piranti dan rangkaian elektronika : MODUL 3

DOWNLOAAD INI AJA MODUL 3

MODUL 3

ANALISIS RANGKAIAN DIODA

Kita telah mempelajari sifat dan karakteristik dioda pada modul sebelumnya. Selanjutnya, pada modul ini akan diuraikan mengenai analisis rangkaian dioda. Pembahasan akan dimulai dengan analisis garis beban dan titik operasi, model dioda, serta beberapa contoh analisis rangkaian dioda dengan sumber dc.

3.1 Analisis Garis Beban dan Titik Operasi

Gambar 3.1 di bawah ini menunjukkan sebuah rangkaian dioda. Pada rangkaian ini dioda dibebani dengan resistansi R dan dihubungkan dengan sumber tegangan V_DD. Dengan demikian akan mengalir arus dioda I_D dan tegangan pada R adalah R.I_D.

Gambar 3.1 Rangkaian dioda dengan resistansi R

Menurut hukum Kirchoff tegangan :

V_DD - V_D - V_R = 0 .............................................(3.1)

V_DD = V_D + I_D. R .............................................(3.2)

Arus dioda I_D akan maksimum apabila V_D = 0 sehingga V_DD = 0 + I_D. R maka :

...............................................(3.4)

Titik di mana arus dioda maksimum disebut dengan titik jenuh (saturation point) yang terletak pada sumbu vertikal arus.

Selain itu, tegangan dioda V_D akan maksimum bila I_D = 0 sehingga

V_Dmax = V_DD ................................................(3.5)

Titik ini disebut dengan titik putus (cut off point) yang terletak pada sumbu horizontal.

Apabila antara I_Dmax dan V_Dmax ditarik sebuah garis, maka garis tersebut disebut garis beban. Gambar 3.2 menunjukkan grafik garis beban dan titik operasi. Titik perpotongan antara garis beban dan kurva karakteristik dinamakan titik Q (quisent point) atau titik kerja (work point). Pada titik tersebut arus mengalir sebesar I_DQ dan tegangan V_DQ.

Gambar 3.2 Grafik garis beban dan titik operasi dioda

3.2 Model Dioda

Model adalah representasi dari suatu komponen atau rangkaian yang memiliki satu atau lebih sifat atau karakteristik. Dalam prakteknya, seringkali dioda didekati dengan model pendekatan tertentu untuk dianalisis cara kerja rangkaiannya. Terdapat beberapa model pendekatan dioda, yaitu: model dioda ideal, model dioda offset dan model dioda real.

3.2.1 Model Dioda Ideal

Pendekatan yang paling sederhana adalah model dioda ideal. Dalam pengertian paling mendasar, dioda akan menghantar dengan baik pada keadaan bias maju (forward bias) dan kurang baik pada arah balik (reverse bias). Secara ideal, dioda akan berprilaku seperti penghantar sempurna (hambatan nol) saat diberi catu maju dan seperti penghambat sempurna (hambatan tak terhingga) saat dicatu balik.

Gambar 3.3 menunjukkan grafik arus-tegangan untuk dioda ideal. Dioda ideal berprilaku seperti sebuah saklar (gambar 3.4). Saklar memiliki hambatan nol saat ditutup dan hambatan tak terhingga saat dibuka. Oleh karena itu, dioda ideal sama seperti saklar yang tertutup (On) saat forward bias dan terbuka (Off) saat reverse bias. Dengan demikian pada kondisi forward bias tegangan dioda adalah :

V_D = 0 V.......................................................(3.6)

Gambar 3.3 Grafik I-V model dioda ideal


(a) Ekivalen dioda ideal	(b) Reverse bias	(c) Forward bias

Gambar 3.4 Prilaku dioda ideal (seperti saklar)

3.2.2 Model Dioda Offset

Pendekatan yang kedua adalah model dioda offset. Pendekatan ini memperlihatkan bahwa sesungguhnya diperlukan tegangan offset yang besarnya adalah sesuai dengan tegangan penghalang (barrier). Untuk dioda silikon 0,7 V. Setelah melewati tegangan ini barulah dioda menjadi konduktor yang baik. dengan demikian gambar grafik arus terhadap tegangan untuk model dioda offset adalah seperti yang ditunjukkan pada gambar 3.5a. Arus akan bernilai nol sampai tegangan offset menjadi 0,7 V untuk dioda silikon. Rangkaian ekivalen dioda untuk pendekatan ini adalah seperti pada gambar 3.5b. Dioda diibaratkan sebuah dioda ideal yang diserikan dengan tegangan offset untuk silikon besarnya 0,7V.

Gambar 3.5 Model dioda offset : a.Grafik I-V , b. Rangkaian ekivalen

Seperti yang telah dijelaskan sebelumnya dioda ideal dapat diibaratkan sebuah saklar. Pada saat reverse bias saklar membuka, dengan demikian tidak ada arus yang melewati rangkaian (i_D= 0) sehingga tegangan dioda v_D bernilai 0. Sedangkan pada saat forward bias, saklar menutup dengan demikian tegangan dioda :

v_D= V_DO= 0,7 V (untuk dioda silikon)...........................(3.7)

Dengan kata lain, saklar akan menutup sebelum tegangan mencapai 0,7 V dan membuka setelah melewati 0,7 V. Pada model ini tahanan dioda diabaikan (dianggap 0) sehingga arus dioda i_D setalah tegangan mencapai 0,7V bernilai tak terhingga. Seperti yang terlihat pada gambar 3.5a. akan membentuk garis vertikal ke atas.

3.2.3 Model Dioda Real

Pada model pendekatan ketiga ini hambatan bulk diperhitungkan. Gambar 3.6.a menunjukkan pengaruh hambatan bulk yang dinotasikan dengan r_D terhadap kurva dioda. Setelah dioda silikon aktif, tegangan akan naik linier dengan kenaikan arus. Semakin besar arus, akan semakin besar tegangan dioda. Rangkaian ekivalen untuk model dioda real ini adalah sebuah dioda ideal yang terhubung seri dengan tegangan offset V_DO(0,7 V untuk dioda silikon) dan hambatan r_D (lihat gambar 3.6.b).

Gambar 3.6 Model dioda real: a. a.Grafik I-V , b. Rangkaian ekivalen

Jika dioda ideal digantikan dengan saklar maka pada keadaan reverse bias saklar akan membuka dan tidak ada arus yang melewati rangkaian (i_D= 0) sehingga tegangan dioda v_D bernilai 0. Sedangkan, pada saat tegangan dioda lebih besar dari 0,7V, dioda akan menghantarkan arus. Tegangan total yang melalui dioda pada saat forward bias adalah :

v_D= V_DO + i_D.r_D...................................................(3.8)

Seringkali harga hambatan bulk lebih kecil dari 1 Ω. Kita dengan aman dapat mengabaikannya dalam perhitungan.

Suatu petunjuk yang berguna untuk mengabaikan hambatan bulk adalah jika :

r_D< 0,01 R_TH....................................................(3.9)

Hal ini mengatakan hambatan bulk diabaikan jika nilainya lebih kecil dari 1/100 hambatan Thevenin yang menghadap dioda. Saat kondisi ini terpenuhi, kesalahannya lebih kecil dari 1 persen. Pendekatan ketiga ini jarang digunakan oleh teknisi karena perancang rangkaian biasa memenuhi persamaan (3.9). Untuk kebanyakan hal praktis, model dioda offset seringkali dipergunakan. Namun, jika diperlukan analisa yang lebih mendalam, model dioda real akan dipakai, sehigga akan didapatkan analisa yang lebih akurat.

3.3 Contoh Analisis Rangkaian Dioda Dengan Sumber DC

Contoh 1 :

Dengan menggunakan pendekatan pertama (model dioda ideal), tentukan berapa nilai I dan V pada rangkaian dioda gambar 3.7 berikut ini !

Gambar 3.7 Rangkaian dioda contoh soal 1

Jawab :

Asumsi dioda ideal

a. c.

b. d.

Contoh 2 :

Seperti pada contoh soal 1, tentukan berapa nilai I dan V pada rangkaian dioda gambar 3.8 berikut ini (asumsi dioda ideal) !

(a) (b)

Gambar 3.8 Rangkaian dioda contoh soal 2

Jawab:

Jika dioda dihubungkan seperti pada gambar 3.8.a maka ketiga dioda akan ON, tetapi karena besar tegangan forward biasnya berbeda maka yang akan mengalirkan arus terlebih dahulu adalah dioda yang sumber tegangannya terbesar yakni 3V yang lainnya menjadi diabaikan (open circuit) sehingga besarnya : dan .
Jika dioda dihubungkan seperti pada gambar 3.8.b maka ketiga dioda akan ON, tetapi karena besar tegangan reverse biasnya berbeda maka yang akan mengalirkan arus terlebih dahulu adalah dioda yang sumber tegangannya terbkecil yakni 1V yang lainnya menjadi diabaikan (open circuit) sehingga besarnya: dan .

Contoh 3 :

Sebuah rangkaian dioda tampak pada gambar 3.8 di bawah ini. Tentukanlah besarnya arus I_D dan gambarkanlah grafik garis beban dan titik operasinya menggunakan : a. Pendekatan model dioda ideal

b. Pendekatan model dioda offset dengan V_DO= 0,7V

c. Pendekatan model dioda real dengan V_DO= 0,7V dan R_D=10Ω

Gambar 3.9 Rangkaian dioda contoh soal 2

Jawab :

a. Pendekatan Pertama (Model Dioda Ideal)

Pada model ini dioda tidak memiliki tegangan offset dan tahanan dalam. Sehingga, ketika dioda diberi forward biased, maka akan mengalir arus melalui dioda, dimana:

Dari persamaan diatas, didapat garis beban, dimana:

jika V_D = 0, maka I_D = E / R = 10 volt / 1 KΩ = 10 mA, dan

jika I_D= 0, maka V_D= E = 10 volt,

dengan titik operasi pada

V_D = 0 volt dan I_D = 10 mA

Garis beban dan titik operasi ditampilkan pada gambar di bawah ini.

Gambar 3.10 Garis beban dan titikoperasi model dioda ideal

b. Pendekatan Kedua (Model Dioda Offset)

Pada pendekatan kedua, dioda memiliki tegangan offset, sehingga V_DO = 0,7 volt (lihat persamaan (3.7)). Dengan cara yang sama seperti diatas, akan didapat persamaan garis beban yang sama. Namun, titik operasinya adalah