BAB
II
DIODA
2.1 Dioda
Tahun 1883, secara tidak
sengaja Edison telah membuat dioda pertama melalui pengujian bola lampunya.
Bila salah satu elektroda diberi tegangan positif terhadap kawat (filamen) maka
ada arus mengalir antara dua kawat dan bila diberi tegangan negatif maka tidak
ada arus mengalir. Kata “dioda” adalah di
= dua dan ode = elektroda
Jadi dioda adalah piranti dua terminal yang
terbuat dari bahan semikonduktor dengan arah arus tertentu.
Dioda-dioda semula berupa
piranti-piranti tagung hampa dengan filamen panas (disebut katoda) yang
memancarkan elektron-elektron bebas dan suatu pelat positif (disebut anoda)
yang mengumpulkan elektron-elektron tersebut.
Dioda modern memakai
piranti semikonduktor dengan bahan tipe
n yang menyediakan elektron-elektron bebas dan bahan tipe p yang
mengumpulkannya.
Bahan tipe n adalah
terbentuknya elektron bebas tidak disertai terbentuknya hole tetapi terbentuk
ion positif yang tidak dapat bergerak seperti gambar 15. Dimana, tanda - adalah
elektron-elektron bebas sebagai pembawa-pembawa mayoritas (majority carriers), tanda
– adalah hole-hole sebagai pembawa-pembawa minoritas (minority carriers) dan tanda plus dilingkari adalah ion-ion donor
atau ion-ion positif. Dan sebaliknya bahan tipe p adalah terbentuknya hole
disertai terbentuknya ion negatif yang tidak dapat bergerak seperti gambar 16.
Dimana, tanda + adalah hole-hole
(pembawa-pembawa mayoritas) dan tanda minus dilingkari adalah ion-ion akseptor
atau ion-ion negatif.
Gambar 15 Semikonduktor Tipe n
Gambar 16 Semikonduktor Tipe p
A. Lapisan Pengosongan (depletion
layer)
Batas antara bahan tipe p dan bahan tipe n
disebut persambungan (junction) seperti gambar 17.
Gambar 17 Gambar Persambungan PN
Secara difusi bila suatu
elektron memasuki daerah p maka elektron ini sebagai pembawa minoritas. Dengan
dikelilingi oleh lubang-lubang yang berjumlah banyak, pembawa minoritas akan
masuk ke salah satu lubang, lubang bersangkutan akan lenyap dan elektron bebas
menjadi elektron valensi. Daerah yang mengandung ion-ion positif dan negatif
disebut lapisan pengosongan (depletion
layer) karena pada daerah ini mengalami pengosongan dari pembawa-pembawa
muatan elektron maupun hole. Hubungan
pn ini yang disebut dioda dengan kaki yang bertanda positif (A) disebut anoda dan kaki yang bertanda
negatif (K) disebut katoda. Adapun
simbol dioda adalah seperti pada gambar 18.
Gambar 18 Simbol dioda
B. Forward bias
Hubungan forward
bias (bias maju) adalah bila kaki Anoda (bahan tipe p) dihubungkan ke
sumber tegangan positif dan kaki Katoda (bahan tipe n) dihubungkan ke sumber
tegangan negatif. Elektron-elektron bebas di bahan n bergerak menuju ke
persambungan yang meninggalkan ion-ion positif di sebelah kanan kristal.
Ion-ion positif ini kemudian akan menarik elektron-elektron bebas dari baterai
(sumber tegangan) lewat kawat rangkaian. Jadi, arah aliran elektron adalah dari
bahan tipe n ( K) ke bahan tipe p (A) dan sebaliknya arah arus dari bahan tipe
p (A) ke bahan tipe n (K) seperti gambar 19.
Gambar 19
forward bias diode
C. Reverse
Bias
Reverse Bias adalah pemberian sumber tegangan yang terbalik dimana kaki Anoda (bahan
tipe p) dihubungkan ke sumber tegangan negatif dan kaki Katoda (bahan tipe n)
dihubungkan ke sumber tegangan positf. Pembawa-pembawa mayoritas tidak dapat
menyeberangi persambungan dan
elektron-elektron bebas tidak mempunyai energi yang cukup besar untuk
menyeberangi persambungan sehingga tidak ada aliran arus dari katoda ke Anoda
seperti gambar 20.
Gambar 20 Reverse bias diode
Dioda disebut aktif atau ‘on’
apabila mendapat arus maju IF (forward
bias) dari hubungan baterai seperti gambar 19 dan dioda disebut tidak aktif
atau ‘off’ apabila mendapat arus mundur IR (reverse bias ) dari hubungan baterai seperti gambar 20. Adapun
karakteristik Dioda adalah seperti pada gambar 21.
Gambar 21 Karakteristik Dioda
Dioda aktif apabila , untuk bahan semikonduktor Silikon
VF = 0,7 Volt dan untuk bahan semikonduktor Germanium VF
= 0,3 Volt. Dioda tidak aktif
apabila VD < 0 maka untuk
semikonduktor Silikon ID = 0 mA dan untuk semikonduktor Germanium ID
=IR. Pada saat arus reverse bias maksimum atau sama dengan VBD
(Breakdown Voltage) maka arus tak
terhingga atau dioda dapat menjadi rusak.
Rumus umum untuk arus dioda ID adalah:
dimana,
IS = arus reverse saturasi
k = 11.600/ɳ dengan ɳ=1
untuk Ge dan ɳ=2 untuk Si
Tk = TC
+ 2730
2.2 Simulasi dengan EWB10
2.2.1 Proses instalasi
multisim
1.
Klik Setup.exe
2.
Install this product for evaluation, next
3.
Tentukan destination directory, biasanya sudah
otomatis di C\program files\National instrument, klik next.
4.
Pilih fitur yang akan di install, sebaiknya install
saja semuanya, jadi langsung saja klik
next
5.
Centang I accept the license agreement(s), klik
next, next, nest lagi untuk memulai instalasi
6.
Bila muncul “Configure the NI circuit design suite
support & upgrade utility” hilangkan centangnya jika tidak terhubung ke
internet, lalu klik next. Restart computer.
7.
Klik ganda (jalankan) keygen yang ada dalam folder
crack bersama master EWB 10.
8.
Centang Multisim pro full edition, klik Create
license lile, simpan dengan dengan ekstensi *.lic di suatu tempat. Beri nama
terserah (misalnya : multisim pro full )
9.
Centang Multisim pro full edition, klik Create
license lile, simpan dengan dengan ekstensi *.lic di suatu tempat. Beri nama
terserah (misalnya : Ultiboard pro full ). Lalu close keygen
10. Jika menggunakan Windows Xp, Klik
start > All program > National Instruments > NI License Manager
11. Klik ganda multisim 10.0 >
schematic capture and simulation > Full Edition (lihat gambar dibawah ).Klik
Option pada menu bar, pilih Install License file, lalu open License file yang
telah disimpan tadi. Jika berhasil maka ikon Full edition
yang sebelumnya berwarna putih kini akan berwarna hijau seperti
gambar 22.
Gambar 22 Ikon Full edition berwarna hijau
12. Lakukan langkah yang sama untuk
menginstall License file Ultiboard 10.0
13. Jika anda menggunakan Windows Xp,
Klik start > All program > National Instruments > Circuit Design Suite
10.0 > Multisim. Multisim siap digunakan, seperti
tampilan startup multisim pada gambar 23.
Gambar 23 Tampilan Startup Multisim
Contoh langkah-langkah
menjalankan pembuatan skematik rangkaian dioda dan simulasi seperti berikut.
1.
Klik
start > All program > National Instruments > Circuit Design Suite 10.0
> Multisim seperti gambar 24.
 |
 |
Gambar 24 pemanggilan program
multisim
2.
Untuk meletakkan komponen ke lembar kerja, klik
kanan di halaman lalu pilih place component.
3.
Pertama-tama letakkan dioda. Posisinya di database seperti
gambar 25.
Gambar 25 Posisi database group dioda
4.
Selanjutnya
letakkan Resistor sebagai beban yang ada pada database goup basic, sumber tegangan
input AC memakai function generator
sebagai input dan Osciloscope ke lembar kerja. Tambahkan ground dari
database group Sources dan klik menu Place lalu pilih Text untuk mengetik penamaan tegangan output Vo, seperti gambar 26
dan gambar 27.
 |
Gambar 26 Posisi function generator
 |
Gambar 27 Rangkaian lengkap
5.
Simulasikan dengan meng-klik menu simulasi seperti gambar 28.
6.
Adapun hasil simulasi rangkaian dioda yang seri dengan tahanan R sebagai
beban dengan input sinus dari function generator adalah seperti gambar 29.
Gambar 28 Posisi tombol simulasi
Gambar 29 Hasil simulasi dioda seri dengan tahanan R sebagai beban
2.3 Dioda Zener
Prinsip kerja Dioda Zener adalah sama dengan kondisi arus
reverse dioda dimana pada saat
dimana VBD disebut juga dengan VZ maka dioda zener
akan aktif dan teganan tetap sebesar tegangan zener VZ walaupun VD
diberikan < VZ seperti gambar 30.
Gambar 30 Karakteristik Dioda Zener
2.4 Aplikasi
Dioda
Contoh:
Diket:
Untuk rangkaian
dioda
seperti gambar 31(a)
dan menggunakan karakteristik seperti terlihat pada grafik 31(b).
Ditanya:
Tentukanlah,
a. VDq dan IDq
b. VR
 |
 |
(a) (b)
Gambar 31 Contoh rangkaian dan karakteristik dioda
Jawab:
Dengan memakai rumus KVL yaitu 
Dari rumus KVL, dimana,
a.
Nilai ID dan
VD di-plot ke karakteristik dioda sehingga didapatkan,
 |
Seperti gamba 32.
Gambar 32 Hasil pembacaan nilai IDq dan VDq
b. Tahanan R1 seri dengan Dioda D1
maka IR = IDq sehingga,
atau
perbedaan perhitungan VR dikarenakan pendekatan pembacaan nilai
IDq dan VDq dari karakteristik dioda gambar 32 diatas.
Adapun hasil simulasi rangkaian dan bentuk gelombang input dan output
seperti pada gambar 33.
Gambar 33 Bentuk gelombang Vi dan VO hasil simulasi.
2.4.1
Gerbang OR dan AND
2.4.1.1 Gerbang OR
Rangkaian gerbang OR dapat dirancang dengan memakai dioda
seperti gambar 34. Sesuai dengan tabel kebenaran gerbang OR apabila kedua input
berlogika ‘0’ maka output gerbang OR akan berlogika ‘0’ dan apabila salah satu
atau kedua input berlogika ‘1’ maka output gerbang OR akan berlogika ‘1’
 |
 |
Gambar 34 Rangkaian dan tabel
kebenaran
gerbang OR
Contoh, seperti gambar rangkaian 34
diatas bahwa V1 = 10 V (berlogika ‘1’) dan V2 = 0 Volt
(berlogika ‘0’) maka hasil tabel kebenaran adalah berlogika ‘1’ (VO
= 10 Volt). Dengan memakai rumus KVL akan mendapatkan hasil yang sama, yakni
dengan V2 di-ground maka dioda D2 tidak aktif dan dengan
V1 berlogika ‘1’ maka ada arus dari V1=10 V melalui R =
1k Ω ke ground. Dimana, VO paralel dengan tegangan di R sehingga VO
= VR = V1 – VD = 10 – 0,7 = 9,3 V (logika
‘1’). Jadi hasilnya sama dengan di tabel kebenaran yaitu berlogika ‘1’.
2.4.1.2 Gerbang AND
Hal yang sama seperti analisa rangkaian gerbang OR dapat diterapkan di
rangkaian gerbang AND seperti gambar 35 yaitu dengan memakai rumus KVL. Jika V1
=’1’ dan V2 = ‘0’ maka dioda D1 tidak aktif karena kaki
Anoda bertegangan 10 Volt dan kaki katoda bertegangan 10 Volt juga. Dioda D2
aktif sehingga tegangan output VO = Vi - VR =
VD2 = 0,7 Volt (berlogika ‘0’).
 |
 |
Gambar 35
Rangkaian dan tabel kebenaran gerbang AND
2.4.2 Penyearah (rectification)
2.4.2.1 Penyearah setengah
gelombang (half-wave rectification)
Adapun rangkaian half-wave rectification dengan gelombang tegangan input Vi berbentuk sinus seperti
gambar 36. Pada saat tegangan input bertegangan setengah gelombang positif maka
dioda aktif atau terjadi short circuit pada dioda jika dimisalkan dioda adalah
dioda ideal seperti gambar 37. Tegangan setengah gelombang positif terbentuk di
tahanan R seperti terlihat pada hasil simulasi gambar 38. Dan sebaliknya, pada
saat tegangan input Vi bertegangan setengah gelombang negatif maka
dioda tidak aktif (seperti rangkaian terbuka) sehingga tidak ada arus yang
mengalir di tahanan R atau VO =VR = 0 Volt.
Gambar 36 rangkaian half-wave rectification
Gambar 37 Dioda ideal aktif menjadi rangkaian short circuit
 |
|
|
(a)
|
|
 |
 |
|
(b)
|
|
Gambar 38 (a) rangkaian dan (b) bentuk gelombang input
dan output hasil simulasi
2.4.2.2 Penyearah gelombang
penuh (full-wave rectification)
2.4.2.2.1
Bridge network
Adapun rangkaian dan bentuk output hasil simulasi seperti
gambar 39. Pada saat tegangan input Vi bertegangan setengah
gelombang positif maka arus dari Vi mengalir ke dioda D2,
terus ke tahanan R, ke D3 dan kembali ke Vi, sehingga
tegangan setengah gelombang positif terbentuk di tahanan R dengan arah arus
mengalir di tahanan R dari kanan ke kiri. Dan sebaliknya pada saat tegangan
input bertegangan setengah gelombang negatif maka dioda D1 dan D4
aktif sehingga arus di tahanan R tetap berarah dari kanan ke kiri.
 |
|
|
(a)
|
|
 |
 |
|
(b)
|
|
Gambar 39 (a) rangkaian dan (b) bentuk gelombang input
dan output hasil simulasi
2.4.2.2.2
Centre Tapped
Transformer
Rangkaian dan bentuk output hasil simulasi seperti gambar
40. Pada saat tegangan input Vi bertegangan setengah gelombang
positif maka arus dari Vi mengalir ke dioda D1, terus ke
tahanan R dan kembali ke Vi, sehingga tegangan setengah gelombang
positif terbentuk di tahanan R dengan arah arus mengalir di tahanan R dari
kanan ke kiri. Dan sebaliknya pada saat tegangan input bertegangan setengah
gelombang negatif maka dioda D2 aktif sehingga arus di tahanan R
tetap berarah dari kanan ke kiri.
 |
|
|
(a)
|
|
 |
 |
|
(b)
|
|
Gambar 40 (a) rangkaian dan (b) bentuk gelombang input
dan output hasil simulasi
2.4.3
Clippers
Rangkaian clippers
adalah rangkaian pemotong sinyal input Vi dengan memanfaatkan kerja dioda.
a). seri
Rangkaian dan bentuk gelombang input Vi dan
output VO serta hasil simulasi seperti gambar 41. Pada saat tegangan
input Vi bertegangan setengah gelombang positif maka arus dari Vi
mengalir ke dioda D1, terus ke tahanan R dan kembali ke Vi,
sehingga tegangan setengah gelombang positif terbentuk di tahanan R. Dan
sebaliknya pada saat tegangan input bertegangan setengah gelombang negatif maka
dioda D1 tidak aktif sehingga tegangan di VO = VR
= 0 Volt.
 |
  |
|
(a)
|
|
 |
|
|
(b)
|
|
 |
|
|
(c)
|
|
Gambar 41 (a) rangkaian, (b) dan (c) bentuk gelombang
input dan output hasil simulasi dengan untuk arah dioda yang berbeda
b). Clipper
seri dengan DC
Rangkaian suatu sumber tegangan
dc yang diserikan dengan dioda seperti gambar 42.
 |
 |
|
(a)
|
|
 |
|
|
(b)
|
|
 |
|
|
(c)
|
|
Gambar 42 (a) rangkaian dan bentuk gelombang Vi dan VO (b) dan (c)
hasil simulasi bentuk gelombang Vi dan VO dengan seri -Vdc
dan +Vdc
c). Paralel
Adapun rangkaian dan bentuk gelombang input Vi
dan output VO serta hasil simulasi seperti gambar 43. Pada saat
tegangan input Vi bertegangan setengah gelombang positif maka arus
dari Vi mengalir ke tahanan R, terus ke dioda D1 dan
kembali ke Vi, sehingga tegangan VO = VD = 0,7
Volt. Dan sebaliknya pada saat tegangan input bertegangan setengah gelombang
negatif maka dioda D1 tidak aktif sehingga tegangan di VO
= Vi.
 |
 |
|
(a)
|
|
 |
|
|
(b)
|
|
 |
|
|
(c)
|
|
Gambar 43 (a) rangkaian, (b) dan (c) bentuk gelombang
input dan output hasil simulasi
d). Clipper paralel dengan DC
Rangkaian suatu sumber tegangan dc yang diparalelkan
dengan dioda seperti gambar 44.
 |
 |
|
(a)
|
|
 |
|
|
(b)
|
|
 |
|
|
(c)
|
|
 |
|
|
(d)
|
|
Gambar 44 (a) rangkaian dan bentuk gelombang Vi dan VO (b) dan (c)
bentuk gelombang input dan output hasil simulasi dengan seri +Vdc
dan –Vdc serta (d) dengan ±Vdc
2.4.4
Clamper
Rangkaian clamper
adalah rangkaian yang menarik tegangan (peak
to peak) ke atas atau ke bawah dengan memanfaatkan prinsip kerja kapasitor
seperti gambar 45. Pada setengah gelombang positif (saat dioda aktif) maka C
mengisi sehingga VC = Vi dan setengah gelombang negatif
maka dioda tidak aktif dan C membuang sebesar VC ke tahanan R
sehingga VR = 2 Vi = Vi +VC.
 |
 |
 |
|
|
(a)
|
|||
 |
 |
||
|
(b)
|
|||
 |
|||
|
(c)
|
|||
 |
|||
|
(d)
|
|||
 |
|||
|
(e)
|
|||
Gambar 45 (a) rangkaian dan bentuk gelombang Vi dan Vo (b) gambar arah arus saat dioda
aktif dan tidak aktif (c) bentuk gelombang input dan output hasil simulasi. (d)
dan (e) Hasil simulasi bentuk gelombang output VO dimana dioda seri
dengan +Vdc dan - Vdc
Dari
gambar 45(e) untuk mendapatkan hasil
output maka dipakai rumus KVL. Dimulai dari tegangan input setengah gelombang
negatif maka dioda aktif dan kapasitor C mengisi sehingga VO = Vdc
= -5 Volt (misal dioda ideal VF=0 Volt) serta,
Dan saat tegangan input setengah gelombang positif maka dioda tidak aktif
dan kapasitor C (VC = 10 Volt) membuang sehingga,
2.4.5 Dioda Zener
Dioda zener saat ‘on’
bertegangan sebesar Vz dan saat ‘off’
bertegangan sebesar VD seperti gambar 46 yaitu gambar rangkaian
ekivalen dioda zener.
Dari
gambar 46(c) untuk mendapatkan hasil
output maka dipakai rumus KVL. Bila diberikan tegangan input setengah gelombang
positif maka dioda zener aktif (VD ≥ VBD) maka
Jika diberikan tegangan input
setengah gelombang negatif maka dioda zener tidak aktif (berfungsi seperti
dioda biasa aktif) sehingga,
 |
 |
|
(a)
|
|
 |
  |
|
(b)
|
|
 |
|
|
(c)
|
|
Gambar 46 (a) rangkaian ekivalen dioda zener (b)
Rangkaian paralel dioda zener dan bentuk gelombang input dan output (c) hasil
simulasi paralel dioda zener
2.4.6
Voltage Multiplier Circuit
Rangkaian pengganda tegangan (Voltage Multiplier Circuit) adalah rangkaian yang dapat melipatgandakan keluaran tegangan outputnya
dengan memanfaatkan prinsip kerja kapasitor seperti gambar 47.
 |
  |
|
(a)
|
|
 |
|
|
(b)
|
|
 |
|
|
(c)
|
|
Gambar 47 (a) rangkaian Voltage Multiplier (b) hasil simulasi
bentuk gelombang output pada setengah siklus (c) hasil simulasi bentuk
gelombang output pada satu siklus
Tidak ada komentar:
Posting Komentar