MODUL 4

DOWNLOAD AJA MODUL 4

MODUL 4

APLIKASI DIODA (Bagian 1)

Dioda banyak diaplikasikan dalam rangkaian elektronika. Kita akan mempelajari beberapa aplikasi dioda dalam rangkaian elektronika diantaranya sebagai rangkaian gerbang logika, rangkaian pemotong (clipper) dan rangkaian penjepit (clamper) yang akan dibahas pada modul ini. Sedangkan aplikasi lainnya seperti pada rangkaian penyearah (rectifier) dan rangkaian penggandaan tegangan (voltage multiplier) akan dibahas pada modul 5.

4.1 Rangkaian Gerbang Logika

Dioda sebagai saklar dapat digunakan untuk rangkaian gerbang logika sebagai dasar dari rangkaian komputer. Dalam bilangan biner hanya dikenal angka 1 dan 0. Angka 1 dalam hal ini berarti positif, sedang angka nol berarti nol atau negatif.

4.1.1 Gerbang OR

Rangkaian pada gambar 4.1 adalah rangkaian gerbang OR untuk logika positif. Pada rangkaian ini terdapat 3 buah masukan yaitu V_A, V_B dan V_C. Apabila salah satu masukan saja bernilai 1 (5V) meskipun yang lainnya 0 (0V) maka V_R pun akan bernilai 1. Hal ini dikarenakan terdapat arus yang mengalir melewati R melalui dioda yang forward bias.  Keluaran V_R akan bernilai 0 manakala ketiga input bernilai 0 dengan demikian ketiga dioda reverse bias dan tidak ada aliran arus melewati R.

 

VA	VB	VC	VR
0	0	0	0
0	0	1	1
0	1	0	1
0	1	1	1
1	0	0	1
1	0	1	1
1	1	0	1
1	1	1	1

   (a)                                                              (b)

Gambar 4.1 Gerbang OR logika positif

(a)  Rangkaian dioda (b)Tabel kebenaran

4.1.2 Gerbang AND

Rangkaian pada gambar 4.2 adalah rangkaian gerbang AND untuk logika positif.  Terdapat 3 buah masukan yaitu V_A, V_B dan V_C. Berbeda dengan gerbang OR, pada gerbang AND nilai keluaran V_R akan bernilai 1 hanya jika ketiga masukan V_A, V_B dan V_C bernilai 1. Apabila ada salah satu masukan saja bernilai 0 meskipun yang lainnya 1 (5V) maka V_R pun akan bernilai 0.  

      

VA	VB	VC	VR
0	0	0	0
0	0	1	0
0	1	0	0
0	1	1	0
1	0	0	0
1	0	1	0
1	1	0	0
1	1	1	1

(a)                                                                                   (b)

Gambar 4.2 Gerbang AND logika positif

(b)  Rangkaian dioda (b)Tabel kebenaran

4.2 Rangkaian Pemotong (Clipper)

Rangkaian pemotong (clipper) adalah rangkaian yang menggerakkan salah satu bagian positif atau negatif dari sebuah bentuk gelombang. Rangkaian ini merupakan jenis pengolahan sinyal yang  berguna untuk pembentukan sinyal, proteksi rangkaian dan komunikasi.

Pada dasarnya terdapat dua jenis rangkaian clipper yaitu clipper positif dan clipper negatif. Rangkaian ini dapat digabungkan menjadi sebuah limitter yang digunakan untuk rangkaian sensitif. Kita pun dapat  memberikan tegangan bias positif atau negatif. Clipper dengan tegangan bias ini biasa disebut sebagai biased clipper dan dapat dikombinasikan menjadi positif-negatif biased clipper.

4.2.1 Clipper Positif

Gambar 4.3 menunjukkan sebuah clipper positif. Rangkaian menggerakkan semua bagian positif dari sinyal masukan. Hal ini menyebabkan sinyal keluaran hanya mempunyai setengah siklus negatif.

Cara kerja rangkaian clipper positif adalah sebagai berikut :

-       Selama setengah siklus positif dari sinyal masukan, dioda menjadi forward bias dan menjadikan hubungan pendek (short circuit) pada terminal keluaran. Secara ideal, tegangan keluaran adalah nol.

-       Selama setengah siklus negatif dari sinyal masukan, dioda menjadi reverse bias. Dioda open dan menghasilkan sinyal setengah siklus negatif melalui keluaran. Pada gambar 4.3a nilai yang ditunjukkan sama dengan –Vp. Hal ini menunjukkan bahwa besar resistor seri, R_S jauh lebih kecil daripada resistor beban, R_L.   

Jika kita menganalisis dengan menggunakan pendekatan kedua, dengan asumsi dioda yang digunakan adalah dioda silikon. Maka tegangan dioda adalah 0,7V ketika menghantar. Oleh karena itu, tingkat clipping  adalah tidak nol, tetapi 0,7V. Keluaran clipper menjadi seperti yang diperlihatkan pada gambar 4.3b.

Gambar 4.3 Clipper Positif  (a) Rangkaian dan bentuk sinyal keluaran (dioda ideal)  (b) Bentuk sinyal keluaran (menggunakan pendekatan kedua)

Prasyarat Kondisi

Dioda yang digunakan untuk clipper adalah dioda sinyal kecil (small signal). Dioda ini memiliki sebuah daerah sambungan (junction) yang lebih kecil dibandingkan dioda tang dipakai untuk aplikasi rangkaian penyearah (rectifier) sebab difungsikan untuk bekerja pada frekuensi yang lebih tinggi. Dengan demikian akan menghasilkan daya tahan yang cukup besar. Sebagai contoh dioda 1N914 memiliki arus forward 10 mA pada tegangan 1V. Hambatan bulk dioda tersebut adalah :

Rangkaian clipper akan berfungsi normal jika hambatan seri (Rs) jauh lebih kecil dari hambatan beban (R_L) dan juga jauh lebih besar dari hambatan bulk dioda (R_B). Biasanya diambil pendekatan :

100 R_B < R­_S < 0,01 R_L...........................................(4.1)

Oleh karena itu jika dioda memiliki hambatan bulk sebesar 30Ω, resistansi serinya seharusnya paling sedikit 3kΩ dan resistansi beban seharusnya paling sedikit 300kΩ. Kita dapat melihat perbedaan bentuk keluaran dari rangkaian clipper positif untuk berbagai hambatan seri Rs seperti yang ditunjukkan pada gambar 4.4.

Gambar 4.4 Tegangan keluaran dari rangkaian clipper positif untuk berbagai hambatan seri Rs

4.2.2 Clipper Negatif

Jika kita membalikkan posisi dioda, maka akan didapatkan rangkaian clipper negatif seperti yang ditunjukkan pada gambar  4.5. Rangkaian ini memotong bagian negatif sinyal masukan sehingga secara idealnya bentuk sinyal keluarannya hanya berupa setengah siklus sinyal positif.

Cara kerja rangkaian clipper negatif adalah sebagai berikut :

-       Selama setengah siklus positif dari sinyal masukan, dioda menjadi reverse bias dan. Dioda open dan menghasilkan sinyal setengah siklus positif melalui keluaran. Pada gambar 4.5a nilai yang ditunjukkan sama dengan Vp. Hal ini menunjukkan bahwa besar resistor seri, R_S jauh lebih kecil daripada resistor beban, R_L.   

-       Selama setengah siklus negatif dari sinyal masukan, dioda menjadi forward bias dan menjadikan hubungan pendek (short circuit) pada terminal keluaran. Secara ideal, tegangan keluaran adalah nol. Namun demikian clipping tentulah tak sempurna. Sebab menurut pendekatan kedua, dioda memiliki tegangan offset 0,7 V untuk silikon. Dengan demikian bentuk sinyal keluarannya menjadi seperti pada gambar 4.5b.

Gambar 4.5 Clipper Negatif  (a) Rangkaian dan bentuk sinyal keluaran (dioda ideal)  (b) Bentuk sinyal keluaran (menggunakan pendekatan kedua)

4.2.3 Limitter atau Dioda Clamp

Clipper berguna bagi pembentukan gelombang, tetapi rangkaian yang sama dapat digunakan dalam arah yang berbeda secara keseluruhan seperti pada gambar 4.6a. Masukan rangkaian ini adalah berupa sinyal dengan puncak 15mV. Oleh karena itu keluaran normalnya adalah merupakan sinyal yang sama.

Rangkaian ini memiliki kelebihan jika dioda-diodanya Off. Jika kita mempunyai sebuah rangkaian sensitif yakni rangkaian yang satu bagiannya ada yang tidak dapat menerima masukan terlalu banyak, maka kita dapat menggunakan limiter negatif positif untuk melindungi masukannya, seperti yang ditunjukkan pada gambar 4.6b. Jika sinyal masukan mencoba naik diatas 0,7 V, keluaran dibatasi 0,7V. Demikian pula sebaliknya, jika sinyal masukan mencoba untuk meurunkan di bawah -0,7V pada salah satu polaritas.

Gambar 4.6 (a) Dioda clamp/limitter (b) Perlindungan rangkaian sensitif

Sebuah contoh rangkaian sensitif adalah op amp. Tegangan masukan typical ke sebuah op amp kurang dari 15 mV. Tegangan lebih besar daripada 15mV adalah tidak biasa dan tegangan lebih besar dari 0,7V adalah tidak normal. Sebuah limitter pada sisi sinyal masukan op amp akan mencegah tegangan masukan yang besar. Contoh rangkaian sensitif lainnya adalah moving coil meter. Dengan memberi limiter, kita dapat melindungi gerakan meter yang memiliki tegangan atau arus masukan yang besar. Limitter disebut juga sebagai dioda clamp karena membuat clamping atau limitting tegangan ke tahap yang spesifik.

4.2.4 Biased Clipper

Tingkat referensi (tingkat clipping) sebuah clipper positif idealnya nol, atau 0,7V untuk pendekatan kedua. Namun demikian kita dapat mengubah nilai referensi tersebut dengan memberikan bias. Dalam elektronik, bias berarti penerapan sebuah tegangan eksternal untuk mengubah tingkat referensi sebuah rangkaian. Gambar 4.7a adalah contoh penggunaan bias untuk mengganti tingkat referensi clipper positif. Dengan menambahkan sebuah sumber tegangan dc diserikan dengan dioda, kita dapat mengubah tingkat clipping. Untuk operasi normal, besarnya tegangan bias V harus kurang dari Vp. Untuk pendekatan kedua, tingkat referensi clipper positif menjadi (V+0,7)Volt.  Gambar 4.7b. menunjukkan clipper negatif bias. Tingkat referensi clipper negatif menjadi (-V-0,7)Volt.

Gambar 4.7 Biased Clipper (a) Clipper positif bias (b) Clipper negatif bias

4.2.5 Kombinasi Clipper

Kita dapat mengkombinasikan dua clipper bias seperti yang ditunjukkan pada gambar 4.8. Dioda D1 memotog bagian positif di atas tingkat bias positif, dan dioda D2 memotong bagian negatif di bawah tingkat bias. Sinyal keluaran yang dihasilkan adalah berupa gelombang persegi empat. Ini merupakan contoh lain pembentukan sinyal yang mungkin oleh clipper.

Gambar 4.8 Clipper positif-negatif bias

4.3 Rangkaian Penjepit (Clamper)

Dengan memanfaatkan sebuah kapasitor pada rangkaian dioda, maka dioda akan berfungsi sebagai clamper. Clamper akan memberikan tegangan dc pada sinyal. Terdapat 2 jenis clamper yaitu clamper positif dan clamper negatif. Keduanya banyak dipakai sebagai contoh: penerima televisi menggunakan clamper untuk mengubah tingkat referensi sinyal video. Clamper juga digunakan dalam radar dan rangkaian komunikasi.

4.3.1 Clamper Positif

Clamper positif dengan masukan sinus akan menambahkan tegangan dc ke gelombang sinus tersebut. Tingkat referensi ac (secara normal =0) naik ke tingkat tegangan dc. Gambar 4.9 merupakan rangkaian clamper positif. Secara ideal, cara kerja clamper positif dijelaskan pada gambar 4.9a.  Pada awalnya, kapasitor tidak bermuatan. Pada setengah siklus negatif pertama tegangan masukan, dioda On (gambar 4.9b). Pada puncak negatif sumber ac, kapasitor terisi penuh dengan tegangan sebesar Vp dan nenunjukkan adanya polaritas. Sedikit disamping puncak negatif, dioda Off (gambar 4.9c). Terdapat ketentuan nilai untuk konstanta RIC agar rangkaian clamper dapat bekerja dengan baik, yaitu:

R_LC>100T ......................................................(4.2)

dimana T = periode sinyal

Hal inilah yang menyebabkan kapasitor menyisakan hampir seluruh muatannya selama dioda Off. Kapasitor yang bermuatan kelihatan sebagai baterai dengan tegangan Vp. Ini adalah tegangan dc yang sedang ditambahkan pada sinyal. Setelah  seperempat siklus yang pertama, tegangan keluaran adalah sebuah gelombang sinus yang di-clamp positif dengan tingkat referensi nol (0V) untuk dioda ideal. Sedangkan dengan pendekatan kedua akan terlihat seperti pada gambar 4.9d. Oleh karena dioda turun 0,7V ketika menghantar, tegangan kapasitor tidak cepat mencapai Vp. Clamping menjadi tidak sempurna dan puncak negatif mempunyai tingkat refernsi -0,7V.

Gambar 4.9 Clamper positif (a) dioda ideal (b) Pada puncak positif (c) Disamping puncak positif (d) dioda dengan pendekatan kedua

4.3.2 Clamper Negatif

Jika kita membalikkan dioda pada gambar 4.9 di atas maka kita akan mendapatkan sebuah rangkaian clamper negatif seperti yang terlihat pada gambar 4.10. seperti halnya pada clamper positif clamping tidaklah sempurna pada puncak positif terdapat tingkat tegangan referensi 0,7V (secara ideal=0).

Gambar 4.10 Clamper negatif

4.3.3 Detektor Puncak ke Puncak

Detektor puncak adalah sebuah rangkaian yang menggunakan dioda sinyal kecil dan beroperasi pada frekuensi tinggi (lebih dari 60Hz). Rangkaian ini terdiri dari rangkaian penyearah setengah gelombang dengan filter masukan kapasitor menghasilkan tegangan keluaran dc yang mendekati sama dengan puncak sinyal masukan. (Pembahasan lebih lanjut mengenai rangkaian penyearah (rectifier) akan diuraikan pada modul selanjutnya). Apabila kita cascadekan sebuah clamper dan detektor puncak maka akan dihasilkan detektor puncak ke puncak (lihat gambar 4.11).

Gambar 4.11 Detektor puncak ke puncak

Keluaran clamper digunakan sebagai masukan detektor puncak. Dengan demikian keluaran rangkaian ini berupa tegangan dc 2Vp.