DIODA KHUSUS

Pertemuan – V

Program Studi S1 Informatika

ST3 Telkom

Tujuan Pembelajaran

• Setelah mengikuti kuliah ini, mahasiswa mampu:

– mengetahui, memahami dan menganalisis karakteristik dioda khusus

– Memahami dan menganalisis fungsi dioda sebagai fungsi khusus

1. Dioda Zener

• Diode zener pada suatu rangkaian akan menghantar pada tegangan zenernya untuk bias reverse lazimnya dalam kemasan ditulis sebagai xvy misalkan: x=2, y=3 berarti Vz=2,3V atau 2v3.

• Daya zener maksimal. Pada saat VR=Vz, diode zener akan menghantar arus Iz yang disebut arus zener.

• Besaran Iz harus dibatasi agar tidak berlebihan (power) karena hal ini dapat merusak diode zener.

• Nilai Iz terbesar, tanpa diode mengalami kerusakan memenuhi relasi Pz=Vz.Iz disebut Pz maks dan Iz maks.

• Dalam desain rangkaian untuk membatasi Iz<Izm dipergunakan resistor yang terpasang seri seperti digambarkan sebagai berikut :

• Untuk VR<Vz, VD=VR = Terbuka

• VR≥Vz, VD=Vz

• Iz= VR-Vz / R

• R dipilih agar Iz<Izm (Izm-Iz≈15%Izm)

Contoh Soal

2. DIAC

• Diac (Diode Alternating Current) merupakan dua buah dioda yang disusun secara berlawanan yang berfungsi mengalirkan arus bolak balik , artinya bergantian forward dan reverse bias bila diberi tegangan pada elektrodanya

• Simbol dan bentuk Diac

Cara kerja Diac:

– Apabila titik A pada keadaan forward bias, maka sakelar S1 pada posisi ON, sedangkan sakelar S2 pada posisi OFF. Sebaliknya jika titik B pada keadaan forward bias, maka sakelar S2 pada posisi ON, sedangkan sakelar S1 pada posisi OFF.

– Diac tak ubahnya dengan arus bolak balik yaitu bergantian kondisi forward dan reverse nya apabila diberi arus bolak balik

Karakteristik Diac: • Jika tegangan yang diberikan pada DIAC menyamai atau

melebihi tegangan breakover, maka salah satu Latch (kunci) akan menutup juga.

• DIAC mempunyai dua buah tegangan penyalaan. Tegangan penyalaan pertama berada pada tegangan maju (+Vbo) sedangkan yang kedua ada pada tegangan baliknya (-Vbo).

• Biasanya bias untuk DIAC agar mencapai breakover ini adalah antara 28 sampai 36 volt,namun demikian tergantung dari pada tipenya

• karakteristik tegangan terhadap arus dapat dilihat pada Gambar

Dari gambar kita dapat melihat bahwa DIAC selalu mempunyai karakteristik tahanan negatif yang secara terus menerus pada saat arus lebih besar daripada arus breakovernya. Hanya dengan tegangan breakdown tertentu barulah DIAC dapat menghantarkan arus. Arus yang dihantarkan tentu saja bisa bolak-balik dari anoda menuju katoda dan sebaliknya

Fungsi Diac: • DIAC banyak digunakan sebagai pemicu rangkaian pengendali daya

yang menggunakan TRIAC (Pengatur daya), dan untuk trigger/penyulut SCR

• Jika tegangan pengisian kapasitor telah mencapai breakover DIAC, maka DIAC akan menghantar sehingga kapasitor akan mengosongkan muatannya melalui DIAC dan gate TRIAC. Arus pengosongan kapasitor merupakan pulsa penyulut yang digunakan oleh TRIAC sebagai pengendali

Diac sebagai penyulut Triac

3. TRIAC

• Triac merupakan kependekan dari Triode Alternating Current Switch atau sakelar trioda untuk arus bolak balik

• Triac atau yang dikenal dengan nama Bidirectional Triode Thyristor, dapat mengalirkan arus listrik ke kedua arah ketika ditrigger (dihidupkan).

• Triac dapat ditrigger dengan memberikan tegangan positif ataupun negatif pada elektroda gerbang. Sekali ditrigger, komponen ini akan terus menghantar hingga arus yang mengalir lebih rendah dari arus genggamnya, misalnya pada akhir paruh siklus dari arus bolak-balik.

• Simbol

Cara Kerja Triac :

• Triac memiliki tiga (3) elektroda yaitu :

– Anoda

– Katoda

– Gate

• Cara kerja Triac:

– Jika kaki anoda di beri forward bias, maka saklar S1 akan ON, dan sebaliknya jika anoda diberi reverse bias menyebabkan sakelar S2 akan ON. Hal ini menunjukkan bahwa pemberian bias sama dengan pemberian arus AC

Karakteristik Triac: • Triac merupakan piranti yang digunakan untuk mengontrol arus

rata – rata yang mengalir ke suatu beban. Triac dapat mengontrol arus dalam dua arah.

• Jika Triac sedang OFF, arus tidak dapat mengalir diantara terminail – terminal utamanya, atau dengan kata lain diumpamakan sakelar terbuka

• Jika Triac sedang ON, maka dengan tahanan yang rendah arus mengalir dari satu terminal ke terminal lainnya dengan arah aliran tergantung dari polaritas tegangan yang digunakan.

• Jika tegangan T2 positif, maka arus akan mengalir dari T2 ke T1 dan sebaliknya jika T1 positif, maka arus akan mengalir dari T1 ke T2 dan dalam kondisi ini Triac diumpamakan sebagai sakelar tertutup.

Kurva Karakteristik I-V Triac

Fungsi Triac:

• Dipakai untuk alat kontrol rangkaian AC pada beban atau juga untuk pengatur daya pada beban

Pengaturan Sudut Fasa

Thyristor - Thyristor berasal dari bahasa Yunani yang berarti ‘pintu'. Diartikan demikian karena sifat dari komponen ini yang dapat dibuka dan ditutup untuk melewatkan arus listrik.

Ada beberapa komponen yang termasuk thyristor antara lain:

1. PUT (programmable uni-junction transistor), 2. UJT (uni-junction transistor ), 3. GTO (gate turn off switch), 4. photo SCR dan sebagainya.

Ciri-ciri utama dari sebuah thyristor adalah komponen yang terbuat dari bahan semikonductor silikon.

Walaupun bahannya sama, tetapi struktur P-N junction yang dimilikinya lebih kompleks dibanding transistor bipolar. Komponen thyristor sering digunakan sebagai saklar (switch) daripada untuk penguat arus atau tegangan seperti halnya transistor

Struktur Thyristor

Gambar - 1 : Struktur Thyristor

Struktur dasar thyristor adalah struktur 4 layer PNPN seperti yang ditunjukkan pada gambar-1a.

Struktur Thyristor

Jika dipilah, struktur Thyristor dapat dilihat sebagai dua buah struktur junction PNP dan NPN yang tersambung di tengah seperti pada gambar-1b. Ini tidak lain adalah dua buah transistor PNP dan NPN yang tersambung pada masing-masing kolektor dan base. Jika divisualisasikan sebagai transistor Q1 dan Q2, maka struktur thyristor ini dapat diperlihatkan seperti pada gambar-2 yang berikut ini.

Konfigurasi Transistor

Gambar- 2 :

Konfigurasi Transistor

Terlihat di sini kolektor transistor Q1

tersambung pada base transistor Q2 dan

sebaliknya kolektor transistor Q2 tersambung

pada base transistor Q1. Rangkaian transistor

yang demikian menunjukkan adanya loop

penguatan arus di bagian tengah.

Bila ada arus sebesar Ib yang mengalir

pada base transistor Q2, Maka akan ada arus Ic

yang mengalir pada kolektor Q2. Arus kolektor

ini merupakan arus base Ib pada transistor Q1,

sehingga muncul penguatan pada arus kolektor

transistor Q1. Demikian seterusnya sehingga

makin lama sambungan PN dari thyristor ini di

bagian tengah akan mengecil dan hilang.

Tertinggal hanyalah lapisan P dan N dibagian

luar.

Thyristor dalam keadaan ON… (Forword Thyristor)

Dimana diketahui bahwa Ic = ß Ib, yaitu arus kolektor adalah penguatan dari arus base.

Jika keadaan ini tercapai, maka struktur yang demikian tidak lain adalah struktur dioda PN (anoda-katoda) yang sudah dikenal sebelumnya. Pada saat yang demikian, disebut bahwa thyristor dalam keadaan ON dan dapat mengalirkan arus

dari anoda menuju katoda seperti layaknya sebuah dioda.

Gambar - 3 : Thyristor di beri tegangan

Thyristor dalam keadaan OFF… Reverse Thyristor

Bagaimana kalau pada thyristor ini kita beri beban lampu dc dan diberi suplai tegangan dari nol sampai tegangan tertentu seperti pada gambar 3. Apa yang terjadi pada lampu ketika tegangan dinaikkan dari nol.

Tentu saja lampu akan tetap padam, karena lapisan N-P yang ada ditengah akan mendapatkan reverse-bias (teori dioda). Pada saat ini disebut thyristor dalam keadaan OFF karena tidak ada arus yang bisa mengalir atau sangat kecil sekali.

Arus tidak dapat mengalir sampai pada suatu tegangan reverse-bias tertentu yang menyebabkan sambungan NP ini jenuh dan hilang. Tegangan ini disebut tegangan breakdown dan pada saat itu arus mulai dapat mengalir melewati thyristor sebagaimana dioda umumnya. Pada thyristor tegangan ini disebut tegangan breakover Vbo.

SCR (silicon controlled rectifier)

SCR merupakan saklar elektronik yang bisa mengendalikan arus AC atau DC.

Bahwa untuk membuat thyristor menjadi ON adalah dengan memberi arus trigger lapisan P yang dekat dengan katoda. Yaitu dengan membuat kaki gate pada thyristor PNPN seperti pada gambar-4a.

Karena letaknya yang dekat dengan katoda, bisa juga pin gate ini disebut pin gate katoda (cathode gate). Berikut ini adalah struktur SCR dan simbol SCR. SCR dalam banyak literatur disebut Thyristor saja.

SCR (silicon controlled rectifier)

Gambar- 4: a) Struktur SCR

b) Simbol SCR

• Melalui pin gate tersebut memungkinkan komponen ini di trigger menjadi ON, yaitu dengan memberi arus gate (Ig).

• Ternyata dengan memberi Ig >> dapat menurunkan tegangan breakover (Vbo) sebuah SCR. Dimana tegangan ini adalah tegangan minimum yang diperlukan SCR untuk menjadi ON.

• Sampai pada suatu besar Ig tertentu, ternyata akan sangat mudah membuat SCR menjadi ON. Bahkan dengan tegangan forward yang kecil sekalipun. Misalnya 1 volt saja atau lebih kecil lagi.

• Kurva tegangan dan arus dari sebuah SCR adalah seperti yang ada pada gambar-5 yang berikut ini.

Trigger SCR

Karakteristik SCR

Gambar - 5 :

karakteristik Thyristor

Tegangan breakover Vbo, yang jika tegangan forward SCR mencapai titik ini, maka SCR akan ON.

Arus Ig yang menyebabkan tegangan Vbo turun menjadi lebih kecil.

Pada gambar ditunjukkan beberapa arus Ig dan korelasinya terhadap tegangan breakover.

Pada datasheet SCR, arus trigger gate ini sering ditulis dengan notasi IGT (gate trigger current).

Arus holding (Ih) mempertahankan SCR tetap ON. Jadi agar SCR tetap ON maka arus forward dari anoda menuju katoda harus berada di atas parameter ini.

Cara untuk membuat Reverse SCR

Cara untuk membuat SCR menjadi OFF adalah dengan membuat arus anoda-katoda (IAK) turun dibawah arus Ih.

Pada gambar-5 kurva I-V SCR, jika arus forward berada dibawah titik Ih, maka SCR kembali pada keadaan OFF. Berapa besar arus holding ini, umumnya ada di dalam datasheet SCR.

Cara lain membuat SCR menjadi OFF tersebut adalah dengan menurunkan tegangan anoda-katoda ke titik nol. Karena inilah SCR atau thyristor pada umumnya tidak cocok digunakan untuk aplikasi DC. Komponen ini lebih banyak digunakan untuk aplikasi-aplikasi tegangan AC, dimana SCR bisa OFF pada saat gelombang tegangan AC berada di titik nol.

Parameter penting lain dari SCR, yaitu VGT. Parameter ini adalah tegangan trigger pada gate yang menyebabkab SCR ON.

Kalau dilihat dari model thyristor pada gambar-2, tegangan ini adalah tegangan Vbe pada transistor Q2.

VGT seperti halnya Vbe, besarnya kira-kira 0.7 volt. Seperti contoh rangkaian gambar-6 berikut ini sebuah SCR diketahui memiliki IGT = 10 mA dan VGT = 0.7 volt. Maka dapat dihitung tegangan Vin yang diperlukan agar SCR ini ON adalah sebesar :

Vin = Vr + VGT

Vin = IGT(R) + VGT = 4.9 volt

Parameter Penting

Gambar - 6 :

Rangkaian SCR

PERHITUNGAN DENGAN DIODE

Ideal Vk r

B

+ -

rB = II

V

I

3 PENDEKATAN

1.Diode ideal dimana Vk = 0 dan rB = 0,

diode ideal berfungsi sebagai saklar.

2.Diode praktis dimana Vk 0 dan rB = 0.

3.Diode praktis dimana Vk 0 dan rB 0.

CONTOH 1

+

-1 K

10 V

Pada rangkaian dibawah ini diketahui Vk= 0,7 V dan rB = 20 . Berapa mA arus yang mengalir melalui diode ?.

PENDEKATAN PERTAMA

mA10A01,01000

V10

K1

V10I

+

-1 K

10 VI

PENDEKATAN KEDUA

+

-1 K10 V I

+ -0,7 V

mA3,9A0093,0I

Ω1000

V3,9

K1

V)7,010(I

PENDEKATAN KETIGA

+

-1 K10 V I

+ -0,7 V

rB

= 20 ohm

mA12,9A00912,0I

Ω1020

V3,9

Ω20K1

V)7,010(I

CONTOH 2

Pada rangkaian pada contoh 1 diatas, jika baterai 10

Volt diganti dengan sumber tegangan ac dengan

tegangan maksimum ( puncak ) sebesar 10 V,

tentukanlah besarnya tegangan output yang terjadi

pada tahanan 1 K dan arus yang mengalir.

1 K

10 V

I

-10 V

Vin

t Vin

PENDEKATAN PERTAMA

1 K

10 V

I

Vout

t

Vin

Vout

saklar

terbuka

saklar

tertutup

PENDEKATAN KEDUA

1K

9,3 V

I

+ -0,7 V V

out

t

Vin

Vout

PENDEKATAN KETIGA

1K

9,12 V

I

+ -0,7 V

rB

Vou

t

t

Vin

Vout