bab 3 rangkaian aplikasi dioda

Elektronika I

Mohamad Ramdhani Institut Teknologi Telkom

15

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

DVDI

RVR

Gambar 3.1 Rangkaian dioda

Hukum Kirchoff II :

RIVEVVEVVE

DD

RD

RD

+=+=

= 0

saat REIV DD == 0

saat DD VEI == 0 ID (mA)

VD

Q - point

RE

EDQV

DQI

Tegangan padadioda

Arus yang mengalirdi dioda

Gambar 3.2 Garis beban sebuah dioda

3.2 Pendekatan Model / Rangkaian Ekivalen Dioda a. Simplified model Saat dioda ON , maka :

Elektronika I


16

Dioda Si VVT 7,0= dan dioda Ge VVT 3,0= dengan = 0fR dan =rR 7,0

DI

DI7,0

Gambar 3.3 Dioda silikon

3,0DI

DI3,0

Gambar 3.4 Dioda germanium Saat dioda OFF, maka pada dioda menjadi open circuit (terbuka). b. Ideal model Saat dioda ON , maka VVT 0= dengan = 0fR dan =rR

0DI

DI0

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

DVDI

RVR

Untuk E > VT, maka dioda Si ON :

Elektronika I


17

E

7,0DI

RVR

DR

DD

D

RIVR

ERVEI

V

=

===

7,07,0

Untuk E < VT, maka dioda Si OFF :

E

DVDI

RVR

00

===

R

D

D

VI

EV

Kasus 2 :

E

DI

RVR

Si Ge

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

E

DI

RVR

7,0 3,0

Elektronika I


18

DR

D

RIVR

EI

=

= 3,07,0

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

E

DI

RVR

00

===

R

D

D

VI

EV

Kasus 3 :

E

DI

RVR

Si Ge

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

E

DI

RVR

7,0

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

Elektronika I


19

E

DI

RVR

3.4 Konfigurasi Dioda Paralel dengan Input DC Kasus 1 :

E+ R

Si Si

E+ R

7,0 7,0

Kasus 2 :

E+ R

Ge Ge

E+ R

3,0 3,0

Kasus 3 :

E+ R

Si Ge

E+ R

7,0

Kasus 4 :

Elektronika I


20

E+ R

Si Ge

E+ R

7,0 3,0

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

1E+

2E+

Si

Si

1D

2D

k1

oV

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

0

0

Si

Si

1D

2D

k1

oV

0

0

1D

2D

k1

oV

Elektronika I


21

0=oV

10+

0

Si

Si

1D

2D

k1

oV

10+

0

7.01D

2D

k1

oV

VV 3,97,0100 +==

10+

0Si

Si

1D

2D

k1

oV

10+

07.0

1D

2D

k1

oV

VV 3,97,0100 +==

10+

Si

Si

1D

2D

k1

oV

10+

10+

7.01D

2D

k1

oV

10+

7.0

VV 3,97,0100 +==

Tabel 3.1 Gerbang logika OR

E2 E1 Vo 0 0 0 0 +10 +9,3

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

Elektronika I


22

Gerbang AND

1E+

2E+

Si

Si

1D

2D

k1

oV

V10+

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

0

0

Si

Si

1D

2D

k1

oV

V10+

0

7.01D

2D

k1

oV

0

10+

7.0

VVo 7,0=

10+

0

Si

Si

1D

2D

k1

oV

V10+

0

1D

2D

k1

oV

10+

10+

7.0

VVo 7,0=

Elektronika I


23

0

10+

Si

Si

1D

2D

k1

oV

V10+

0 1D

2D

k1

oV10+

10+

7.0

VVo 7,0=

10+

10+

Si

Si

1D

2D

k1

oV

V10+

0

1D

2D

k1

oV

0

10+

VV 100 += 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

iV

2T0 T t

mV

mV

iV+R oV

Elektronika I


24

Saat 0>iV 20 T siklus positif

iV+R oV

io VV =

Saat 0

Elektronika I


25

Jika dioda bukan dioda ideal, maka :

iV

2T0 T t

mV

mV

iV+R oV

Saat 0>iV 20 T siklus positif Saat Ti VV <

iV+R oV

0=oV

Saat Ti VV >

iV+R oV

TV

Tio VVV =

Saat 0

Elektronika I


26

iV

2T0 T t

mV

mV

oV

0 T t

Tm VV

TV

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

PIV rating Vm 3.7 Input Sinusoidal : Penyearah Gelombang Penuh

iV

2T0 T t

mV

mV

iV

1D 2D

3D 4DoV

Jika D1, D2, D3, D4 adalah dioda ideal, maka : Saat 0>iV 20 T siklus positif

iV

1D 2D

3D 4DoV

io VV =

Saat 0

Elektronika I


27

iV

1D 2D

3D 4DoV

io VV =

iV

2T0 T t

mV

mV

oV

0 T t

mV

2T

[ ]mDC

mmm

DC

mT

m

T

mDC

t

m

t

oDCav

VV

VVVV

TT

TVt

TT

TVtdt

TTVV

tdtT

VT

dtvT

Vv

636,0

636,02

11

02cos2

2cos2cos2

22sin2

2sin2

11

2

0

2

0

00

===+=

+=

==

===

Jika D1, D2, D3, D4 adalah bukan dioda ideal, maka : Saat 0>iV 20 T siklus positif Saat Ti VV <

iVoV

0=oV

Elektronika I


28

Saat Ti VV >

iVoV

TV

TV

Tio VVV 2=

Saat 0

iVTV

oV

TV

Tio VVV 2=

iV

2T0 T t

mV

mV

oV

0 T t

Tm VV 2

TV2

3.8 Rangkaian Clipper

Elektronika I


29

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

iV+R oV


iV+R oV

io VV =

Saat 0

Elektronika I


30

iV

2T0 T t

mV

mV

oV

0 T t

mV

2T T

iV

2T0 T t

mV

mV

oV

0 T t

mV

2T T

Seri dengan DC Supply

iV+

R

ideal

oV

DCV


DCi VV < dioda "OFF"

R oV

DCV

iV

0=oV

DCi VV dioda "ON"

R oViV

DCV

DCio VVV =

Saat 0

Elektronika I


31

R oV

DCV

iV

0=oV

Untuk dioda ideal transisi antara 2 region/ daerah terjadi pada titik dimana Vd = 0 dan Id = 0 (no bias).

R oV

DCV

iV

0=dV0=dI

DCi

ddDCi

VVRIVVV

V

==+++

=0

0

iV

2T0 T t

mV

mV

oV

0 T t

DCm VV

DCV

2T

2. Rangkaian clipper paralel

iV+R

oV


Elektronika I


32

R

oViV

0=oV

Saat 0iV 20 T siklus positif

DCi VV < dioda "ON" DCo VV =

Elektronika I


33

R

oVDCV

iV

DCi VV dioda "OFF"

R

oVDCV

iV

io VV =

Saat 0

Elektronika I


34

Terdiri dari kapasitor, dioda, resistor, dan sumber DC.

iV+

oV

C

R

Saat 0>iV , maka dioda "ON" sehingga 0=oV . Sedangkan pada kapasitor terjadi proses pengisian sampai nilai tegangan miC VVV == .

oV

C

RiV CV

Saat 0

Elektronika I


35

iV

2T0 T t

mV

mV

oV

0 T t

mV2

2T

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.

iV

Saat Ti VV <

iV

Saat Ti VV

iV TV

Elektronika I


36

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.

iV

Saat Zi VV <

iV

Saat Zi VV

iV ZV

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.

iV+R

ZV LR

ZI

ZmP

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.

Elektronika I


37

iV+R

V LR

iL

L VRR

RV += Jika ZVV dioda zener "ON" Jika ZVV < dioda zener "OFF"

2. Gantikan dengan rangkaian ekivalen dioda zener dan hitung parameter yang ditanyakan. Jika kondisi dioda zener "OFF" maka :

iV+R

LVLR

LI

RRVI

VRR

RV

L

iL

iL

LL

+=+=

Jika kondisi dioda zener "ON" maka :

iV+R

LVLR

LIZI

ZV

ZZZ

LZi

Z

L

Z

L

LL

ZL

IVP

IR

VVI

RV

RVI

VV

==

===

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

Elektronika I


38

( )R

VVVR

VRRRV

VRR

RVV

Li

LL

iLLL

iL

LZL

==++==

Beban yang kecil RL menyebabkan tegangan yang melintasinya pun kecil, sehingga jika lebih kecil dari VZ menyebabkan dioda "OFF", maka nilai resistansi beban minimumnya :

minmax

min

L

Z

L

LL

Zi

Z

Li

LL

RV

RVI

RVV

VRVV

VR

====

Saat dioda "ON" :

RVV

RVI ZiRR

== LRZ III = dimana Izmin saat ILmax dan Izmax saat ILmin

ZmRL III =min dimana Izm adalah arus maksimum dioda zener pada datasheet

minmax

L

ZL I

VR = Vi Berubah-ubah dan R Tetap Supaya dioda "ON" Vi harus besar, maka nilai minimum Vi :

ZL

Li

iL

LZL

VR

RRV

VRR

RVV

+=+==

min

Maksimum nilai Vi dibatasi oleh arus maksimum dioda zener IZm

ZRi

ZRi

LZmR

LRZm

VRIVVVV

IIIIII

+=+=

+==

maxmax

maxmax

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 Tidak ada R, sehingga muatan di kapasitor tidak bisa dibuang.

Elektronika I


39

mV

1C

1D

2D

2C oV


mV

1C

1D

2D

2C oV

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

0=oV

Saat 0

Elektronika I


40

iV

2T0 T t

mV

mV

oV

0 T t

mV2

2T

Rangkaian Lainnya untuk Pengganda Tegangan Dua

mV 1C1D

2D 2C

oV


Elektronika I


41

mV 1C1D

2D 2C

oVmV

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

mo VV =

Saat 0

Elektronika I


42

mV

1C

1D 2D

2C

3C

4C

3D 4D

mV2

mV4

mV3

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. Penggunaan photo diode digunakan untuk sensor dan alat ukur kuat cahaya.

Elektronika I


43

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

pI

vI

pV vV FV 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 Iv 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. Penggunaan dioda tunnel sebagai saklar kecepatan tinggi dan osilator frekeunsi tinggi.

Elektronika I


44

Gambar 3.12 Dioda tunnel

Latihan Soal : 1. Tentukan I dan V !

V10+

k1

ideal

I

V

Jawaban :

V10+

k1I

V

VV

mAk

I

0

101

010

===

2. Tentukan I dan V !

V10+

k1I

V

Jawaban :

Elektronika I


45

V10+

k1I

V

VVmAI10

0+=

=

3. Tentukan i dan V !

10+

k10

2D1D

k5

10

Vi

Jawaban : Asumsi D1 dan D2 "ON"

10+

k10

2DV

k5

10

V1DI

1DV 2DI

( ) mAkk

I

VoltV

D

D

110

0105

1000

1

1

===

Asumsi D1 "ON" Benar

mAk

I

VoltV

D

D

110

0100

2

2

===

Asumsi D2"ON" Benar Sehingga :

( ) Voltk

kV

mAIi D

0105

1005

11

====

Asumsi D1 "ON" dan D2 "OFF" ( ) mAk

I

VoltV

D

D

25

1000

1

1

===


mAIVoltV

D

D

010

2

2

==

Asumsi D2 "OFF" Salah

Elektronika I


46

10+

k10

2DV

k5

10

V1DI

1DV 2DI

Asumsi D1 "OFF" dan D2 "ON" 10+

k10

2DV

k5

10

V1DI

1DV

2DI

mAIVoltV

D

D

010

1

1

==


( ) mAkk

I

VoltV

D

D

33,15101010

0

2

2

=+=

=


Asumsi D1 "OFF" dan D2 "OFF" 10+

k10

2DV

k5

10

V1DI

1DV

2DI

mAIVoltV

D

D

010

1

1

==

Asumsi D1 "OFF" Salah ( )mAI

VoltV

D

D

0201010

2

2

===


4.

Elektronika I


47

iV

2T0 T t

20+

20

k2,2

Si

oViV

Jawaban : Siklus 0-180o siklus positif

k2,2 oViV

VoltVo 0=

Siklus 180o-360o siklus negatif

k2,2 oViV7,0

( )VoltVV io 7,0= Jika 7,0iV dioda "OFF" 0=oV

iV

2T T t

20+

20

oV

T t7,19

7,0

5. Tentukan IL dan VL !

Elektronika I


48

Volt20

220

180

LI

mWPVV

Zm

Z

40010==

LV

Jawaban :

Volt20

220

180

LI

LV

VoltVL 920220180180 =+=

VL < VZ dioda zener "OFF"

mAIImAI

mARVI

LR

Z

L

LL

500

50180

9

===

===

bab 3 rangkaian aplikasi dioda

Documents