Upload
amelia-shaffira-arifin
View
349
Download
26
Embed Size (px)
DESCRIPTION
ELKA Telkom University
Citation preview
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
Mohamad Ramdhani Institut Teknologi Telkom
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
Mohamad Ramdhani Institut Teknologi Telkom
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
Mohamad Ramdhani Institut Teknologi Telkom
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
Mohamad Ramdhani Institut Teknologi Telkom
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
Mohamad Ramdhani Institut Teknologi Telkom
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
Mohamad Ramdhani Institut Teknologi Telkom
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
Mohamad Ramdhani Institut Teknologi Telkom
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
Mohamad Ramdhani Institut Teknologi Telkom
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
Mohamad Ramdhani Institut Teknologi Telkom
24
Saat 0>iV 20 T siklus positif
iV+R oV
io VV =
Saat 0
Elektronika I
Mohamad Ramdhani Institut Teknologi Telkom
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
Mohamad Ramdhani Institut Teknologi Telkom
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
Mohamad Ramdhani Institut Teknologi Telkom
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
Mohamad Ramdhani Institut Teknologi Telkom
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
Mohamad Ramdhani Institut Teknologi Telkom
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
Saat 0>iV 20 T siklus positif
iV+R oV
io VV =
Saat 0
Elektronika I
Mohamad Ramdhani Institut Teknologi Telkom
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
Saat 0>iV 20 T siklus positif
DCi VV < dioda "OFF"
R oV
DCV
iV
0=oV
DCi VV dioda "ON"
R oViV
DCV
DCio VVV =
Saat 0
Elektronika I
Mohamad Ramdhani Institut Teknologi Telkom
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
Saat 0>iV 20 T siklus positif
Elektronika I
Mohamad Ramdhani Institut Teknologi Telkom
32
R
oViV
0=oV
Saat 0iV 20 T siklus positif
DCi VV < dioda "ON" DCo VV =
Elektronika I
Mohamad Ramdhani Institut Teknologi Telkom
33
R
oVDCV
iV
DCi VV dioda "OFF"
R
oVDCV
iV
io VV =
Saat 0
Elektronika I
Mohamad Ramdhani Institut Teknologi Telkom
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
Mohamad Ramdhani Institut Teknologi Telkom
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
Mohamad Ramdhani Institut Teknologi Telkom
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
Mohamad Ramdhani Institut Teknologi Telkom
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
Mohamad Ramdhani Institut Teknologi Telkom
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
Mohamad Ramdhani Institut Teknologi Telkom
39
mV
1C
1D
2D
2C oV
Saat 0>iV 20 T siklus positif
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
Mohamad Ramdhani Institut Teknologi Telkom
40
iV
2T0 T t
mV
mV
oV
0 T t
mV2
2T
Rangkaian Lainnya untuk Pengganda Tegangan Dua
mV 1C1D
2D 2C
oV
Saat 0>iV 20 T siklus positif
Elektronika I
Mohamad Ramdhani Institut Teknologi Telkom
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
Mohamad Ramdhani Institut Teknologi Telkom
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
Mohamad Ramdhani Institut Teknologi Telkom
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
Mohamad Ramdhani Institut Teknologi Telkom
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
Mohamad Ramdhani Institut Teknologi Telkom
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
===
Asumsi D1 "ON" Benar
mAIVoltV
D
D
010
2
2
==
Asumsi D2 "OFF" Salah
Elektronika I
Mohamad Ramdhani Institut Teknologi Telkom
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
==
Asumsi D1 "OFF" Salah
( ) mAkk
I
VoltV
D
D
33,15101010
0
2
2
=+=
=
Asumsi D2 "ON" Benar
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
===
Asumsi D2 "OFF" Salah
4.
Elektronika I
Mohamad Ramdhani Institut Teknologi Telkom
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
Mohamad Ramdhani Institut Teknologi Telkom
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
===
===