DIODA IDEAL Karakteristik arus tegangan Gambar 1 Dioda

DIODA IDEAL Karakteristik arus – tegangan Gambar 1. Dioda ideal: (a) simbol rangkaian dioda; (b) karakteristik i – v; (c) rangkaian ekivalen arah ‘reverse’; (d) rangkaian ekivalen arah ‘forward’ 1

Gambar 1(a) adalah simbol dari dioda; gambar 1(b) adalah karakteristik arus – tegangan. Terminal positif dari dioda disebut anoda dan terminal negatif disebut katoda. Jika tegangan negatif dipasangkan pada dioda, tidak ada arus yang mengalir; dioda seperti hubung terbuka (gambar 1(c)). Keadaan ini disebut ‘reverse biased’. Jika tegangan positif dipasangkan pada dioda, tidak ada penurunan tegangan pada dioda; dioda seperti hubung singkat (gambar 1(d)). Keadaan ini disebut ‘forward biased’. Untuk membatasi arus pada dioda, diperlukan rangkaian luar seperti pada gambar 2. 2

Gambar 2. Dua mode operasi dioda ideal dan penggunaan rangkaian luar untuk membatasi arus (a) dan tegangan reverse (b) 3

Aplikasi sederhana dari dioda. Penyearah: Rangkaian terdiri dari sebuah dioda dan sebuah resistor (gambar 3(a)). Tegangan masukan vi adalah tegangan sinusoida (gambar 3(b)). Selama setengah gelombang positif dari sinyal masukan, dioda dalam keadaan forward biased. Penurunan tegangan pada dioda kecil sekali, idealnya nol. Rangkaian penggantinya seperti terlihat pada gambar 3(c). Tegangan keluaran sama dengan tegangan masukan. Selama setengah gelombang negatif dari sinyal masukan, dioda tidak terhubung (reverse biased). Rangkaian penggantinya seperti terlihat pada gambar 3(d). Tegangan keluaran sama dengan nol. Tegangan keluaran terlihat pada gambar 3(e). 4

Figure 3 (a) Rangkaian penyearah. (b) Bentuk gelombang masukan. (c) Rangkaian ekivalen ketika v. I 0. (d) Rangkaian ekivalen ketika v. I ≤ 0. (e) Bentuk gelombang keluaran. 5

Contoh soal 1: Gambar 4(a) menunjukkan sebuah rangkaian untuk mengisi sebuah batere 12 V. Jika vs adalah sebuah gelombang sinusoida yang mempunyai amplitudo 24 V, carilah bagian dari setiap perioda dimana dioda terkonduksi. Hitung juga harga puncak arus dioda dan harga maksimum tegangan balik yang muncul pada terminal dioda Gambar 4. Rangkaian dan bentuk gelombang contoh soal 1 6

Jawab: Dioda terkonduksi ketika vs melebihi 12 V, seperti yang terlihat pada gambar 4(a). Sudut konduksi = 2θ, dimana: 24 cos θ = 12 Jadi θ = 60° dan sudut konduksi = 120°, atau sepertiga dari perioda. Harga puncak dari arus dioda: Harga tegangan balik yang muncul pada terminal dioda terjadi pada saat vs mencapai harga puncak negatif dan sama dengan 24 +12 = 36 V 7

Gerbang logik dioda Figure 5. Gerbang logik dioda: (a) Gerbang OR; (b) Gerbang AND (dalam sistem logik positif). 8

Contoh soal 2: Asumsikan dioda adalah dioda ideal, carilah harga I dan B dari rangkaian pada gambar 6. Gambar 4. Rangkaian dan bentuk gelombang contoh soal 2 9

Jawab: Dalam menyelesaikan soal, pertama buat asumsi, kemudian buat analisis berdasarkan asumsi ini dan periksa apakah asumsi ini benar. Untuk rangkaian pada gambar 6(a), asumsikan kedua dioda terkonduksi → VB = 0 dan V = 0, maka arus melalui D 2: Persamaan simpul pada B: Jadi I = 1 m. A dan V = 0 V 10

Untuk rangkaian pada gambar 6(b), asumsikan kedua dioda terkonduksi, maka VB = 0 dan V = 0. Arus pada D 2: Persamaan simpul pada B: Asumsi awal kita salah. Ulangi lagi, asumsikan D 1 ‘off’ dan I 2 ‘on’. Arus ID 2 11

Dan tegangan pada B: VB = -10 + 10 X 1, 33 = +3, 3 V Karakteristik terminal dari dioda Gambar 7 menunjukkan karakteristik terminal dari dioda. Kurva karakteristik terbagi dalam tiga daerah: 1. daerah forward-bias, ditentukan oleh v > 0 2. daerah reverse-bias, ditentukan oleh v < 0 3. daerah breakdown, ditentukan oleh v < -VZK 12

Gambar 7. Karakteristik arus – tegangan sebuah dioda silikon 13

Gambar 8. Hubungan arus – tegangan sebuah dioda dengan sebagian skala diperbesar dan sebagian lainnya diperkecil 14

Daerah forward-bias Hubungan arus – tegangan pada daerah forward bias: IS disebut juga arus skala yang berbanding lurus dengan luas permukaan ‘junction’ dari sebuah dioda. Arus ini merupakan fungsi dari suhu. IS berlipat dua setiap kenaikan suhu 5°C. Pada suhu kamar, harga VT adalah 25, 2 m. V. Pada persamaan dioda, harga n berkisar antara 1 dan 2, tergantung 15 dari bahan dan struktur fisik dari dioda.

Hubungan arus – tegangan dari dua buah dioda yang berbeda 16

Persamaan (5) menunjukkan bahwa untuk perubahan arus 10 kali, penurunan tegangan pada dioda akan berubah sebesar 2, 3 n. VT yang kira-kira sama dengan 60 m. V untuk n = 1 dan 120 m. V untuk n = 2. Pada gambar 8 terlihat, pada daerah forward bias, arus sangat kecil untuk tegangan lebih kecil dari 0, 5 V. Harga ini disebut tegangan cutin. Agar dioda benar-benar terhubung, penurunan tegangan pada dioda antara 0, 6 V – 0, 8 V. Umumnya penurunan tegangan pada dioda kira 0, 7 V. Karena IS dan VT merupakan fungsi dari temperatur, karakteristik arus – tegangan forward akan berubah dengan adanya perubahan suhu. (lihat gambar 8). Untuk arus dioda yang tetap, penurunan tegangan pada dioda menurun kira-kira 2 m. V untuk setiap kenaikan suhu 1°C. Perubahan tegangan dioda karena suhu, dapat dipakai dalam perancangan termometer elektronik. 17

Gambar 9. Pengaruh suhu pada karakteristik arus – tegangan pada dioda di daerah forward bias. 18

Daerah reverse bias Dari persamaan (1), jika v negatif dan harganya beberapa kali lebih besar dari VT (25 m. V), arus dioda menjadi: i ≈ -IS Pada kenyataannya besarnya arus pada daerah reverse bias jauh lebih besar dari arus jenuh. Jika sebuah dioda mempunyai arus jenuh pada orde antara 10 -15 A – 10 -14 A, arus balik pada orde 1 n. A. Arus inipun meningkat dengan meningkatnya tegangan balik. Sebagian besar dari arus balik ini karena efek kebocoran. Arus kebocoran berbanding lurus dengan luas junction. Arus menjadi dua kali pada setiap kenaikan suhu 10°C. 19

Daerah breakdown Dioda memasuki daerah breakdown, jika besaran tegangan balik melebihi tegangan ambang dari sebuah dioda, yang disebut tegangan breakdown, VZK. Pada daerah breakdown, arus balik meningkat secara cepat dengan perubahan tegangan yang sangat kecil. Tegangan breakdown tidak merusak dioda, jika daya disipasi dibatasi pada level aman oleh rangkaian luar. Hubungan arus – tegangan pada daerah breakdown hampir merupakan garis vertikal. Karakteristik ini dapat dipakai dalam pengatur tegangan. 20

Pemodelan karakteristik dioda pada daerah forward bias Gambar 10. Rangkaian sederhana yang digunakan untuk menganalisis dioda dalam keadaan forward bias. 21

Model eksponensial Ini adalah model yang paling akurat dan merupakan yang paling sukar digunakan. Perhatikan gambar 10. Asumsikan VDD > 0, 5 V, arus dioda >> IS, hubungan arus dan tegangan dinyatakan dalam persamaan (6). Berdasarkan persamaan loop Kirchhoff: Asumsikan parameter dioda n dan IS diketahui, persamaan (6) dan (7) adalah dua persamaan dengan dua nilai yang tidak diketahui, ID dan VD. Dua cara untuk menyelesaikannya adalah dengan analisis grafik dan analisis iteratif. 22

Analisis grafik menggunakan model eksponensial Gambar 11. Analisis grafik dari rangkaian pada gambar 9 menggunakan model eksponensial 23

Analisis iterative menggunakan model eksponensial Contoh soal 3: Tentukan arus ID dan tegangan dioda VD pada rangkaian di atas dengan VDD= 5 V dan R = 1 kΩ. Asumsikan dioda mempunyai arus 0, 1 m. A pada tegangan 0, 7 V dan tegangan menurun 0, 1 V setiap kenaikan arus 10 kali. Jawab: Asumsikan VD = 0, 7 V dan gunakan persamaan (7) untuk menentukan arus: 24

Gunakan persamaan (5) untuk mendapatkan harga yang lebih baik Pada kasus ini 2, 3 n. VT = 0, 1 V, maka Gantikan V 1 = 0, 7 V, I 1 = 1 m. A dan I 2 = 4, 3 m. A menghasilkan V 2 = 0, 763 V Iterasi pertama menghasilkan ID = 4, 3 m. A dan VD = 0, 763 V. Iterasi kedua dengan menggunakan cara yang sama menghasilkan: 25

Model garis lurus Kurva eksponensial didekati dengan dua buah garis lurus, garis A mempunyai kemiringan sama dengan nol dan garis B mempunyai kemiringan 1/r. D i. D = 0, v. D ≤ VD 0 (8) i. D = (v. D – VD 0)/r. D, v. D ≥ VD 0 Gambar 12. Model garis lurus. 26

Rangkaian pengganti model garis lurus terlihat pada gambar 12. Model ini dikenal juga dengan model batere-ditambah-resistansi Gambar 13. Model garis lurus dari karakteristik dioda di daerah forward dan rangkaian ekivalennya. 27

Contoh soal 4: Ulangi soal pada contoh soal 3 menggunakan model garis lurus dengan parameter yang diberikan pada gambar 12: VD 0 = 0, 65 V dan r. D = 20 Ω. Jawab: Rangkaian pengganti terlihat pada gambar 14: Gambar 14. Rangkaian pengganti dengan model garis lurus. 28

29

Model Penurunan Tegangan Konstan Kurva eksponensial didekati dengan dua buah garis lurus, garis A mempunyai kemiringan sama dengan nol dan garis B yang vertikal. Gambar 15. Model penurunan tegangan konstan 30

Gambar 16. Model karakteristik dioda dan rangkaian ekivalennya. 31

Untuk rangkaian pada contoh soal 3 dan 4, jika diselesaikan dengan menggunakan model penurunan tegangan tetap, akan diperoleh: VD = 0, 7 V Model dioda ideal Untuk aplikasi yang melibatkan tegangan jauh lebih besar dari penurunan tegangan dioda (0, 6 – 0, 8 V), dapat digunakan model dioda ideal. Untuk contoh yang sama akan diperoleh: VD = 0 V 32

Model sinyal kecil Gambar 17. Rangkaian pengganti model sinyal kecil dan karakteristik arus 33 tegangan

Dioda dimodelkan dengan sebuah resistor yang berbanding terbalik dengan tan-1 dari sudut pada titik prategangan pada kurva hubungan arus – tegangan. Lihat gambar 17 a. Dioda dicatu dengan sumber tegangan dc, VD, dan sinyal ac, vd(t). Tanpa sinyal vd(t), tegangan dioda sama dengan VD. Arus dioda: Dengan adanya sinyal vd(t), tegangan sesaat pada dioda: v. D(t) = VD + vd(t) (10) 34

Arus dioda sesaat menjadi: Jika amplitudo sinyal vd(t) cukup kecil: Maka: 35

Ini disebut pendekatan sinyal kecil dan berlaku untuk sinyal yang mempunyai amplitudo kira-kira 10 m. V. (Ingat VT = 25 m. V) Dari persamaan 10 diperoleh: Jadi penumpangan pada arus dc ID, diperoleh komponen arus sinyal yang proporsional dengan tegangan sinyal vd(t): i. D = I D + i d (16) Dimana 36

Konduktansi sinyal kecil dioda: Resistansi sinyal kecil dioda berbanding terbalik dengan arus prategangan ID. Dan hargai ini merupakan kebalikan harga kemiringan pada titik kerja Q Keuntungan menggunakan model ini: analisis sinyal kecil dapat dipisahkan dari analisis bias dc. 37

Contoh soal 5: Pada rangkaian pada gambar 18(a), R = 10 kΩ. Catu daya V+ mempunyai harga dc = 10 V yang ditumpangi sinyal ac 60 Hz dengan amplitudo = 1 V. (sinyal ini dikenal dengan ‘power-supply ripple’. Hitunglah tegangan dc pada dioda dan amplitudo dari gelombang sinusoida yang muncul pada dioda. Asumsikan dioda mempunyai penurunan tegangan 0, 7 V pada arus 1 m. A dan n = 2. Jawab: 38

Gambar 18. (a) Rangkaian contoh soal 5, (b) rangkaian untuk menghitung titik kerja dc, (c) rangkaian ekivalen sinyal kecil. 39

Penggunaan dioda untuk mengatur tegangan Pengatur tegangan adalah sebuah rangkaian yang tujuannya adalah menyediakan tegangan dc yang konstan pada terminal keluarannya, walaupun: 1. Adanya perubahan arus yang diambil dari terminal keluaran pengatur tegangan. 2. Adanya perubahan catu daya dc pada rangkaian pengatur tegangan. Contoh soal 6: Perhatikan rangkaian pada gambar 19. 3 buah dioda dihubungkan seri digunakan untuk mendapatkan tegangan tetap 2, 1 V. Hitung prosentase perubahan pada pengatur tegangan yang disebabkan oleh: a. Perubahan pada catu daya sebesar ± 10% b. Terhubung ke beban yang beresistansi 10 kΩ Asumsikan n=2 40

Gambar 19. Rangkaian untuk contoh soal 6 41

Jawab: Tanpa beban, harga arus nominal pada dioda: Setiap dioda mempunyai resistansi sinyal kecil: Untuk n = 2 Untuk ketiga dioda, resistansi sinyal kecil: r = 3 rd = 18, 9 Ω 42

Dengan adanya perubahan ± 10% pada catu daya, perubahan pada tegangan keluaran = ± 18, 5% atau ± 0, 9%. Karena perubahan ini kira-kira = ± 6, 2 m. V per dioda, maka penggunakan model dioda sinyal kecil dapat dibenarkan. Ketika beban 1 kΩ dihubungkan ke rangkaian dioda, beban ini akan mengambil arus 2, 1 m. A. Akibatnya akan ada penurunan tegangan pada dioda sebanyak: Δv. O = -2, 1 x r = -2, 1 x 18, 9 = -39, 7 m. V Penurunan pada setiap dioda kira-kira 13, 2 m. V, pemakaian model sinyal kecil tidak sepenuhnya ‘valid’. 43

Ringkasan: Model eksponensial Catatan: IS= 10 -12 A - 10 -15 A tergantung dari luas junction VT≈ 25 m. V n = 1 sampai 2 Model yang paling akurat 44

Model garis lurus • Untuk v. D ≤ VD 0: i. D = 0 • Untuk v. D ≥ VD 0: i. D = (v. D – VD 0)/r. D 45

Model penurunan tegangan yang konstan Untuk i. D > 0 : v. D = 0, 7 V 46

Model Dioda Ideal Untuk i. D > 0 : v. D = 0 47

Model Sinyal Kecil • Untuk sinyal kecil yang ditumpangkan pada VD dan ID : id = vd/rd rd = n. VT/ID (Untuk n=1, vd maks = 5 m. V Untuk n=2, vd maks = 10 m. V) Catatan: Berguna untuk mencari komponen tegangan dari dioda Dipakai sebagai dasar pemodelan sinyal kecil transistor 48

Dioda Zener Gambar 20. Simbol rangkaian Dioda Zener Gambar 21. Karakteristik i – v dioda pada daerah breakdown 49

Pada grafik karakteristik i – v terlihat bahwa pada arus lebih besar dari ‘knee current’, kurva hampir merupakan garis lurus. Data yang diberikan oleh pabrik biasanya menunjukkan tegangan dioda zener VZ pada arus test IZT. Pada grafik terlihat pada titik Q. Jika arus bergeser dari arus test IZT, tegangan pada dioda akan sedikit berubah. r. Z adalah kebalikan dari kemiringan garis singgung pada titik Q. r. Z dikenal juga dengan ‘incremental resistance’ atau ‘dynamic resistance’. Harga r. Z berkisar antara beberapa ohm sampai beberapa kilo ohm. Pada data yang diberikan oleh pabrik selain VZ, IZT, r. Z dan IZK, juga ada data mengenai daya disipasi maksimum. 50

VZ = VZ 0 + r. ZIZ (20) Berlaku untuk IZ > IZK Gambar 22. Model dioda zener 51

Contoh soal 7: Penggunaan dioda zener sebagai ‘shunt regulator’ Sebuah dioda zener mempunyai spesifikasi: VZ = 6, 8 V pada IZ = 5 m. A, r. Z = 20Ω dan IZK = 0, 2 m. A. Tegangan sumber V+ = 10 V dengan penyimpangan ± 1 V. Carilah: a. VO jika tidak ada beban dan V+ pada harga nominal b. Perubahan harga VO jika ada perubahan ± 1 V pada V+. (ΔVO/ΔV+ disebut line regulation) c. Perubahan pada VO jika terhubung pada beban RL yang menghasilkan arus IL= 1 m. A. (ΔVO/ΔIL disebut load regulation) d. Harga VO jika RL= 2 kΩ e. Harga VO jika RL= 0, 5 kΩ f. Harga RL minimum agar dioda masih bekerja di daerah breakdown. 52

Gambar 23. (a) rangkaian contoh soal 7. (b) rangkaian dengan rangkaian pengganti dioda zener. 53

Jawab: Tentukan harga VZ 0 dari dioda zener. VZ = VZ 0 + rz. IZ VZ 0 = 6, 8 V – 20 x 5 m. A = 6, 7 V a. Tanpa beban: 54

b. Untuk perubahan ± 1 V pada V+, perubahan pada tegangan keluaran: Line regulation = 38, 5 m. V c. Terhubung dengan beban RL yang menarik arus IL = 1 m. A, arus pada zener menurun 1 m. A. 55

d. Ketika dihubungkan dengan beban 2 kΩ Perhitungan ini hanya pendekatan, karena tidak mengabaikan perubahan arus I. untuk mendapatkan hasil yang lebih akurat dapat menggunakan rangkaian pengganti pada gambar 23(b). Analisis ini menghasilkan ΔVO = 70 m. V 56

e. Untuk RL = 0, 5 kΩ Hal ini tidak mungkin karena arus I yang melalui R hanya 6, 4 m. A (V+ =10 V), akibatnya zener ‘cut off’. Maka tegangan VO akan ditentukan dengan menggunakan pembagian tegangan antara R dan RL. Tegangan ini lebih kecil dari tegangan breakdown, artinya dioda tidak bekerja pada daerah breakdown 57

f. Agar zener tetap bekerja pada daerah breakdown. 58

Efek suhu Ketergantungan tegangan zener pada suhu ditentukan dengan koefisien suhu atau TC atau temco yang dinyatakan dengan m. V/°C. Harga TC tergantung dari: – Tegangan zener – Arus operasi VZ < 5 V → TC yang negatif, VZ > 5 V → TC yang positif. TC dari sebuah dioda zener yang mempunyai VZ = 5 V dapat dibuat 0 dengan mengoperasikan dioda pada arus tertentu. Untuk mendapatkan tegangan rujukan yang mempunyai TC rendah adalah dengan menghubungkan dioda zener yang mempunyai TC positif kira-kira 2 m. V/°C secara seri dengan dioda yang bekerja di daerah forward. Dioda yang bekerja di daerah forward mempunyai penurunan tegangan ≈ 0, 7 V dan mempunyai TC -2 m. V/°C. Hubungan ini mempunyai tegangan (VZ+ 0, 7) dengan TC = 0 59

Rangkaian penyearah Gambar 24. Diagram blok sebuah catu daya dc Gambar di atas adalah diagram blok dari rangkaian penyearah dari tegangan jala-jala 120 -V (rms) dengan frekuensi 60 Hz menjadi tegangan dc (biasanya antara 5 – 20 V) yang digunakan untuk mencatu beban. Tegangan keluaran VO yang dihasilkan harus tetap konstan walaupun ada variasi pada catu ac dan pada arus yang diperlukan oleh beban. Diagram blok terdiri dari: 1. Trafo daya. 2. Rangkaian penyearah dioda 3. Filter 4. Pengatur tegangan 60

Penyearah setengah gelombang Pada rangkaian ekivalen digunakan model dioda garis lurus. Dalam memilih dioda untuk penyearah ada dua parameter penting yang harus diperhatikan: a. Kemampuan dioda membawa arus, ditentukan oleh arus maksimum yang mungkin di saat dioda terhubung. b. Peak inverse voltage (PIV), ditentukan oleh tegangan terbalik maksimum yang mungkin ada di antara terminal dioda. PIV = Vs Biasanya dipilih dioda yang mempunyai tegangan breakdown 50% lebih besar dari PIV 61

Gambar 25. (a) penyearah setengah gelombang, (b) rangkaian ekivalen penyearah setengah gelombang, (c) karakteristik transfer rangkaian penyearah, 62 (d) bentuk gelombang masukan dan keluaran, asumsikan ro << R

Penyearah gelombang penuh Gambar 26 Penyearah gelombang penuh menggunakan trafo yang di-tap di tengah. 63

Cara kerja: Jika tegangan jala-jala pada lilitan primer positif, kedua sinyal yang berlabel v. S akan positif. D 1 akan terhubung dan D 2 akan reverse biased. Arus mengalir pada D 1 akan mengalir melalui R dan kembali ke tengah-tengah lilitan sekunder. Rangkaian merupakan penyearah setengah gelombang. Ketika tegangan jala-jala negatif, kedua sinyal yang berlabel v. S akan negatif. D 1 akan ‘cut off’ dan D 2 akan terhubung. Arus mengalir pada D 2 akan mengalir melalui R dan kembali ke tengah-tengah lilitan sekunder. Rangkaian merupakan penyearah setengah gelombang. Catatan: arus yang mengalir melalui R selalu mempunyai arah yang sama, jadi v. O akan unipolar. Untuk menghitung PIV: Pada saat setengah siklus positif, D 1 terhubung dan D 2 ‘cut off’. Tegangan pada katoda D 2 adalah v. O dan pada anoda –v. S. Jadi tegangan balik pada dioda D 2 akan menjadi (v. O + v. S), yang akan mencapai nilai maksimum pada harga (Vs – VD) dan v. S akan mencapai puncak pada Vs, jadi: PIV = 2 Vs – VD 64

Penyearah Jembatan Gambar 27. Penyearah jembatan (a) rangkaian (b) bentuk gelombang masukan dan keluaran 65

Cara kerja: Pada setengah siklus positif sinyal masukan, v. S positif, dan arus mengalir melalui D 1, resistor R, dan dioda D 2, sedangkan D 3 dan D 4 dalam keadaan reverse biased. Dalam jalur ini ada dua dioda yang terhubung seri sehingga v. O akan lebih rendah dari v. S sebanyak dua penurunan tegangan dioda. Pada setengah siklus negatif sinyal masukan, v. S akan negatif, sehingga –v. S akan positif, dan arus mengalir melalui D 3, R, dan D 4, sedangkan D 1 dan D 2 dalam keadaan reverse biased. Catatan: pada kedua kondisi, arus mengalir dengan arah yang sama, sehingga v. O selalu positif. Untuk menghitung PIV, perhatikan rangkaian pada setengah siklus positif. Tegangan balik pada dioda D 3 dapat ditentukan pada loop yang dibentuk oleh D 3, R, dan D 2: v. D 3 (reverse) = v. O + v. D 2 (forward) Harga maksimum dari v. D 3 terjadi pada puncak v. O, jadi: PIV = Vs – 2 VD + VD = Vs – VD 66

Penyearah dengan sebuah kapasitor filter – Penyearah Puncak Gambar 28. (a) rangkaian sederhana yang menunjukkan efek dari kapasitor filter (b) bentuk gelombang masukan dan keluaran 67

Cara kerja: Sinyal masukan vi adalah sinyal sinusoida dengan amplitudo Vp dan asumsikan dioda adalah dioda ideal. vi positif → dioda terhubung dan kapasitor terisi dan v. O = v. I. Keadaan ini berlangsung terus sampai v. I mencapai Vp. Setelah sinyal masukan mencapai puncak, v. I menurun, dioda dalam keadaan reverse biased, dan tegangan keluaran tetap pada Vp. Harga ini akan tetap konstan, karena tidak ada jalur untuk pengosongan kapasitor. Jadi rangkaian menghasilkan tegangan keluaran sama dengan amplitudo sinyal masukan sinusoida. Pada keadaan praktis, rangkaian dihubungkan dengan beban R paralel dengan C seperti yang terlihat pada gambar 29 68

Gambar 29 Bentuk gelombang arus dan tegangan pada rangkaian penyearah puncak dengan CR >> T 69

Cara kerja: Asumsikan dioda adalah dioda ideal. Dengan sinyal masukan sinusoida, kapasitor akan terisi sampai tegangan mencapai Vp. Kemudian dioda menjadi ‘cut off’, kapasitor akan dikosongkan melalui resistansi beban R. Pengosongan kapasitor akan berlangsung sampai v. I lebih tinggi dari tegangan pada kapasitor. Dioda akan terhubung lagi dan mengisi kapasitor sampai Vp. Proses ini akan berulang. Agar penurunan tegangan keluaran tidak terlalu besar selama pengosongan kapasitor, harga CR jauh lebih besar dari interval pengosongan. Gambar 29(b) adalah bentuk gelombang masukan dan keluaran dengan asumsi CR >> T, di mana T adalah perioda dari sinyal masukan sinusoida. 70

Arus pada beban: i. L = v. O/R (23) Arus pada dioda: Catatan: 1. Dioda terhubung pada interval yang singkat, Δt. 2. Asumsikan dioda ideal, dioda mulai terhubung pada t 1, pada saat v. I = v. O. Dioda ‘off’ pada t 2. Harga t 2 dapat dicari dari persamaan di atas dengan i. D = 0 3. Selama dioda ‘off’, kapasitor C discharge melalui R, dan v. O berkurang secara eksponensial dengan konstanta waktu CR. Selang discharge mulai beberapa saat setelah amplitudo v. I. Pada akhir selang discharge, v. O = Vp – Vr, Vr adalah tegangan ripple puncak-ke-puncak. Ketika CR >> T, Vr kecil. 71

4. Jika Vr kecil, v. O ≈ v. I, sehingga tegangan keluaran dc hampir sama dengan Vp dan i. L hampir konstant, dan IL akan sama dengan: Untuk mendapatkan tegangan keluaran dc yang lebih akurat, dapat diperoleh dengan mencari harga rata-rata dari v. O VO = Vp – ½ Vr (27) Selama selang pengosongan kapasitor: Pada akhir selang pengosongan: 72

Dengan menggunakan persamaan 29 b dan asumsi bahwa dioda berhenti terkonduksi pada saat mendekati puncak v. I, maka Δt dapat diperoleh dari: 73

Untuk menentukan arus dioda rata-rata selama konduksi, i. Dav: 74

Arus dioda maksimum dapat diperoleh dari persamaan 25 pada awal konduksi, yaitu pada t = t 1 = -Δt. Asumsikan bahwa arus IL hampir konstan pada harga yang diberikan pada persamaan 26, diperoleh: Dari persamaan 31 dan 32 diperoleh: untuk Vr << Vp, IDmax ≈ 2 IDav. 75

Penyearah gelombang penuh dapat diubah menjadi penyearah puncak dengan menambahkan kapasitor paralel dengan beban. Dalam hal ini frekuensi sinyal ripple akan dua kali frekuensi sinyal masukan. Gambar 30. Bentuk gelombang pada penyearah puncak gelombang penuh 76

Frekuensi ripple akan dua kali frekuensi masukan. Tegangan ripple puncak-ke-puncak, dapat diperoleh dengan cara yang sama, tetapi perioda pengosongan T diganti dengan T/2, sehingga: Dan arus rata-rata dan arus maksimum dioda: Jadi untuk Vp, f, R dan Vr yang sama, diperlukan kapasitor yang berukuran setengah dari kapasitor pada penyearah setengah gelombang. 77

Penyearah setengah gelombang yang presisi – Dioda super Gambar 31. Dioda super dan karakteristik transfer ideal. 78

Dioda super digunakan untuk menyearahkan sinyal yang kecil (pada orde 100 m. V) atau yang memerlukan presisi yang tinggi. Dioda super terdiri dari op-amp dengan dioda ditempatkan pada jalur umpan balik negatif dan R merupakan resistansi beban. Cara kerja: Jika v. I positif, tegangan keluaran op-amp v. A akan positif dan dioda akan terhubung, sehingga membentuk jalur umpan balik tertutup antara terminal keluaran op-amp dengan terminal masukan negatif. Jalur umpan balik negatif ini akan menyebabkan hubung singkat semu di antara kedua terminal masukan. Jadi tegangan pada terminal masukan negatif yang sama dengan tegangan keluaran akan sama dengan tegangan masukan pada terminal masukan positif. v. O = v. I ≥ 0 Op-amp dapat beroperasi dengan v. I hanya sedikit lebih besar dari penurunan tegangan dioda dibagi dengan penguatan op-amp loop terbuka. 79

Jadi transfer karakteristik v. O – v. I yang berupa garis lurus hampir melalui titik nol, sehingga rangkaian ini cocok digunakan untuk sinyal yang sangat kecil. Ketika tegangan v. I negatif, tegangan keluaran op-amp v. A akan menjadi negatif. Hal ini akan menyebabkan dioda dalam keadaan reverse biased, tidak ada arus yang melalui R, sehingga v. O sama dengan nol. Jadi untuk v. I < 0, v. O = 0, dan op-amp bekerja dalam mode loop terbuka. 80

Rangkaian Pembatas dan Penjepit – Limiting and Clamping Circuits Rangkaian Pembatas Gambar 32. Karakteristik transfer rangkaian pembatas 81

L-/K ≤ vi ≤ L+/K → rangkaian pembatas beroperasi seperti rangkaian linier vo = K vi K ≤ 1 : pembatas pasif Jika vi ≥ L+/K, keluaran akan dibatasi oleh pembatas L+. Jika vi ≤ L-/K, keluaran akan dibatasi oleh pembatas bawah LKarakteristik transfer pada gambar 33 menunjukkan sebuah pembatas ganda atau ‘double limiter’ yaitu yang membatasi kedua puncak, positif dan negatif. Karakteristik seperti ini juga dikenal sebagai karakteristik pembatas keras atau hard limiter. Sebuah masukan sinusoida dipasangkan ke sebuah pembatas ganda, kedua puncaknya akan terpotong. Oleh sebab itu rangkaian pembatas disebut juga rangkaian pemotong atau clipper. 82

Gambar 33. Sinyal sinusoida dipasangkan pada rangkaian pembatas. Gambar 34. Soft limiting 83

Macam-macam rangkaian pembatas Gambar 35. Macam-macam rangkaian pembatas 84

Pada rangkaian ini dipakai model dioda penurunan tegangan tetap (VD = 0, 7). Untuk rangkaian pada gambar 35(a): v. I < 0, 5 V, dioda ‘cut off’, penurunan tegangan pada R = 0 → v. O = v. I > 0, 5 V, dioda ‘on’, v. O = penurunan tegangan satu dioda (0, 7 V). Untuk rangkaian pada gambar 35(b): Sama seperti rangkaian pada gambar 35(a) hanya diodanya kebalikannya. Rangkaian pembatas dobel dapat diimplementasikan dengan menggunakan dua dioda yang mempunyai polaritas berlawanan seperti pada gambar 35(c). Pada rangkaian ini daerah linier dari karakteristik diperoleh untuk -0, 5 V ≤ v. I ≤ 0, 5 V. Pada selang ini kedua dioda ‘off’ dan v. O = v. I. Jika v. I melebihi 0, 5 V, D 1 ‘on’, dan membatasi tegangan v. O +0, 7 V, dan jika v. I kurang dari -0, 5 V, D 2 dan membatasi tegangan v. O -0, 7 V. 85

Tegangan ambang dan tingkat kejenuhan dari dioda dapat diatur dengan menggunakan rantai dioda atau dengan menghubungkan seri dioda dengan sumber tegangan dc seperti pada gambar 35(d). Cara lain dengan menggunakan dua buah dioda zener yang dihubungkan seri, seperti pada gambar 35(e). Jika v. I positif, v. O akan dibatasi oleh tegangan (VZ 2 + 0, 7). Pada kondisi ini Z 2 bertindak sebagai zener dan Z 1 forward bias. Jika v. I negatif, v. O akan dibatasi oleh tegangan (VZ 1 + 0, 7). Pada kondisi ini Z 1 bertindak sebagai zener dan Z 2 forward bias. Rangkaian ini dikenal dengan nama double-anode zener. 86

Clamped Capacitor atau DC Restorer Jika pada rangkaian penyearah puncak, keluaran diambil pada terminal dioda maka akan menghasilkan aplikasi penting yang disebut ‘dc restorer’ seperti yang terlihat pada gambar 36. Gambar 36. Clamped Capacitor atau dc restorer. 87

Cara kerja: Karena polaritas dioda terhubung sedemikian rupa maka kapasitor akan terisi sampai tegangan v. C seperti yang terlihat pada gambar 36 dan besarnya sama dengan amplitudo negatif dari sinyal masukan. Selanjutnya dioda ‘off’ dan tegangan pada kapasitor akan konstan. Jika masukan sinyal segiempat mempunyai tegangan maksimum -6 V dan +4 V, maka v. C akan sama dengan 6 V. Tegangan keluaran v. O: v. O = v. I + v. C Bentuk gelombangnya akan sama hanya tergeser ke atas sebanyak v. C. Cara lain melihat cara kerja rangkaian ini adalah, karena dioda terhubung sedemikian, maka akan mencegah tegangan keluaran lebih rendah dari 0 V. Jadi bentuk gelombang keluaran mempunyai harga terendah 0 V atau terjepit pada tegangan 0 V. Itulah sebabnya rangkaian disebut rangkaian kapasitor penjepit. 88

Jika polaritas dioda dibalik, maka tegangan keluaran mempunyai tegangan maksimum 0 V. Salah satu aplikasi dari rangkaian ini adalah untuk mengembalikan komponen dc dari pulsa yang ditransmisikan lewat sistem accoupled atau capacitively-couple. Kopling kapasitif akan menyebabkan pulsa kehilangan komponen dc. Dengan memasukkan pulsa ini ke rangkaian penjepit akan memberikan kembali komponen dc yang hilang. Oleh sebab itulah rangkaian ini disebut rangkaian ‘dc-restorer’. Jika sebuah resistansi beban R terhubung paralel dengan dioda pada rangkaian penjepit, tegangan keluaran akan berubah. Ketika keluaran lebih tinggi dari ‘ground’, arus dc akan mengalir melalui R. Karena pada saat itu dioda dalam keadaan ‘off’, arus berasal dari kapasitor, sehingga terjadi pengosongan kapasitor dan tegangan keluaran menurun. Hal ini terlihat pada gambar 37 89

Gambar 37 Clamped capacitor dengan resistansi beban R 90

Selama selang t 0 – t 1, tegangan keluaran turun secara eksponensial dengan konstanta waktu CR. Pada t 1 masukan turun sebanyak Va volt, dan keluaran berusaha untuk mengikutinya. Hal ini menyebabkan dioda terhubung dan mengisi kapasitor. Pada akhir selang t 1 – t 2, tegangan keluaran akan beberapa persepuluh volt negatif ( -0, 5 V). Kemudian tegangan masukan meningkat sebanyak Va volt yang akan diikuti oleh keluaran dan seterusnya akan berulang. Pada keadaan mantap, muatan kapasitor yang hilang selama selang t 0 – t 1 akan diperoleh kembali selama selang t 1 – t 2. 91

Voltage Doubler Gambar 38 Voltage doubler (a) rangkaian (b) bentuk gelombang keluaran 92

Gambar 38 menunjukkan sebuah rangkaian yang terdiri dari dua bagian yang dihubungkan secara ‘cascade’: sebuah penjepit yang dibentuk oleh C 1 dan D 1, dan sebuah penyearah puncak yang dibentuk oleh D 2 dan C 2. Jika diberi masukan sinyal sinusoida dengan amplitudo Vp, bagian penjepit akan menghasilkan bentuk gelombang seperti pada gambar 38(b). Puncak positif akan dijepit pada tegangan 0 V dan puncak positif pada tegangan -2 Vp. Respons terhadap bentuk gelombang ini, bagian penyearah puncak akan menghasilkan tegangan dc 2 Vp pada kapasitor. Karena besaran tegangan keluaran dua kali tegangan masukan maka rangkaian disebut ‘voltage doubler’ 93

Operasi fisik dari dioda • Konsep dasar semikonduktor – Dioda semikonduktor adalah sebuah pn junction yang terdiri dari semikonduktor jenis –n dan semikonduktor jenis –p. – Daerah p dan n adalah bagian dari kristal silikon yang sama yang mempunyai doping yang berbeda. – pn junction juga merupakan elemen dasar dari transistor bipolar dan transistor efek medan (FET) Gambar 39. Struktur fisik sederhana dari dioda junction 94

Gambar 40. Two-dimensional representation of the silicon crystal. The circles represent the inner core of silicon atoms, with +4 indicating its positive charge of +4 q, which is neutralized by the charge of the four valence electrons. Observe how the covalent bonds are formed by sharing of the valence electrons. At 0 K, all bonds are intact and no free electrons are available for 95 current conduction.

Gambar 41 At room temperature, some of the covalent bonds are broken by thermal ionization. Each broken bond gives rise to a free electron and a hole, both of which become available for current conduction. 96

Gambar 42. A silicon crystal doped by a pentavalent element. Each dopant atom donates a free electron and is thus called a donor. The doped semiconductor becomes n type. 97

Gambar 43. A silicon crystal doped with a trivalent impurity. Each dopant atom gives rise to a hole, and the semiconductor becomes p type. 98

pn junction dalam kondisi hubung terbuka Gambar 44 (a) Dioda dalam keadaan hubung terbuka (b) Distribusi potensial sepanjang sumbu tegak lurus dengan junction 99

• Tanda ‘+’ pada bahan jenis –p menunjukkan pembawa mayoritas ‘holes’. • Muatan ‘holes’ dinetralkan oleh muatan negatif dari atom akseptor. • Tanda ‘-’ pada bahan jenis –n menunjukkan pembawa mayoritas ‘elektron’. • Muatan ‘elektron’ dinetralkan oleh muatan positif. • Arus difusi ID – Konsentrasi holes yang tinggi di daerah p dan yang rendah di daerah n menyebabkan holes merembas melalui ‘junction’ dari sisi p ke sisi n. – Sebaliknya, elektron merembas dari sisi n ke sisi p. – Jumlah kedua arus ini membentuk arus difusi ID dengan arah dari sisi p ke sisi n. 100

• Daerah deplesi – Holes yang merembas melalui junction ke daerah n akan berrekombinasi dengan mayoritas elektron di daerah n, sehingga holes ini menghilang demikian juga sebagian elektron bebas pada daerah n juga menghilang. – Sebagian dari muatan positif tidak lagi dinetralkan oleh elektron bebas. Muatan ini disebut ‘uncovered’ – Rekombinasi terjadi di dekat junction, sehingga ada daerah dekat junction yang kekurangan elektron bebas (depleted of free electrons) dan mengandung muatan positif yang ‘uncovered’ – Elektron yang merembas melalui junction ke daerah p akan berrekombinasi dengan mayoritas holes di daerah p, sehingga elektron ini menghilang demikian juga sebagian holes bebas pada daerah p juga menghilang. – Sebagian dari muatan negatif tidak lagi dinetralkan oleh holes. Muatan ini disebut ‘uncovered’ – Rekombinasi terjadi di dekat junction, sehingga ada daerah dekat junction pada daerah p yang kekurangan holes (depleted of holes) dan mengandung muatan negatif yang ‘uncovered 101

– Dari penjelasan di atas, daerah deplesi pembawa (carrierdepletion region) atau daerah deplesi akan terdapat di kedua sisi junction, pada sisi n bermuatan positif dan di sisi p bermuatan negatif. – Muatan pada ke dua sisi daerah deplesi akan menyebabkan adanya medan listrik pada daerah deplesi, sehingga ada perbedaan tegangan pada daerah deplesi, dengan tegangan positif pada sisi n dan tegangan negatif pada sisi p. – Perbedaan tegangan pada daerah deplesi merupakan penghalang (‘barrier’) yang harus diatasi oleh holes untuk berdifusi ke daerah n dan elektron berdifusi ke daerah p. – Makin besar tegangan penghalang, makin kecil jumlah pembawa yang dapat mengatasi ‘barrier’ sehingga makin kecil arus difusi. – Arus difusi tergantung pada perbedaan tegangan V 0 pada daerah deplesi. 102

• Arus drift IS dan keseimbangan – Selain komponen arus difusi ID, terdapat juga komponen arus drift yang disebabkan oleh pembawa minoritas. – Ada dua komponen arus drift, yaitu elektron yang bergerak dari bahan p ke bahan n dan holes yang bergerak dari bahan n ke bahan p. – Arah arus drift IS dari sisi n ke sisi p pada junction. – Karena arus drift disebabkan oleh pembawa minoritas yang dihasilkan secara termal, harganya sangat tergantung pada suhu, tetapi tidak tergantung pada harga tegangan pada daerah deplesi. – Pada kondisi hubung terbuka: ID = IS 103

• Tegangan pada junction NA = konsentrasi doping pada sisi p ND = konsentrasi doping pada sisi n VT = tegangan termal Jadi tegangan pada junction tergantung dari konsentrasi doping dan suhu. Pada suhu kamar, biasanya tegangan ini antara 0, 6 V – 0, 8 V. 104

• Lebar daerah deplesi – Daerah deplesi pada kedua sisi junction tergantung pada jumlah muatan (konsentrasi doping) pada kedua sisi. – Daerah deplesi akan lebih lebar pada sisi yang mempunyai doping lebih kecil. qxp. ANA = qxn. AND xp dan xn: lebar deplesi pada sisi p dan n A: luas penampang junction NA dan ND: konsentrasi doping pada sisi p dan n εs = permivity elektrik dari silicon = 11, 7 ε 0 = 1, 04 x 10 -12 F/cm Harga Wdep berkisar antara 0, 1 μm – 1 μm 105

pn junction di bawah kondisi ‘reverse bias’ Gambar 45 The pn junction excited by a constant-current source I in the reverse direction. To avoid breakdown, I is kept smaller than IS. Note that the depletion layer widens and the barrier voltage increases by VR volts, which appears between the terminals as a reverse voltage. 106

– Arus luar I mengalir dari bahan n ke bahan p – Elektron meninggalkan bahan n dan holes meninggalkan bahan p. – Elektron bebas yang meninggalkan bahan n menyebabkan meningkatnya ‘uncovered’ muatan positif. – Holes yang meninggalkan bahan p menyebabkan meningkatnya ‘uncovered’ muatan negatif. – Arus balik I akan menyebabkan meningkatnya lebar daerah deplesi dan juga muatan pada daerah deplesi. – Akibatnya tegangan pada junction meningkat – artinya tegangan penghalang meningkat – arus ID menurun. – Arus IS tidak tergantung dari tegangan penghalang, jadi arus IS tetap. – Pada keadaan seimbang: IS – ID = I, dan tegangan sama V 0 sama dengan tegangan VR – Pada keadaan steady ID kecil sekali sehingga I ≈ IS 107

pn junction pada daerah breakdown Gambar 46 The pn junction excited by a reverse-current source I, where I > IS. The junction breaks down, and a voltage VZ , with the polarity indicated, develops across the junction. 108

• Arus I > IS pada arah balik. • Melalui jalur luar, sumber arus akan memindahkan holes pada bahan p ke bahan n, dan memindahkan elektron dari bahan n ke bahan p. • Akibatnya makin banyak muatan ‘bound’ yang ‘uncovered’, sehingga daerah deplesi makin lebar dan tegangan penghalang makin tinggi yang mengakibatkan arus difusi makin kecil atau mendekati nol. • Keadaan steady tidak tercapai karena arus I > IS • Proses ini akan menyebabkan daerah deplesi makin lebar sampai terbentuk tegangan junction yang cukup tinggi. • Ada mekanisme baru diperlukan untuk mencatu muatan pembawa yang diperlukan untuk menunjang arus I. 109

• Ada 2 mekanisme breakdown – Effect Zener, VZ < 5 V. • Terjadi bila medan listrik pada lapisan deplesi meninggat pada titik di mana medan ini akan mematahkan ikatan kovalen dan menghasilkan pasangan elektron – holes. • Elektron akan tertarik pada sisi n dan holes akan tertarik ke sisi p. • Elektron dan holes ini menyebabkan arus balik pada junction yang menunjang arus luar. • Jika efek Zener terjadi, banyak muatan pembawa akan dihasilkan, tanpa ada penambahan tegangan junction. • Jadi arus balik pada daerah breakdown akan ditentukan oleh rangkaian luar, sedangkan tegangan pada terminal dioda akan tetap mendekati tegangan breakdown VZ 110

– Efek avalanche • Terjadi ketika pembawa minoritas yang melewati daerah deplesi karena pengaruh medan listrik mempunyai energi kinetik yang dapat memecahkan ikatan kovalen pada atom yang ditabraknya. • Pembawa yang terbentuk pada proses ini mempunyai energi yang tinggi yang dapat menyebabkan proses ionisasi berlanjut. • Proses avalanche disebabkan oleh rangkaian luar, dengan perubahan penurunan tegangan junction yang bisa diabaikan. – Breakdown pada pn junction tidak bersifat merusak dengan syarat disipasi daya tidak melebihi dari batas yang ditentukan. – Disipasi daya maksimum menentukan harga maksimum arus balik. 111

pn junction dalam kondisi ‘forward bias’ Gambar 47. The pn junction excited by a constant-current source supplying a current I in the forward direction. The depletion layer narrows and the barrier voltage decreases by V volts, which appears as an external voltage in the forward direction. 112

– Arus luar mencatu pembawa mayoritas pada ke dua sisi; holes ke bahan p dan elektron ke bahan n. – Pembawa mayoritas ini menetralkan muatan ‘uncovered’, sehingga jumlah muatan di daerah deplesi berkurang, akibatnya daerah deplesi menjadi lebih sempit dan tegangan penghalang menurun – Makin banyak holes yang mengalir dari bahan p ke bahan n dan makin banyak elektron mengalir dari bahan n ke bahan p – Arus difusi meningkat sampai mencapai keseimbangan: ID – I S = I 113

Gambar 48. Minority-carrier distribution in a forward-biased pn junction. It is assumed that the p region is more heavily doped than the n region; NA @ ND. 114

Jenis dioda khusus 1. Schottky-Barrier Diode (SBD) Terdiri dari metal yang ditempelkan ke semikonduktor yang mempunyai dopping jenis n. Metal – semiconductor junction mempunyai sifat seperti dioda dengan metal sebagai anoda dan semikonduktor sebagai katoda. Karakteristik i – v SBD sama dengan karakteristik dioda biasa dengan beberapa pengecualian; – SBD dapat di-switch (on – off) lebih cepat dari dioda biasa. – SBD mempunyai penurunan tegangan lebih kecil daripada dioda biasa (0, 3 – 0, 5 V) SBD dapat dibuat dari gallium arsenide (Ga. As) dan banyak ditemukan dalam rancangan TTL (transistor-transistor logic) 2. Varactor yaitu dioda khusus yang dipakai sebagai kapasitor dengan tegangan yang bervariasi. 115

3. Photodiodes adalah sebuah dioda yang bagian junctionnya dibuka, Jika dalam keadaan reverse-biased junction ini disinari akan menghasilkan arus yang disebut photocurrent. Arus ini sebanding dengan intensitas cahaya. Dioda ini digunakan untuk mengubah sinyal optik ke sinyal listrik. Dioda ini merupakan komponen yang penting dalam rangkaian optoelektronik atau photonic. Bila tidak diberi reverse bias, photodiode berfungsi sebagai solar cell. 116

4. Light-Emitting Diode (LED) mengubah arus forward menjadi cahaya. Proses rekombinasi di pn junction mengeluarkan cahaya yang sebanding dengan arus forward. LED banyak sekali dipakai sebagai alat peraga pada peralatan laboratorium dan peralatan elektronik. Selain itu LED dapat juga dirancang untuk menghasilkan cahaya yang koheren dengan lebar bidang yang sangat sempit. Dioda seperti ini disebut dioda laser. Kombinasi antara LED dan photodiode disebut optoisolator. Penggunaan optoisolator memberikan isolasi antara rangkaian listrik yang terhubung dengan masukannya dan rangkaian yang terhubung dengan keluarannya, sehingga dapat mengurangi interferensi pada transmisi sinyal dalam sistem. 117