Karakteristik Diode • •
Karakteri Karakteristik stik diode diode umumnya umumnya dinyatak dinyatakan an dengan dengan grafik grafik hubunga hubungan n antara tegangan pada diode versus arus yang melewatinya sehingga disebut karakteristik tegangan-arus (V-I) Secara Secara teoritis, teoritis, hubunga hubungan n antara antara teganga tegangan n dan arus diode diode dinyatakan oleh persamaan: V D /η V T
I D = I s (e
− 1)
Keterangan: ID=arus diode, positif jika di dalam diode arahnya dari anode ke katode Is=arus mundur jenuh (10 -8 s.d. 10-14 A) VT=tegangan kesetaraan suhu=
T
11 . 600
volt=
kT q
pada T=300 oK, VT=26mV dan pada T=273 oK,VT=25mV η= koefisien emisi, antara 1 sampai dengan 2 dan untuk silikon pada arus normal mendekati 2 e= bilangan natural=2,72
Karakteristik V-I Diode Secara Teoritik Dengan menggunakan persamaan karakteristik tersebut, dapat diperoleh tabel pengaruh tegangan diode (VD) terhadap arus yang melewatinya (I D) dengan asumsi Is=10nA, η=2, dan VT=26 mA sebagai berikut:
TEGA AN NG GAN MUNDUR
TEGA AN NG GAN MAJU AJU
VD(V)
ID(nA)
VD(V)
ID(nA)
0
0
0
0
-0,02
-3,19
0,01
2,12
-0,05
-6,18
0,02
4,69
-0,1
-8,54
0,1
58,5
-0,2
-9,79
0,2
459
-0,3
-9,97
0,3
3205
-0,4
-9,99
0,4
22011
-0,5
-10
0,5
150841
-0,6
-10
0,6
1033362
-0,7
-10
0,7
7078894
-0,8
-10
0,8
48492587 VD
-VD
ID
-ID V
R
V
Karakteristik V-I Diode Secara Teoritik Berdasarkan tabel di atas dapat digambarkan karakteristik diode seperti gambar di samping. Terlihat pada VD=0,6V nilai ID kira-kira 100.000 kali I s atau ID 1mA. Jika pada diode silikon ini arus sebesar 100 mA dianggap sedang, maka pada tegangan 0,6V arus sebesar 1mA adalah 1% terhadap 1% terhadap arus 100mA tersebut. Pada tegangan di bawah 0,6V arus ID kurang dari 1% sehingga VD=0,6V disebut tegangan ambang atau ambang atau threshold threshold atau atau cut-in cut-in atau offset atau brea atau break k point poi nt yang yang diberi lambang V lambang V . Definisi letak V γ tidak pasti karena di sekitar V γ kurvanya berupa garis lengkung dan tidak ada titik patah. Biasanya Vγ untuk diode silikon sekitar silikon sekitar 0,6V dan 0,6V dan untuk diode germanium kira-kira germanium kira-kira 0,2V 0,2V..
ID
V D / η V T
I D = I s (e
− 1)
≈
0,6V
IS
V γ
VD
Pengaruh Suhu Pada Karakteristik V-I Diode Menurut persamaan karakteristik di atas, perbedaan suhu T1 dan T2 dapat memberikan karakteristik yang berbeda seperti gambar di samping. 1. Jika diode pertemuan pertemuan pn diberi tegangan maju konstan, maka suhu yang semakin tinggi menyebabkan arus diode semakin tinggi berubah dari ID1 ke ID2. 2. Jika diberi arus konstan, konstan, kenaikan kenaikan suhu menyebabkan tegangan turun berubah dari VD1 ke VD2. Keadaan ini menjadikan diode pertemuan pn dapat dimanfaatkan sebagai sensor suhu.
T2>T1
ID
T1
ID2 ID konstan ID1 VD2
VD1 VD konstan
Karakteristik Diode Dalam Praktek ID
Tegangan Tegangan yang menyebabkan munculn ya arus arus mun dur yang sangat besar. Untuk di ode od e 1N4001 VBD=-50V, 1N4007 VBD=-1000V, BY127 VBD =-1250V, 1N914 VBD=-100V, dan 1N4148 VBD =-75V.
Vbreakdown VD
-VD V γ
-ID
Tegangan yang menyebabkan munculnya muncul nya arus arus maju sebesar 1% dari arus aru s nor n ormal, mal, 0,6 0,6 V untu un tuk k Si dan 0,2 tuk tu k G
Karakteristik Diode Dalam Praktek Pada saat terjadinya tegangan dadal (breakdown), daerah kosongnya lebar, dan arus yang bertambah cepat terjadi karena dua peristiwa yakni: 1. Zener breakdown Dengan adanya tegangan mundur yang relatif tinggi, medan listriknya dapat menarik keluar elektron dari ikatan kovalen sehingga terjadi pembentukan pasangan elektron dan hole sebagai pengangkut muatan, yang memungkinkan terjadinya arus mundur. 2. Avalance breakdown Peristiwa ini disebut juga tabrakan beruntuntun. beruntuntun. Elektron dan hole yang telah dibangkitkan dipercepat oleh medan listrik tinggi, karena kecepatannya tinggi menabrak ikatan kovalen sehingga menambah pembangkitan beruntun pasangan elektron-hole sehingga mempercepat pertambahan arus mundur.
Analisis Grafis Rangkaian Diode Diode adalah komponen non linear, sehingga hukum-hukum arus dan tegangan untuk komponen linear seperti Hukum Kirchhoff tidak dapat secara langsung diberlakukan. Untuk itu diperlukan analisis grafis terhadap rangkaian yang mengandung komponen non linear seperti diode. Contoh: Perhatikan rangkaian diode dan karakteristiknya sebagai berikut! I (mA) D
30
Dengan menggunakan analisis garis beban, hitung arus, tegangan diode, dan tegangan output!
VD
20 V=1V
VO
RL = 50Ω
10
0
1
VD(V)
Analisis Grafis Rangkaian Diode Jawab: 1. Menyusun persa rsamaan arus pada ran rangkaian, yakni: Persamaan tegangan : VD
V = V D + V O V O = I D . R L V = V D + I D . R L
Persamaan arus : I D =
− V D + V
I D = −
V=1V
R L
1 R L
V D +
V R L
Identik dengan persamaan garis lurus : y = ax + b, dengan a = −
1 R L
, x = V D , b =
V R L
VO
RL = 50Ω
Analisis Grafis Rangkaian Diode 2. Mencari titik potong pada sumbu-x atau VD: Anggap ID=0 sehingga: I D = −
0=−
1 R L
1 R L
V D +
V D +
V R L
V
Jadi diperoleh titik potong (x,y) atau (VD,0) atau (1,0)
R L
ID(mA)
30
V D = V = 1V
Titik potong (0,ID) atau (0,20)
3. Mencari titik potong pada sumbu-y atau ID:
20
Anggap VD=0 sehingga: I D = − I D = − I D =
1 R L
V D +
1 R L
V R L
=
0+ 1 50
V R L
V R L
Jadi diperoleh titik potong(x,y) atau (0,I D) atau (0,20)
10
= 0,02A = 20mA
0
1 Titik potong (VD,0) atau (1,0)
VD(V)
Analisis Grafis Rangkaian Diode 4. Membua mbu at garis beban: beban: Garis beban ditarik dari koordinat (1,0) sampai dengan (0,20) ID(mA)
5. Menentukan titik tit ik operasi diod di ode e (Q) (Q):: Titik operasi Q adalah titik potong antara garis beban dengan kurva statis.
30 Titik potong (0,ID) atau (0,20) 20
6. Menentu Menentukan kan tegangan dan arus diod d iode e: Tegangan dan arus diode ditentukan dengan menarik garis dari titik operasi Q ke arah horizontal dan vertikal. Jadi tegangan diode=VD=0,6V arus diode=ID=8mA
Garis beban
Titik operasi 10
Q
ID,Q= 8mA
0 VD,Q,=0,6V
1 Titik potong (VD,0) atau (1,0)
VD(V)
Analisis Grafis Rangkaian Diode Resistansi DC Berdasarkan Berdasarkan analisis grafik dapat ditemukan tegangan dan arus diode pada titik tertentu. tertentu. Resistansi DC atau resistansi statis pada suatu titik dari diode didefinisikan: V RF = D I D RF pada titik Q adalah:
RF =
V D I D
=
0,6V 8mA
=
0,6V 8x10-3 A
Tugas: Tentukan besarnya RF pada titik A, B, dan C pada kurva karakteristik diode!
ID(mA)
30 Titik potong (0,ID) atau (0,20) 20 Garis beban
A B Titik operasi
= 75Ω
10
ID,Q= 8mA
Q
C
0 VD,Q,=0,6V
1 Titik potong (VD,0) atau (1,0)
VD(V)
Analisis Grafis Rangkaian Diode ID (A)
VD
V=1V
VO
RL = 10Ω
VD (V) Dengan analisis grafik tentukan tegangan diode, arus diode, dan resistansi DC diode tersebut!
Analisis Rangkaian Diode Dengan Model Dalam analisis ini diode dimodelkan sebagai komponen linear, sehingga modelnya sering disebut sebagai piece wise linear model (model model (model linear sepotong-sepotong). Pendekatan I A
K
V
SAKLAR ON A
R
L
K
V
R
RANGKAIAN
MODEL FORWARD
FORWARD BIAS
PENDEKATAN I
L
A
V
K
R
L
ID
ID
SAKLAR OFF K
Pada pendekatan I, dalam keadaan forward biased, biased, diode dapat dianggap sebagai saklar tertutup sedangkan dalam keadaan reverse biased dapat dianggap seperti saklar terbuka.
A
V
R
L
VD 0
RANGKAIAN
MODEL REVERSE
KARAKTERISTIK SESUNGGUHNYA
VD
0 KARAKTERISTIK MODEL PENDEKATAN I
Analisis Rangkaian Diode Dengan Model Pendekatan II A
K
A
K
Vγ
V R
L
V
R
RANGKAIAN
MODEL FORWARD
FORWARD BIAS
PENDEKATAN II
L
A
V
K
RL
ID
ID
SAKLAR OFF K
Pada pendekatan II, dalam keadaan forward biased, biased, diode dapat dianggap sebagai sumber tegangan sebesar V γ (untuk silikon V γ=0,6V dan untuk germanium Vγ=0,2V), sedangkan dalam keadaan reverse biased dapat dianggap seperti saklar terbuka.
A
V
RL
VD 0
RANGKAIAN REVERSE BIAS
MODEL REVERSE
KARAKTERISTIK
PENDEKATAN II
SESUNGGUHNYA
VD
0 KARAKTERISTIK MODEL PENDEKATAN I
Vγ
Analisis Rangkaian Diode Dengan Model Pendekatan III A
r F
A
K
K
Vγ
V R
L
V
R
RANGKAIAN
MODEL FORWARD
FORWARD BIAS
PENDEKATAN III
L
Pada pendekatan III, dalam keadaan forward biased, biased, diode dapat dianggap sebagai sumber tegangan sebesar V γ dengan resistansi dinamis forward r Fyang terpasang secara seri, sedangkan dalam keadaan reverse biased dapat dianggap sebagai resistansi dinamis reverse r R. ID
ID
K
A
V
K
RL
r R
A
V
R
L
0 KARAKTERISTIK
RANGKAIAN
MODEL REVERSE
REVERSE BIAS
PENDEKATAN III
VD
VD 0 KARAKTERISTIK MODEL PENDEKATAN III
SESUNGGUHNYA
Vγ
Analisis Rangkaian Diode Dengan Model Pendekatan III
ID
ID
Nilai resistansi dinamis forward r F ditentukan dengan rumus:
1A
∆ID
∆ID
VD
∆VD
∆VD
0
0
0,6V
VD
1,1V
r F =
∆V D ∆ I D
∆VD merupakan kenaikan tegangan yang disebabkan oleh kenaikan arus diode ∆ID. Contoh: Tegangan diode silikon dalam keadaan forward bias sebesar 1,1 V
dan arus yang mengalir sebesar 1A. Hitung besarnya r F! Jawab: Kita anggap bahwa arus diode I D=0 ketika tegangan diode V D=0,6V. Dengan menggunakan persamaan di atas dapat diperoleh:
r F =
∆V D ∆ I
=
1,1V − 0,6V 1 A 0 A
= 0,5Ω
Analisis Rangkaian Diode Dengan Model r F = 2,5Ω Si Vin=10V
RL = 100Ω
Perhatikan rangkaian diode di samping ini! Gambarkan rangkaian pengganti/rangkaian ekivalen dan hitung besarnya tegangan dan arus diode menggunakan pendekatan I, pendekatan II dan pendekatan III! VD = Vγ = 0,6 V
Jawab:
Vγ = 0,6V
VD = 0 V
ID Vin=
10V
RL = 100Ω
PENDEKATAN I
10 V V ID = in = = 0,1 A RL 100Ω
ID
Vin=
10V
RL = 100Ω
PENDEKATAN II
V − Vγ ID = in RL 10 V - 0,6V = 100Ω = 0,094 A
r F = 2,5Ω ID
Vin=
10V
RL = 100Ω
PENDEKATAN III
10 V - 0,6V V − Vγ ID = in = = 0,092 A RL + r F 100Ω + 2,5Ω VD = Vin − ID.RL = 10V - 0,092A.100 Ω = 0,8V
