Dioda

BAB II

DIODA

DAFTAR ISI

1. Dioda

2. Simulasi dengan EWB 10

3. Dioda Zener

4. Aplikasi Dioda

4.1 Gerbang OR dan AND

4.2 Penyearah (rectification)

4.3 Clippers

4.4 Clamper

4.5 Zener

4.6 Pengganda Tegangan

2.1 Dioda [kembali]

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 I_F (forward bias) dari hubungan baterai seperti gambar 19 dan dioda disebut tidak aktif atau ‘off’ apabila mendapat arus mundur I_R (reverse bias ) dari hubungan baterai seperti gambar 20. Adapun karakteristik Dioda adalah seperti pada gambar 21.

Gambar 21 Karakteristik Dioda

Dioda aktif apabila V_{D >=}V_F, untuk bahan semikonduktor Silikon V_F = 0,7 Volt dan untuk bahan semikonduktor Germanium V_F = 0,3 Volt.   Dioda tidak aktif apabila  V_D < 0 maka untuk semikonduktor Silikon I_D = 0 mA dan untuk semikonduktor Germanium I_D =I_R.       Pada saat arus reverse bias maksimum atau sama dengan V_BD (Breakdown Voltage) maka arus tak terhingga atau dioda dapat menjadi rusak

Rumus umum untuk arus dioda I_D adalah:

                                                                     

dimana,

          I_S = arus reverse saturasi

          k = 11.600/ɳ dengan ɳ=1 untuk Ge dan ɳ=2 untuk Si

          T_k = T_C + 273⁰

2.2       Simulasi dengan EWB10 [kembali]

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 [kembali]

          Prinsip kerja Dioda Zener adalah sama dengan kondisi arus reverse dioda dimana pada saat V_{D <=}  V_BD dimana V_BD disebut juga dengan V_Z maka dioda zener akan aktif dan teganan tetap sebesar tegangan zener V_Z walaupun V_D diberikan < V_Z seperti gambar 30. 

Gambar 30 Karakteristik Dioda Zener

2.4  Aplikasi Dioda [kembali]

Contoh:

Diket:

Untuk rangkaian dioda seperti gambar 31(a) dan menggunakan karakteristik seperti terlihat pada grafik 31(b).

Ditanya:

          Tentukanlah,

a.   V_Dq  dan I_Dq

b.   V_R

(a)                                              (b)

Gambar 31 Contoh rangkaian dan karakteristik dioda

Jawab:

          Dengan memakai rumus KVL yaitu

Dari rumus KVL, dimana,

  

a.   Nilai I_D dan V_D di-plot ke karakteristik dioda sehingga didapatkan, 

 

Seperti gamba 32.

Gambar 32 Hasil pembacaan nilai I_Dq dan V_Dq

b.   Tahanan R₁ seri dengan Dioda D₁ maka I_R = I_Dq sehingga,

perbedaan perhitungan V_R dikarenakan pendekatan pembacaan nilai I_Dq dan V_Dq dari karakteristik dioda gambar 32 diatas.

Adapun hasil simulasi rangkaian dan bentuk gelombang input dan output seperti pada gambar 33.

Gambar 33 Bentuk gelombang V_i dan V_O hasil simulasi.

2.4.1  Gerbang OR dan AND [kembali]

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’ (V_O = 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, V_O paralel dengan tegangan di R sehingga V_O = V_R = V₁ – V_D = 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 V_O = V_i - V_R = V_D2 = 0,7 Volt (berlogika ‘0’).

Gambar 35 Rangkaian dan tabel kebenaran gerbang AND

2.4.2  Penyearah (rectification [kembali])

2.4.2.1     Penyearah setengah gelombang (half-wave rectification)

Adapun rangkaian half-wave rectification dengan gelombang tegangan input V_i 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 V_i bertegangan setengah gelombang negatif maka dioda tidak aktif (seperti rangkaian terbuka) sehingga tidak ada arus yang mengalir di tahanan R atau V_O =V_R = 0 Volt.

Gambar 36 rangkaian half-wave rectification

Gambar 37 Dioda ideal aktif menjadi rangkaian short circuit

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 V_i bertegangan setengah gelombang positif maka arus dari V_i mengalir ke dioda D₂, terus ke tahanan R, ke D₃ dan kembali ke V_i, 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.

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 V_i bertegangan setengah gelombang positif maka arus dari V_i mengalir ke dioda D₁, terus ke tahanan R dan kembali ke V_i, 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.

Gambar 40 (a) rangkaian dan (b) bentuk gelombang input dan output hasil simulasi

2.4.3  Clippers [kembali]

Rangkaian clippers adalah rangkaian pemotong sinyal input Vi dengan memanfaatkan kerja dioda.

a). seri

Rangkaian dan bentuk gelombang input V_i dan output V_O serta hasil simulasi seperti gambar 41. Pada saat tegangan input V_i bertegangan setengah gelombang positif maka arus dari V_i mengalir ke dioda D₁, terus ke tahanan R dan kembali ke V_i, 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 V_O = V_R = 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  V_i dan V_O (b) dan (c) hasil simulasi bentuk gelombang V_i dan V_O dengan seri -V_dc dan +V_dc 

c). Paralel

Adapun rangkaian dan bentuk gelombang input V_i dan output V_O serta hasil simulasi seperti gambar 43. Pada saat tegangan input V_i bertegangan setengah gelombang positif maka arus dari V_i mengalir ke tahanan R, terus ke dioda D₁ dan kembali ke V_i, sehingga tegangan V_O = V_D = 0,7 Volt. Dan sebaliknya pada saat tegangan input bertegangan setengah gelombang negatif maka dioda D₁ tidak aktif sehingga tegangan di V_O = V_i.

(a)

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)

Gambar 44 (a) rangkaian dan bentuk gelombang  V_i dan V_O (b) dan (c) bentuk gelombang input dan output hasil simulasi dengan seri +V_dc dan –V_dc serta (d) dengan ±V_dc

2.4.4  Clamper [kembali]

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 V_C = V_i dan setengah gelombang negatif maka dioda tidak aktif dan C membuang sebesar V_C ke tahanan R sehingga V_R = 2 V_i = V_i +V_C.

(a)

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 V_O 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 V_O = V_dc = -5 Volt (misal dioda ideal V_F=0 Volt) serta,

 

Dan saat tegangan input setengah gelombang positif maka dioda tidak aktif dan kapasitor C (V_C = 10 Volt) membuang sehingga,

2.4.5  Dioda Zener [kembali]

Dioda zener saat ‘on’ bertegangan sebesar Vz dan saat ‘off’ bertegangan sebesar V_D 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 (V_D ≥ V_BD)  maka

Jika diberikan tegangan input setengah gelombang negatif maka dioda zener tidak aktif (berfungsi seperti dioda biasa aktif) sehingga,

(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 [kembali]

Rangkaian pengganda tegangan (Voltage Multiplier Circuit) adalah rangkaian yang dapat melipatgandakan keluaran tegangan outputnya dengan memanfaatkan prinsip kerja kapasitor seperti gambar 47.

Gambar 47 (a) rangkaian Voltage Multiplier (b) hasil simulasi bentuk gelombang output pada setengah siklus (c) hasil simulasi bentuk gelombang output pada satu siklus