 𝑉

Dan tahanan Thevenin : 𝑅𝑇ℎ = 6 𝑘Ω||3 𝑘Ω = 2 𝑘Ω

sekarang didapat rangkaian seri, dioda forward bias. Divisualisasikan saklar tertutup. Sehingga dihitung :

𝐼𝐿 =12 𝑉

3 𝑘Ω= 4 𝑚𝐴

Dan 𝑉𝐿 = 4 𝑚𝐴 1 𝑘Ω = 4 𝑉

11

Rin

na

Har

iyat

i

Pendekatan II Pada gambar (a) berikut adalah grafik arus vs tegangan untuk pendekatan II. Pada grafik terlihat bahwa arus tidak ada sampai dengan muncul tegangan 0.7 V melintasi dioda. Setelahnya, hanya 0.7 V yang muncul pada dioda, berapa pun besar arusnya.

Pada gambar (b) ditampilkan rangkaian pengganti pendekatan II untuk dioda silicon. Pemahamannya, bahwa dioda silicon dihubungkan secara seri dengan sumber tegangan 0.7 V. Jika tegangan thevenin kurang dari 0.7 V, saklar akan terbuka. Pada kondisi ini tidak ada arus yang melintasi dioda.

12

Gambar grafik dan rangkaian pengganti pada pendekatan II

Rin

na

Har

iyat

i

Pendekatan II

Contoh 5 :

Ketika dioda forward bias, ini sama dengan baterei 0.7 V. Artinya bahwa tegangan beban sama dengan tegangan jatuh pada dioda :

𝑉𝐿 = 10 𝑉 − 0.7 𝑉 = 9.3 𝑉

Dengan hkm Ohm, arus beban :

𝐼𝐿 =9.3 𝑉

1 𝑘Ω= 9.3 𝑚𝐴

Daya pada dioda adalah :

𝑃𝐷 = 0.7 𝑉 9.3 𝑚𝐴 = 6.51 mW

13

Gunakan pendekatan II untuk menghitung tegangan beban, arus beban, dan disipasi daya ! Penyelesaian :

Rin

na

Har

iyat

i

Pendekatan II

Contoh 6 : Hitung tegangan beban, arus beban, dan daya pada dioda untuk gambar berikut ini dengan menggunakan pendekatan II !

Penyelesaian :

Sekali lagi, kita mengubah rangkaian pertama menjadi rangkaian Thevenin seperti rangkaian sebelah kanan. Sebagaimana sebelumnya, tegangan Thevenin adalah 12 V dan hambatan Thevenin adalah 2 kΩ.

Ketika tegangan dioda 0.7 V, arus beban : 𝐼𝐿 =12 𝑉 −0.7 𝑉

3 𝑘Ω= 3.77 𝑚𝐴

Tegangan pada beban : 𝑉𝐿 = 3.77 𝑚𝐴 1 𝑘Ω = 3.77 𝑉

Dan tegangan dioda : 𝑃𝐷 = 0.7 𝑉 3.77 𝑚𝐴 = 2.64 𝑚𝑊

14

Rangkaian

pengganti

Rin

na

Har

iyat

i

Pendekatan III Pada pendekatan III pada dioda, kita memasukkan nilai hambatan bulk RB.

(a) Kurva dioda; (b) rangkaian pengganti

Gambar grafik dan rangkaian Pengganti pendekatan III

Rangkaian pengganti untuk pendekatan III adalah saklar yang diseri dengan barrier potensial (tegangan pembatas) 0.7 V dan resistansi RB (lihat gambar b) ketika tegangan dioda lebih besar dari 0.7 V, dioda terhubung. Selama terhubung, tegangan total yang melintasi dioda adalah : 𝑉𝐷 =0.7 𝑉 + 𝐼𝐷𝑅𝐵

Sering kali RB kurang dari 1 Ω, dan kita dapat secara aman mengabaikannya dalam perhitungan, apabila :

𝑅𝐵 < 0.01𝑅𝑇ℎ

15

Rin

na

Har

iyat

i

Pendekatan III

Contoh 7 : Dioda 1N4001 pada gambar memiliki RB sebesar 0.23 Ω. Berapakah tegangan beban, arus beban dan daya pada dioda ?

Penyelesaian :

Dengan mengubah rangkaian pendekatan III, seperti pada gambar sebelah kanan. RB cukup kecil untuk diabaikan karena kurang dari 1 100 dari hambatan bebannya. Pada kasus ini kita menggunakan pendekatan II untuk memecahkan permasalahan tersebut. Seperti pada contoh 6, kita dapatkan dari perhitungan tegangan beban, arus beban dan daya pada dioda adalah 9.3 V, 9.3 mA dan 6.51 W. 16

Rangkaian

Pengganti

Rin

na

Har

iyat

i

Pendekatan III Contoh 8 : Dengan soal yang sama (contoh 7), ubah hambatan beban menjadi 10 Ω.

Penyelesaian :

Dari gambar sebelumnya, dengan mengubah RL total dari hambatannya :

𝑅𝑇 = 0.23 Ω + 10 Ω = 10.23 Ω

Tegangan total yang melintasi RT : 𝑉𝑇 = 10 𝑉 − 0.7 𝑉 = 9.3 𝑉

Oleh sebab itu, arus beban : 𝐼𝐿 =9.3 𝑉

10.23 Ω= 0.909 𝐴

Sehingga tegangan beban : 𝑉𝐿 = 0.909 𝐴 10Ω = 9.09𝑉

Untuk menghitung daya pada dioda, oleh sebab itu tegangan dioda : 𝑉𝐷 = 10 𝑉 − 9.09 𝑉 = 0.91 𝑉

Atau kita gunakan persamaan : 𝑉𝐷 = 0.7𝑉 + 0.909𝐴 0.23Ω = 0.909𝑉

Perbedaan dari jawaban terakhir bisa disebabkan dari pembulatan. Daya pada dioda :

𝑃𝐷 = 0.909𝑉 0.909𝐴 = 0.826𝑊

17

Rangkaian

Pengganti

Rin

na

Har

iyat

i

Pendekatan Dioda

18

Tabel Pendekatan Dioda

Firts or Ideal Second or Practical

Third

When Used Troubleshooting or quick analysis

Analysis at technician level

High-level or engineering-level analysis

Kurva Dioda

Rangkaian Pengganti

Rin

na

Har

iyat

i

Pengaruh Suhu

Pengaruh suhu akan lebih terlihat pada saat dioda berada dalam kondisi bias mundur daripada bias maju karena adanya penambahan arus mundur.

Untuk diode Germanium setiap kenaikan suhu 10°C arus mundur menjadi 2 kali lipat, sedangkan Silikon arus mundur menjadi 2 kali lipat setiap kenaikan 7°C.

19

Rin

na

Har

iyat

i

DC Resistansi Dioda

1. Resistansi Forward (RF) Contoh : Untuk dioda 1N914, memiliki pasangan arus dan tegangan : 10 mA pada 0.65 V; 30 mA pada 0.75 V; dan 50 mA pada 0.85V. Maka DC resistansi :

𝑅𝐹1 =0.65 𝑉

10𝑚𝐴= 65 Ω; 𝑅𝐹2 =

0.75 𝑉

30 𝑚𝐴= 25 Ω; 𝑅𝐹3 =

0.85 𝑉

50𝑚𝐴= 17 Ω

2. Resistansi Reverse (RR) Sama seperti sebelumnya, diketahui pasangan arus reverse dan tegangan untuk 1N914 : 25 nA pada 20 V; 5 A pada 75 V.

𝑅𝑅1 =20 𝑉

25 𝑛𝐴= 800𝑀Ω ; 𝑅𝑅2 =

75 𝑉

5𝜇𝐴= 15𝑀Ω

Perhatikan : dr resistansi menurun setelah kita mendekati tegangan breakdown

20

Rin

na

Har

iyat

i

Garis Beban

Persamaan untuk garis beban :

Gambar rangkaian dioda sederhana

Pada gambar (a) didapat persamaan : 𝐼𝐷 =𝑉𝑆−𝑉𝐷

𝑅𝑆

21

Rin

na

Har

iyat

i

Garis Beban

Contoh :

Plot titik ini (ID = 20 mA, VD = 0) didapat titik yang vertikal dengan sumbu axis. Titik ini disebut juga dengan saturasi, ka ini menunjukkan arus maksimum untuk 2 V tegangan jatuh pada 100 Ω.

Bagaimana jika ambil titik yang lain, misal VD sama dengan 2 V. Maka :

𝐼𝐷 =2 𝑉 − 2 𝑉

100Ω= 0

Ketika kita plot titik ini (ID = 0, VD = 2 V), kita mendapatkan titik horizontal pada axis. Pada titik ini disebut juga dengan cutoff karena menunjukkan arus minimum.

22

Rin

na

Har

iyat

i

Pada gambar (b), jika sumber tegangan 2 V dan resistansi 100Ω, maka :

𝐼𝐷 =2𝑉 − 𝑉𝐷100Ω

Jika VD sama dengan nol, maka 𝐼𝐷 =2𝑉−0

100Ω= 20𝑚𝐴

Garis Beban dan Titik Kerja (the Q point)

Garis beban dan titik kerja terlihat pada gambar di bawah ini :

Gambar Q point pada perpotongan kurva dioda dan garis beban

Titik kerja (Q point) adalah sebuah titik pada grafik yang ditujukan untuk dioda dan rangkaiannya. Dengan membaca koordinat Q point, kita dapati arusnya 12.5 mA dan tegangan diodanya 0.75 V.

23

Rin

na

Har

iyat

i

Tugas I

24

Rin

na

Har

iyat

i

Referensi

1. Electronics Principle’s 7th edition by Albert Malvino

2. Prinsip-prinsip Elektronika, Malvino. Terjemahan Barmawi

3. Prinsip-prinsip Elektronika, Malvino. Terjamahan

4. Electronic Circuits, Norbert R. Malik & Norb Malik

25

Rin

na

Har

iyat

i

TERIMA KASIH otsukaresamadeshita

Rin

na

Har

iyat

i

26