MODUL 2 KARAKTERISTIK DIODA DAN ZENERA. TUJUAN Mempelajari dan mengetahui karakteristik dasar dioda. B. TEORI DASAR Dalam bidang elektronika seringkali diperlukan suatu komponen yang mengalirkan arus jika diberi beda potensial pada satu arah (Forward Bias) dan sebaliknya tidak mengalirkan arus jika diberi beda potensial pada arah yang berlawanan (Reverse Bias). Komponen yang memiliki karakteristik tersebut adalah DIODA. Untuk tegangan yang tidak terlalu tinggi orang banyak menggunakan dioda yang terbuat dari bahan semikonduktor (dalam hal ini germanium dan silicon). Sedangkan untuk tegangan tinggi digunakan dioda vakum. Dalam percobaan ini kita menyelidiki sifat-sifat dari penggunaan dioda dari bahan semikonduktor saja. Dioda merupakan komponen elektronika yang terbuat dari 2 lapisan semikonduktor yang berbeda jenis dopingnya (lapisan N dan P). Simbol dari dioda seperti terlihat pada gambar 2.1. Dioda akan mengalirkan arus bila diberi beda potensial dimana kaki anoda lebih positif dari katoda dan tidak akan mengeluarkan arus jiak sebaliknya yaitu kaki anoda lebih negatif dari katoda.

Gambar 2.1 a. Dioda b. Dioda zener

I. Simbol Umum Dioda

Dioda disimbolkan dengan gambar anak panah yang pada ujungnya terdapat garis yang melintang. Simbol tersebut sebenarnya adalah sebagai perwakilan dari cara kerja dioda itu sendiri. Pada pangkal anak Gambar 2.2 panah disebut juga sebagai anoda (kaki positif = P) dan pada ujung anak panah disebut sebagai katoda (kaki negative = N). II. Struktur Dioda Untuk Pertama Kalinya

Gambar Struktur dioda

Gambar 2.3

Di atas merupakan gambar dari struktur dioda untuk pertama kalinya. Plate dirancang mengelilingi katoda, didalam katoda ditanam sebuah heater, dimana pada saat katoda dipanaskan maka, elektron yang ada pada katoda akan bergerak menuju plate. III. Bias Maju Dioda Gambar di samping merupakan Gambar 2.4

gambar karakteristik dioda pada saat

diberi bias maju. Lapisan yang melintang antara sisi P dan sisi N diatas disebut sebagai lapisan deplesi (depletion layer), pada lapisan ini terjadi proses keseimbangan hole dan electron. Secara sederhana cara kerja dioda pada saat diberi bias maju adalah sebagai berikut, pada saat dioda diberi bias maju, maka electron akan bergerak dari terminal negative batere menuju terminal positif batere (berkebalikan dengan arah arus listrik). Elektron yang mencapai bagian katoda (sisi N dioda) akan membuat electron yang ada pada katoda akan bergerak menuju anoda dan membuat depletion layer akan terisi penuh oleh

electron, sehingga pada kondisi ini dioda bekerja bagai kawat yang tersambung. IV. Bias Mundur Dioda Berkebalikan dengan bias maju, pada bias mundur electron akan bergerak dari terminal negative batere menuju anoda dari dioda (sisi P). Pada kondisi ini potensial positif yang terhubung dengan katoda akan membuat electron pada katoda tertarik menjauhi depletion layer, sehingga akan terjadi pengosongan pada depletion layer dan membuat kedua sisi terpisah. Pada bias mundur ini dioda bekerja bagaikan kawat yang terputus dan membuat tegangan yang jatuh pada dioda akan sama dengan tegangan supply. Berikut adalah beberapa macam dioda yang sering ditemukan : 1. Dioda Bridge (4 buah dioda penyearah) 2. Dioda Zener (Sebagai penstabil tegangan) 3. LED (Light Emiting Dioda) 4. 7 - Segment 5. Varaktor 6. Varistor 7. Back Diode 8. Photodiode, dll.

Gambar 2.5

Dioda Zener Variasi khusus dari dioda semikonduktor adalah Dioda Zener. Dioda Zener adalah dioda khusus yang dirancang untuk bekerja pada daerah breakdown. Dioda ini paling utama bermain sebagai komponen rangkaian regulator tegangan yang menjaga agar tegangan bebas

konstan. Secara ideal zener berlaku seolah-olah baterai sempurna. Sedang pada aproksimasi selanjutnya, ia memiliki hambatan bulk yang menghasilkan tambahan kecil tegangan. Dioda zener dapat diaplikasikan untuk rangkaian regulator, protektor, peak clipper, dst. Dioda zener adalah salah satu jenis dioda yang memiliki sisi eksklusif pada daerah breakdownnya, sehingga dapat dimanfaatkan sebagai stabilizer atau pembatas tegangan. Struktur dioda zener hampir sama dengan dioda pada umumnya, hanya konsentrasi doping saja yang berbeda. Kurva karakteristik dioda zener juga sama seperti dioda pada umumnya, namun pada daerah breakdown dimana pada saat bias mundur mencapai tegangan breakdown maka arus dioda naik dengan cepat seperti pada gambar karakteristik dioda zener dibawah. Daerah breakdown inilah yang menjadi referensi untuk penerapan dari dioda zener. Sedangkan pada dioda biasa daerah breakdown meru[pakan daerah kritis yang harus dihindari dan tidak diperbolehkan pemberian tegangan mundur sampai pada daerah breakdown, karena bisa merusak dioda biasa.

Gambar 2.6 Kurva Karakteristik Dioda Zener

Titik breakdown dari suatu dioda zener dapat dikontrol dengan memvariasi konsentrasi doping. Konsentrasi doping yang tinggi, akan

meningkatkan jumlah pengotoran sehingga tegangan zenernya (Vz) akan kecil. Demikian juga sebaliknya, dengan konsentrasi doping yang rendah diperoleh Vz yang tinggi. Pada umumnya dioda zener dipasaran tersedia mulai dari Vz 1,8 V sampai 200 V, dengan kemampuan daya dari hingga 50 W. Penerapan dioda zener yang paling penting adalah sebagai regulator atau stabilizer tegangan voltage regulator. Rangkaian dasar stabilizer tegangan menggunakan dioda zener dapat dilihat pada gambar dibawah. Agar rangkaian ini dapat berfungsi dengan baik sebagai stabilizer tegangan, maka dioda zener harus bekerja pada daerah breakdown, yaitu dengan memberikan tegangan sumber (Vi) harus lebih besar dari tegangan dioda zener (Vz). "Rangkaian Dasar Stabilizer Tegangan" Pada dioda zener terdapat nilai Izm (Arus zener maksimum) yang telah ditentukan ooleh pabrik dan arus zener tidak boleh melebihi Izm tersebut, karena akan mengakibatkan kerusakan pada dioda zener. RS adalah hambatan yang berfungsi sebagai pembatas arus untuk rangkaian stabilizer tegangan. Apabila tegangan Vi lebih tinggi dari Vz dan RL lebih besar dari RL minimum maka fungsi dari stabilizer tegangan pada dioda zener dapat bekerja, oleh karena itu RL harus lebih besar dari RLmin. RLmin dapat ditentukan pada saat VL = Vz sebagai berikut.

Persamaan 2.1 Nilai RLmin ini akan menjamin dioda zener bekerja secara konsisten. Bila zener sudah bekerja, berarti VL = Vz = konstan, dan dengan menganggap Vi tetap maka turun tegangan pada RS, VR juga tetap, yaitu:

Persamaan 2.2 Sehingga arus yang mengalir pada RS dapat diketahui dengan:

Persamaan 2.3 Dan arus yang mengalir pada dioda zener dapat ditentukan dengan:

Persamaan 2.4 C. ALAT 1. Dioda 2. Zener 3. Resistor 4. Potensiometer 5. Osiloskop 6. Multimeter 7. Catu daya 8. Protoboard D. PROSEDUR PERCOBAAN 1. Mempelajari Karakteristik Statik Dioda Pada Bias Forward a. Menyusun rangkaian seperti pada Gambar 2.7. b. Memasang dioda pada VS berkisar antara 0 volt sampai 1 volt dengan interval 0,1 volt dan antara 1 volt sampai 5 volt dengan interval 1 volt. c. Mengukur arus yang mengalir melalui dioda. 1N4001 2V7, 4V7, 6V2 47 1K 1K

Gambar 2.7. Forward

Gambar 2.8. Reverse

2. Mempelajari Karakteristik Statik dioda Pada Bias Reverse a. Menyusun rangkaian seperti pada Gambar 2.8. b. Memasang dioda pada VS berkisar antara 0 volt sampai 1 volt dengan interval 0,1 volt dan antara 1 volt sampai 5 volt dengan interval 1 volt. c. Mengukur arus yang mengalir melalui dioda. 3. Rangkaian Regulator Zener a. Membuat rangkaian seperti pada gambar 2.9, dengan dioda zener 2V7. b. Menaikkan tegangan input V dari 0 12 volt sampai dengan interval 1 V, mencatat tegangan pada R beban dan arus yang mengalir melalui zener. c. Mengganti dioda zener dengan tipe 4V7 kemudian mengulang percobaan. d. Mengganti dioda zener dengan tipe 6V2 kemudian mengulang percobaan.

Gambar 2.9

Rangkaian Regulator Zener

E. TUGAS PENDAHULUAN 1. Perhatikan Gambar 2.7 dan Gambar 2.8. Dengan menggunakan analisis rangkaian, lengkapi tabel berikut ini! Sertakan pula penurunannya!

Vs (DC)

I (A) (Dioda forward)

I (A) (Dioda reverse) 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 2 3 4 5

0 0 0 0 0 0 0,0001 0,0011 0,0113 0,1091 1,0381 713,8 1,6762 m 2,6559 m 3,642 m

Simulasi EWB

2. Cara kerja rangkaian dioda pada gambar 2.9. Cara kerja dioda zener berhubungan dengan tegangan Thevenin (VTH). VTH =RL VS RS RL

Jika VTH lebih besar dari VZ maka regulator akan bekerja.

VL = VZ IS =VS VZ RS

IL =

VL RL

IZ = IS - IL

Jika VTH lebih kecil dari VZ maka regulator tidak bekerja

=> VL = VTH IL =VL RL

IS = IL

IZ = IS - IL

V 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

2V7 VR (V) 0 0,83 1,67 2,50 3,33 4,17 5,00 5,83 6,67 7,50 8,33 9,17 10,00 I (mA) 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 VR(V) 0 0,83 1,67 2,50 3,33 4,17 5,00 5,83 6,67 7,50 8,33 9,17 10,00

4V7 I(mA) 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 VR(V) 0 0,83 1,67 2,50 3,33 4,17 5,00 5,83 6,67 7,50 8,33 9,17 10,00

6V2 I(mA) 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

3. Kegunaan dioda pada rangkaian elektronika adalah sebagai berikut. Dioda dapat mengubah tegangan AC menjadi DC jika disusun dalam suatu rangkaian. Untuk mempertahankan tegangan output tetap konstan, yaitu dengan menggunakan dioda zener.

forward bias

Reverse bias

B2V7

B4V7

B6V2

F. TUGAS AKHIR 1. Membuat tabel dan grafik dari percobaan. Percobaan I dan II Tabel Data Hasil Pengamatan Vs (DC) 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 2 3 4 5 I (mA) Forward 0 0 0 0 0 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 1,5 2,5 3,5 4,5 I (mA) Reverse 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

Grafik Data Hasil Pengamatan

GRAFIK Vs (DC) vs ARUS5 4.5 4 3.5 3 ARUS 2.5 2 1.5 1 0.5 0 0 1 2 3 Vs (Dc) 4 5 6 I (mA) Forward I (mA) Reverse

Percobaan III Tabel Data Hasil Pengamatan 2V7 VR (V) 0 0,7 1,7 2,3 2,7 4,3 5,3 6 6,7 7,7 8,3 9,3 10,3 I (A) 0 0,03 0,13 0,17 0,23 0,27 0,37 0,4 0,43 0,47 0,53 0,57 0,63 4V2 VR(V) 0 0,7 1,7 2,4 3,4 4,1 4,6 4,8 5 5 5 5 5 I(A) 0 0 0,3 0,8 1,8 2,6 2,6 2,6 4,2 5 5,2 5,6 6,2 6V2 VR(V) 0 0,7 1,7 2,3 3,3 3,7 4,7 5,7 6,3 6,3 6,3 6,3 6,3 I(A) 0 0,07 0,1 0,17 0,23 0,27 0,33 0,37 0,43 0,47 0,53 0,60 0,67

V 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Grafik Data Hasil Pengamatan

GRAFIK Vs vs Vr12 10 8 6 4 2 0 0 2 4 6 Vs 8 10 12 14 Vs vs Vr 2V7 Vs vs Vr 4V7 Vs vs Vr 6V2 Vr

GRAFIK Vs vs Arus7 6 5 Arus (A) 4 Vs vs I 2V7 3 2 1 0 0 2 4 6 Vs 8 10 12 14 Vs vs I 4V7 Vs vs I 6V2

2. Perbandingan Hasil Percobaan dan Pendahuluan A. Percobaan I dan II Pada percobaan I ini besar arus yang lewat pada dioda forward mulai dari Vs 0 sampai Vs 0,5 V dengan interval 0,1 menghasilkan besar arus yang sama, yaitu 0 mA. Mulai dari Vs 0,6 sampai 1 V dengan interval 0,1 dan Vs 1 sampai 5 V dengan interval 1 menghasilkan besar arus yang berbeda dan arus pada percobaan lebih besar dibandingkan dengan menggunakan EWB. Pada percobaan II besar arus yang lewat pada dioda reverse mulai dari Vs 0 sampai Vs 0,4 V dengan interval 0,1 dan Vs 1 sampai 5 V dengan interval 1 menghasilkan besar arus yang sama, yaitu 0 mA. B. Percobaan III Pada percobaan III data yang didapatkan berbeda dengan hasil dengan menggunakan EWB. Hasil percobaan

memperlihatkan

bahwa

Vout

semakin

bertambah

hingga

mendekati Vz dari dioda zener. Namun, pada EWB Vout terus bertambah walaupun telah melewati V breakdown. 3. Kesimpulan dari soal No. 1 adalah sebagai berikut. Pada percobaan I, grafik Vs vs. I forward berbentuk garis lurus yang naik yang menunjukkan bahwa besar Vs dan I forward berbanding lurus. Pada percobaan II, grafik Vs vs. Ireverse berbentuk garis lurus yang datar yang menunjukkan bahwa besar Vs tidak mempengaruhi besar Ireverse yang bersarnya 0 mA. Pada percobaan III, grafik Vs vs. VR berbentuk garis lurus yang naik yang menunjukkan bahwa besar Vs dan I forward berbanding lurus namun besar VR akan mendekati V pada dioda zener karena dioda ini akan mengeluarkan Vout yang konstan. Pada percobaan III, grafik Vs vs. I tidak meiliki bentuk yang tetap padahal seharusnya garis pada kurva berbentuk lurus dan datar karena I haruslah sama dengan 0 mA. 4. Jenis dioda dapat ditentukan dengan melihat knee voltagenya. Misalnya pada percobaan ini dioda yang digunakan memiliki knee voltage 2,7 V; 4,2 V, dan 6,2 V yang menunjukkan jenis diodanya, yaitu 2V7, 4V2 dan 6V2. C. ANALISIS a. Analisis Percobaan Percobaan yang berjudul Karakteristik Dioda dan Zener ini dilakukan di Laboratorium Elektronika, Departemen Fisika FMIPA UI pada tanggal 13 April 2012.

Pada percobaan kali ini ada kali percobaan yang dilakukan, yaitu mempelajari karakteristik statik dioda pada bias forward, mempelajari karakteristik statik dioda pada bias reverse, dan mempelajari rangkaian regulator zener. Langkah pada percobaan untuk mempelajari karakteristik statik dioda pada bias forward adalah yang pertama menyusun rangkaian seperti pada gambar, pada protoboard dengan sumber tegangan yang berasal dari blackbox. Kemudian memasang dioda pada VS berkisar antara 0 volt sampai 1 volt dengan interval 0,1 volt dan antara 1 volt sampai 5 volt dengan interval 1 volt. Kemudian mengukur arus yang mengalir melalui dioda menggunakan percobaan. Langkah pada percobaan untuk mempelajari karakteristik statik dioda pada bias reverse adalah yang pertama menyusun rangkaian seperti pada gambar, pada protoboard dengan sumber tegangan yang berasal dari blackbox. Kemudian emasang dioda pada VS berkisar antara 0 volt sampai 1 volt dengan interval 0,1 volt dan antara 1 volt sampai 5 volt dengan interval 1 volt. Lalu mengukur arus yang mengalir melalui dioda dengan multimeter. Kemudian mencatat hasil percobaan. Langkah pada percobaan untuk mempelajari rangkaian regulator zener adalah yang pertama membuat rangkaian seperti pada gambar 2.9 pada protoboard dengan sumber tegangan yang berasal dari blackbox, dengan dioda zener 2V7 terlebih dahulu. Selanjutnya menaikkan tegangan input V dari 0 12 volt sampai dengan interval 1 V dan mencatat tegangan pada R beban dan arus yang mengalir melalui zener. Lalu mengganti dioda zener dengan tipe 4V7 kemudian multimeter. Kemudian mencatat hasil

mengulang percobaan namun, pada saat percobaan praktikan hanya mendapatkan dioda zener tipe 4V2 sehingga praktikan menggunakan dioda ini. Yang terakhir mengganti dioda zener dengan tipe 6V2 kemudian mengulang percobaan. b. Analisis Alat Dalam percobaan yang berjudul Karakteristik Dioda dan Zener ada beberapa alat atau komponen elektronika yang praktikan dapat gunakan seperti dalam modul, yaitu dioda 1N4001, dioda zener 2V7, 4V7, 6V2, resistor 47 dan 1 k, potensiometer 1k, osiloskop, multimeter, catu daya, dan protoboard. Praktikan tidak menggunakan osiloskop karena tegangan sumber yang dipakai adalah teganangan multimeter DC sehingga mengukur cukup besar menggunakan untuk percobaan dan mencatat semua hasil

tegangan. Praktikan juga tidak menggunakan resistor 47 karena tidak terdapat keterangan yang mengharuskan menggunakan resistor ini ddalam modul melainkan hanya resistor 1 k. Pada saat melakukan percobaan ini praktikan harus mengulangi percobaan ini beberapa kali karena pengukuran menggunakan multimeter, jarum penunjuk terus berubah-ubah. Perubahan jarum penunjuk ini diakibatkan oleh dioda zener yang digunakan menyimpan muatan sehingga jika zener tersebut terlalu lama dipasang pada rangkaian akan panas sehingga zener trsebut akan menyimpan muatan yang mengakibatkan pegukuran arus akan kacau. Selain itu juga praktikan harus mengganti blackbox beberapa kali karena blackbox yang praktikan

dapatkan

memiliki

kesalahan/kekurangan

ketika

digunakan untuk melakukan pengukuran. c. Analisis Data dan Hasil Sebagaimana yang telah dijelaskan pada tugas akhir bahwa pada percobaan I dan II ini besar arus yang lewat pada dioda forward mulai dari Vs 0 sampai Vs 0,5 V dengan interval 0,1 menghasilkan besar arus yang sama, yaitu 0 mA. Mulai dari Vs 0,6 sampai 1 V dengan interval 0,1 dan Vs 1 sampai 5 V dengan interval 1 menghasilkan besar arus yang berbeda dan arus pada percobaan lebih besar dibandingkan dengan menggunakan EWB. Besar arus yang lewat pada dioda reverse mulai dari Vs 0 sampai Vs 0,9 V dengan interval 0,1 dan Vs 1 sampai 5 V dengan interval 1 menghasilkan besar arus yang sama, yaitu 0 mA. Pada percobaan percobaan III data yang didapatkan semakin berbeda dengan hasil dengan menggunakan EWB. Hasil memperlihatkan bahwa Vout bertambah hingga mendekati Vz dari dioda zener. Namun, pada EWB Vout terus bertambah walaupun telah meleawti V breakdown. Praktikan menggunakan dioda zener dengan jenis 2V7, 4V7 dan 6V2. Masing-masing zener dioda dapat zener ini mempunyai tegangan sendiri. Zener tersebut mempunyai tegangan tegangan sendiri menjadi sehingga konstan. membuat hasil tugas Berdasarkan

pendahuluan tegangan zener masing-masing adalah 2V7 = 2,7 V , 4V7 = 4,7 V dan 6V2 = 6,2 V. Akan tetapi hasil dari eksperimen yang dilakukan sedikit tidak sesuai dengan yang didapat pada tugas pendahuluan untuk dioda zener 2V7 yang mendapatkan knee voltage = 2,8 V, tapu dioda

zener yang kedua dan ketiga tidak bermasalah hanya saja untuk dioda kedua dan ketiga. Dari hasil ini yang sama dengan hasil dari tugas pendahuluan hanya arus 2V7 yang paling mendekati. Pada dioda zener juga terdapat hambatan dalam sehingga hambatan ini mengurangi ripple. Pada saat melakukan tugas pendahuluan prktikan tidak memasukkan faktor hambatan ini jadi perbedaan hasil di atas bisa diakibatkan karena hal ini. Hal lain yang menyebabkan perbedaan pada hasil antara hasil eksperimen dan hasil pada tugas pendahuluan adalah adanya arus transient, arus saturasi dan arus bocor permukaan. Adanya arus transient dipengaruhi oleh adanya tegangan mundur. Arus saturasi tidak bergantung pada tegangan tetapi dipengaruhi oleh perubahan dari energi termal yang terjadi pada dioda yang digunakan. Yang paling mempengaruhi pengukuran arus yang melewati dioda adalah adanya arus bocor permukaan. Arus bocor permukaan ini berpegaruh pada bagian dalam dari dioda yaitu dari atom-atom yang tekandung pada permukaan kristal yang terdapat pada dioda. Arus ini sangat berpengaruh jika yang dihitung menggunakan dioda reverse. D. KESIMPULAN Berdasarkan percobaan diatas yaitu Karakteristik Dioda dan Zener yang dilakukan dengan tujuan dioda mempelajari yang dan mengetahui karakteristik dasar dioda, dapat diambil kesimpulan : Berdasarkan percobaan, digunakan mempunyai knee voltage yang besarnya 0,7 V. Dioda reverse tidak menghasilkan arus.

Pada dioda reverse dipengaruhi oleh arus transient, arus saturasi dan arus bocor permukaan. Dioda zener dapat mempertahankanVout agar tetap konstan. Berdasarkan percobaan, tegangan zener yang digunakan, yaitu: 2V7 2,8 V 4V7 4,7 V 6V2 6,2 V

E. REFERENSI Mahajan, A. S. and A. S. Rangwala, Electricity and Magnetism, New Delhi, Tata McGraw-Hill Publishing Company Limited, 1994. Malvino, Albert Paul. Eletronic Principles 6th Edition. Tata McGraw-Hill Publishing Company Limited. 1999.