MODUL 1 DIODA: KARAKTERISTIK KARAKTERISTIK DAN APLIKASI
Andhika Bernad (13215097) Asisten: Audinata Ibrah im S. Tanggal Percobaan: 13/02/2017 EL2205-Praktikum Elektronika Laboratorium Dasar Teknik Elektro - Sekolah Teknik Elektro dan Informatika ITB
Abstrak
Pada modul ini, praktikan akan melakukan serangkaian percobaan yang membuktikan karakteristik dioda biasa Silikon dan Germanium, serta dioda zener. Adapun karakteristik yang dimaksud yakni tegangan cut-in, tegangan breakdown, dan kurva hubungan V-I. Percobaan lainnya adalah percobaan rangkaian penyearah, baik untuk gelombang setengah penuh, gelombang penh dengan menggunakan dua dioda, dan gelombang penuh dengan menggunakan rangkaian jembatan dioda, disertai dengan variansi berupa resistansi atau kapasitansi. Selain itu, percobaan ini bertujuan untuk mempelajari pengaruh kapasitor dan resistor pada filter sederhana untuk rangkaian penyearah sehingga menjadi sumber DC. Kemudian, pada percobaan terkahir, dilakukan pengamatan sinyal output untuk aplikasi dioda pada rangkaian clipper dengan dioda biasa dan dioda zener, serta rangkaian clamper, yang dirangkai oleh praktikan pada breadboard dengan komponen-komponen komponen-komponen yang telah tersedia.
Kata kunci: Dioda, penyearah, filter, clipper, clamper . 1.
2.1
PENYEARAH DAN FILTER
Penggunaan dioda yang paling dasar adalah sebagai penyearah arus bolak-balik (AC) jala-jala menjadi arus searah pada suatu sumber tegangan DC, seperti catu daya. Tegangan pada rangkaian penyearah gelombang penuh diperoleh sebesar = −
PENDAHULUAN
1.
Memahami karakteristik dioda biasa dan dioda zener
2.
Memahami penggunaan dioda dalam rangkaian penyearah
3.
Mempelajari pengaruh filter sederhana pada suatu sumber DC
4.
Memahami penggunaan dioda untuk rangkaian Clipper dan Clamper
S TUDI PUSTAKA
Dioda merupakan komponen elektronika yang memiliki dua terminal dan tersusun atas dua jenis semikonduktor (jenis n dan p) yang terhubung. Komponen ini mudah untuk dialiri oleh arus
1 2
dimana Vp adalah magnituda tegangan puncak sinyal AC yang disearahkan dan tegangan ripple Vr sebesar =
Dioda merupakan salah satu komponen yang memilki banyak kegunaan pada bidang elektronika bila dipasang pada sebuah rangkaian. Dalam praktikum ini, praktikan akan membahas mengenai karakteristik dan aplikasi dioda sehingga diharapkan daoat memahami rangkaian elektronika secara lebih mendalam. Adapun tujuan dari percobaan ini yakni:
2.
searah , tetapi sukar ketika dialiri arus listrik yang sebaliknya. Karakteristik pada dioda dapat diamati melalui tegangan cut-in (daerah forward bias) dan tegangan breakdown (reverse bias), serta kemiringan kurva yang berarti besarnya resistansi dinamis pada titik tersebut.
2
dengan f frekuensi sinyal AC jala-jala yang digunakan, C kapasitansi filter dan R beban pada rangkaian penyearah dan filter. Untuk catu daya tegangan ideal (DC murni), tegangan ripple ripple harus bernilai nol. Keadaan ini ini dapat diperoleh bila (i) nilai resistansi R beban adalah tak hingga dan (ii) nilai kapasitansi C sangat besar (tak hingga). Nilai resistansi resistansi beban tak hingga berarti rangkaian tanpa beban (beban terbuka). Dengan demikian untuk keadaan praktis hal yang dapat digunakan adalah dengan menggunakan kapasitansi C yang besar. Nilai kapasitansi C yang besar akan memberikan tegangan ripple yang kecil. Dalam percobaan ini akan dilakukan pengamatan pengaruh nilai kapasitansi dan resistansi beban terhadap tegangan ripple. Sebuah catu tegangan ideal juga seharusnya tidak mengalami degradasi tegangan outputnya bila mendapat beban, yang berarti catu tegangan ideal dapat dimodelkan dengan sumber tegangan. Pada kenyataannya catu tegangan seperti ini selalu mengalami degradari dengan naiknya arus beban. Perilaku seperti ini dapat dimodelkan dengan Rangkaian Thevenin berupa hubungan seri
Laporan Praktikum - Laboratorium Dasar Teknik Elektro – STEI ITB
1
sumber tegangan dan resistansi output. Besaran resistansi output ini menentukan berapa degradasi tegangan yang diperoleh. Untuk rangkaian penyearah gelombang penuh, besar resistansi output efektif dapat dihitung =
dengan demikian, tegangan yang dihasilkan adalah tegangan input ditambahkan dengan tegangan DC. Rangkaian ini ditunjukkan oleh berikut ini.
1 4
Besaran lain yang dapat digunakan untuk menunjukkan perilaku yang sama adalah faktor regulasi tegangan VR. Besaran ini tidak bersatuan dan didefinisikan sebagai =
−
100%
dimana Vnl adalah tegangan tanpa beban dan Vfl adalah tegangan beban penuh. Nilai regulasii tegangan VR yang kecil menunjukkan sumber tegangan yang lebih baik.
Gambar 3 Rangkaian clamper 3.
2.2
METODOLOGI
R ANGKAIAN CLIPPER DAN CLAMPER
Dalam percobaan ini akan dilakukan pengamatan sinyal output yang dihasilkan oleh rangkaian Clipper dan Clamper. Rangkaian clipper adalah rangkaian yang digunakan untuk membatasi tegangan agar tidak melebihi dari suatu nilai tegangan tertentu. Rangkaian ini dapat dibuat dari dioda dan sumber tegangan DC yang ditunjukkan oleh gambar berikut.
Alat dan komponen yang digunakan:
Sumber tegangan tegangan DC (2 buah)
Osiloskop (1 buah)
Multimeter (2 buah)
Dioda 1N4001 /1N4002 (3 buah)
Dioda Zener 5V1 (2 buah)
Resistor Variabel (1 buah)
Resistor 150 KΩ (1 buah)
Kapasitor 10 uF (1 buah)
Breadboard (1 buah)
Gambar 1 Rangkaian clipper dengan dioda
Rangkaian alternatif dapat juga dibuat dengan menggunakan dioda zener seperti yang ditunjukkan oleh gambar berikut ini.
Kit Praktikum Karakteristik Dioda & Rangkaian Penyearah
Kabel - kabel (2 buah kabel Banana-BNC, 1 buah kabel BNC-BNC )
Langkah-langkah percobaan adalah sebagai berikut:
yang
digunakan
Karakteristik Dioda Susun rangkaian seperti pada gambar, gunakan sinyal sinusoidal
Gunakan mode X-Y
Tekan tombol invert pada channel 2
Amati dan catat tengangan cut-in, breakdown, dan gambar kurva karakteristik dioda
Gambar 2 Rangkaian clipper dengan dioda zener
Rangkaian Clamper adalah rangkaian yang digunakan untuk memberikan offset tegangan DC,
Ulangi langkah di atas untuk dioda Ge, Si, dan zener
Laporan Praktikum - Laboratorium Dasar Teknik Elektro – STEI ITB
2
Penyearah dan Filter
Susun rangkaian seperti gambar, gunakan kopling DC untuk pengukuran tegangan
Rangkain Clamper
Amati betuk gelombang, frekuensi gelombang, dan pengaruh pemasangan C
4.
Ulangi langkah di atas untuk nilai C konstan dan variasi R
Lepas Rm dan Rl untuk mengukur tegangan output dengan multimete multimeterr
Ulangi dua langkah sebelumnya untuk: > Lepas hubungan trafo dan ground > Hubungkan resistor Rm diantaranya > Gambar bentuk arus, arus maksimum dan frekeunsinya
Hubungkan resistor variabel pada output rangkaian hingga diperoleh tegangan output sebesar setengah tegangan output perhitungan di langkah sebelumnya
Amati dengan osiloskop sinyal output yang diperoleh dan gambarkan bentuk sinyalnya
Susun rangkaian seperti pada gambar
H ASIL DAN A NALISIS NALISIS
Karakteristik Dioda Jenis Dioda
Tegangan Cutin [V]
Tegangan Breakdown [V]
Silikon
0,6
-
Germanium
0,4
-
Zener
0,7
-5,2
Tabel 1 Karakteristik dioda Lepaskan resistor variabel dan ukur resistansinya dengan multimeter
Susun rangkaian penyearah gelombang penuh dan ulangi seluruh tahap sebelumnya
Susun rangkaian penyearah gelombang penuh jembatan dan ulangi tahaptahap sebelumnya
Tegangan cut-in merupakan tegangan yang dibutuhkan agar dioda aktif dan mulai bekerja pada daerah forward bias. Sedangkan tegangan breakdown didapat ketika tegangan reverse bias melebihi batas tegangan yang dapat diblok oleh dioda.
Rangkaian Clipper
Susun rangkaian seperti pada gambar
Amati dengan osiloskop sinyal output yang diperoleh dan gambarkan bentuk sinyalnya
Susun rangkaian baru seperti gambar
Bandingkan hasil kedua percobaan
Amati dengan osiloskop sinyal output yang diperoleh dan gambarkan bentuk sinyalnya
Dalam percobaan ini, praktikan tegangan dioda (direpresentasikan oleh sumbu-x) terhadap tegangan pada resistor (direpresentasikan oleh sumbu-y). Namun, hal ini dapat kita anggap sebagai kurva karaktristik V-I karena arus yang terdapat pada dioda merupakan arus resistor yang dikalikan dengan nilai tertentu (konstanta) dari tegangan resistor tersebut (I=V/R; 1/R dianggap konstanta).
Pada tabel diperoleh bahwa tegangan cut-in dioda silikon sebesar 0,6 V. Tegangan ini memiliki nilai lebih kecil dari datasheet yaitu 0,7 V, tetapi nilainya hampir sama. Sedangkan kisaran tegangan breakdownnya sekitar 30-300V sehingga tidak dapat teramati melalui osiloskop. Pada tabel didapatkan bahwa tegangan cut-in dioda germanium sebesar 0,4 V. Tegangan ini memiliki nilai yang cukup dekat dengan datasheet yaitu 0,1 V. Sedangkan kisaran tegangan breakdownnya sekitar 30-300V sehingga tidak dapat teramati melalui osiloskop. Dioda germanium hanya membutuhkan tegangan sebesar 0,4 V agar aktif (sedangkan silikon membutuhkan 0,6 V). Sehingga dioda germanium bekerja lebih baik saat digunakan. Perbedaan ini didapatkan karena jumlah elektron pada
Laporan Praktikum - Laboratorium Dasar Teknik Elektro – STEI ITB
3
germanium lebih banyak daripada silikon walaupun keduanya berada pada golongan yang sama. Hal ini membuat nilai konduktansi germanium lebih tinggi dari silikon sehingga ia hanya butuh tegangan yang kecil agar bisa aktif. Pada tabel ditunjukkan bahwa tegangan cut-in dari dioda zener sebesar 0,7 V, sedangkan datasheet menunjukkan bahwa zener memiliki tegangan cut-in sebesar 0,7 V (nilainya sama). Sedangkan tegangan breakdown sebesar -5,2 V. Hal ini menunjukan bahwa dioda dioda zener memang dirancang agar dapat beroperasi pada daerah breakdown sehinga mampu digunakan sebagai voltage regulator .
mengakibatkan D1 dan D2 aktif secara bergantian. Tetapi, karena arus D1 dan D2 melewati R1, maka arus beban menjadi searah. Dari hal ini didapat bahwa rangkaian tersebut merupakan gabungan penyearah setengah gelombang yang bergantian aktif setiap setengah siklus sehingga diperoleh output gelombang penuh. Oleh karena itu didapatkan frekuensi gelombang riple sebesar dua kali frekuensi input, yaitu sebesar 100Hz. Rangkaian penyearah gelombang penuh jembatan (bridge) menunjukkan bahwa ketika rangkaian jembatan memperoleh sinyal input pada bagian positif, maka dioda kanan atas dan kiri bawah akan aktif dan dioda sinyal off sehingga arus I1 mengalir dari dioda kanan atas, RL, dioda kiri bawah. Berlaku juga sebaliknya ketika sinyal negatif, dioda kiri atas dan kanan bawah akan on dan dioda sinyal off sehingga I2 mengalir dari dioda kanan bawah, RL, dioda kiri atas. Arus pada RL (Voutput) merupakan penjumlahan I1 dan I2 sehinga diperoleh output gelombang penuh. Pada percobaan ini diperoleh hasil sebagai berikut untuk percobaan rangkaian gelombang setengah penuh:
Gambar 3 Karakteristik dioda Si
Gambar 4 Karakteristik dioda Ge
Gambar 5 Karakteristik dioda zener Penyearah dan Filter
Rangkaian penyearah setengah gelombang penuh menunjukkan bahwa ketika tegangan dari trafo (Vi) memiliki nilai positif, dioda akan aktif (forward bias) dan menghasilkan tegangan sebesar Vi. Ketika Vi negatif maka dioda akan open/off (reverse bias) sehingga tegangan yang dihasilkan konstan 0 V. Hal ini juga membuat frekuensi tegangan input dan output sama, yaitu sebesar 50 Hz. Rangkaian penyearah gelombang penuh dengan 2 dioda menunjukkan bahwa terminal sekunder dari trafo mengeluarkan tegangan yang sama besar tetapi fasa yang berlawanan dengan titik CT. Keduanya dihubungkan ke masing-masing dioda sehingga saat dioda 1 (D1) memeperoleh sinyal positif, dioda 2 (D2) akan mendapat sinyal negatif, hal ini berlaku sebaliknya juga. Hal ini
Rangka ian Diamat i
Penyearah Gelombang Setengah R Konstan
R (Ω)
27
Penyearah Gelombang Setengah C Konstan
27
180
1000
C (F)
470µ
100 0µ
220 0µ
VDC
6,5
7
7
6,5
14,5
18
Vripple (perhit ungan) (V)
2,76
2,59
1,17
2,76
1,71
0,38
Vripple (penga matan) (V)
3
2
1
3
1,5
0,5
Frek. Vripple (Hz)
50
50
50
50
50
50
Frek. Imaks (Hz)
50
50
50
50
50
50
470µ
Laporan Praktikum - Laboratorium Dasar Teknik Elektro – STEI ITB
4
Imaks (mA)
1300
140 0
150 0
1300
500
100
Tabel 2 Penyearah Setengah Gelombang Penuh
Diperoleh hasil sebagai berikut untuk percobaan rangkaian gelombang penuh 2 dioda: Rangka ian Diamat i
Penyearah Gelombang Penuh 2 Dioda R Konstan
R (Ω)
27
Penyearah Gelombang Penuh 2 Dioda C Konstan
27
180
1000
C (F)
470µ
100 0µ
220 0µ
VDC
10
10
10
10
16
19
Vripple (perhit ungan) (V)
1,97
0,92
0,42
1,97
0,47
0,1
Vripple (penga matan) (V)
2
Frek. Vripple (Hz)
100
100
100
100
100
100
Frek. Imaks (Hz)
100
100
100
100
100
100
Imaks (mA)
1100
470µ
Vripple (perhit ungan) (V)
1,97
0,92
0,42
1,97
0,47
0,1
Vripple (penga matan) (V)
2
1
0,5
2
0,8
0,2
Frek. Vripple (Hz)
100
100
100
100
100
100
Frek. Imaks (Hz)
100
100
100
100
100
100
Imaks (mA)
1100
110 0
110 0
1100
500
150
Tabel 4 Penyearah Gelombang Penuh Jembatan
1
110 0
0,5
110 0
2
1100
0,8
500
0,2
150
Tabel 3 Penyearah Gelombang Penuh 2 Dioda
Diperoleh hasil sebagai berikut untuk percobaan rangkaian gelombang penuh jembatan:
Dari analisis rangkaian penyearah gelombang penuh 2 dioda dan dioda jembatan, didapatkan bahwa untuk yang menggunakan dua dioda, dibutuhkan trafo dengan CT, tetapi untuk yang menggunakan dioda jembatan tidak perlu. Dari ketiga percobaan penyearah dan filter didapatkan bahwa penyearah dan filter gelombang penuh akan memberi tegangan ripple yang lebih kecil dari setengah penuh sehingga penyearah gelombang penuh akan lebih baik digunakan karena hasil lebih mendekati DC. Ketika komponen dioda ditambah dengan rangkaian RC, maka rangkaian tersebut berfungsi sebagai filter tegangan yang sudah disearahkan dioda sehingga mendekati tegangan DC, namun tegangan output yang dihasilkan masih memiliki tegangan ripple. Pada gelombang setengah penuh, nilai Vripple-nya adalah =
Rangka ian Diamat i
Penyearah Gelombang Penuh Jembatan R Konstan
Penyearah Gelombang Penuh Jembatan C Konstan
27
27
C (F)
470µ
100 0µ
220 0µ
VDC
10
10
10
180
1000
470µ
10
16
18
Sedangkan untuk gelombang penuh, nilai Vripplenya adalah =
R (Ω)
2
Kedua persamaan di atas menunjukkan bahwa nilai Vripple berbanding terbalik dengan nilai kapasitansi dan resistansi. Pada tabel di atas didapat nilai tegangan ripple yang kurang sesuai dengan perhitungan. Hal ini terjadi karena toleransi kapasitor dan resistor tidak diperhitungkan. Namun terlihat bahwa tegangan
Laporan Praktikum - Laboratorium Dasar Teknik Elektro – STEI ITB
5
ripple meningkat ketika kapasitansi turun dan resistansi konstan, begitu pula yang terjadi ketika resistansi diubah dengan kapasitansi konstan. Hal ini sudah membuktikan bahwa nilai tegangan ripple berbanding terbalik dengan kapasitansi maupun resistansi. Untuk komponen nilai tegangan DC, didapatkan nilai tegangan yang mendekati nilai tegangan sesuai teori, yaitu = −
1 2
Dalam percobaan ini, digunakan pengaturan alat dan komponen sebagai berikut:
Resistor R : 150 kΩ
Dioda D1 dan D2 : 1N4001/ 1N4002
Vin : Trafo CT 15 V pada kit praktikum
Tegangan DC : 5 Volt dari sumber tegangan DC
Dari percobaan yang dilakukan, didapat hasil pada osiloskop sebagai berikut.
Arus maksimum bisa didapatkan dengan mengukur tegangan pada resistor Rm (0,2 Ω). Nilai resistor yang diberikan harus sangat kecil agar tidak membebani rangkaian. Jika resistansi terlalu besar, rangkaian menjadi open circuit . Nilai resistansi output output bisa didapatkan didapatkan dengan membandingkan nulai tegangan saat tanpa beban dengan tegangan ketika diberi resistor variabel. Namun percobaan ini tidak sempat untuk dilakukan karena resistor dekade perlu dipergunakan secara bergiliran, dan praktikan tidak mendapat giliran hingga waktu praktikum selesai.
Gambar 6 Sinyal Rangkaian Clipper Dioda Biasa
Pada osiloskop terlihat bahwa sinyal output hanya setengah bagian, yakni di bagian negatif saja. Ini mungkin dikarenakan oleh rusaknya salah satu dioda biasa.
Rangkaian Clipper
Rangkaian clipper adalah rangkaian yang digunakan untuk membatasi tegangan agar tidak melebihi dari suatu nilai tegangan tertentu. Rangkaian ini dapat dibuat dari dioda dan sumber tegangan DC dan rangkaian alternatif dapat juga dibuat dengan menggunakan dioda zener. Rangkaian clipper yang dibuat dengan dua dioda biasa disusun dengan dioda yang berhubungan paralel, sedangkan untuk yang menggunakan dua dioda zener, dioda disusun secara seri. Adapun cara kerja rangkaian clipper pada percobaan kali ini adalah sebagai berikut. Dioda dan sumber tegangan sebagai rangkaian utama clipper dipasang secara paralel dengan jalur output rangkaian. Bila output rangkaian paralel dengan katoda dioda, maka bagian positif dari sinyal input akan dilewatkan, dan bagian negatif akan dipotong. Bila output rangkaian paralel dengan anoda dioda, maka bagian negatif dari sinyal input akan dilewatkan, dan bagian positif akan dipotong. Sumber tegangan yang dipasang seri dengan dioda biasa berfungsi sebagai batas pemotongan. Besarnya pemotongan sinyal adalah penjumlahan antara sumber tegangan yang diserikan dengan tegangan dioda. dioda. Pada rangkaian yang menggunakan dioda zener, tidak diperlukan sumber tegangan tambahan karena tegangan breakdown dioda sudah cukup besar sebagai batas pemotongan.
Gambar 7 Sinyal Rangkaian Clipper Dioda Zener
Sedangkan untuk rangkaian clipper yang menggunakan dioda zener, didapat hasil gambar sinyal pada osiloskop yang sesuai dengan ekspektasi teoretis dimana terjadi pemotongan tegangan di kedua bagian puncak. Dari kedua rangkaian clipper tersebut terlihat bahwa zener menghasilkan grafik sinyal output yang lebih halus. Hal ini disebakan dioda zener yang tegangannya tidak dapat berubah seketika sehingga harus mengikuti grafik eksponensial. Rangkaian Clamper
Rangkaian clamper adalah rangkaian yang digunakan untuk memberikan offset tegangan DC, dengan demikian, tegangan yang dihasilkan adalah tegangan input ditambahkan dengan tegangan DC. Rangkaian clamper diharuskan untuk memiliki kapasitor, resistor, dan dioda. Dioda digunakan sebagai pengatur waktu pengisian kapasitor. Ketika arus melewati dioda, pengisian dilakukan dan ketika arus melewati resistor, pengosongan dilakukan. Kapasitor akan menyimpan tegangan awal yang memberi nilai offset DC pada tegangan AC Dari rangkaian percobaan ini dapat dianalisis bahwa = +
Laporan Praktikum - Laboratorium Dasar Teknik Elektro – STEI ITB
6
Vc akan mengarah ke kiri karena pengisian tegangan kapasitor terjadi saat arus yang berasak dari dioda sedang mengalir.
Percobaan ini tidak sempat dilakukan karena keterbatasan waktu praktikum. Praktikan mencoba untuk mencari aproksimasi bentuk sinyal rangkaian clamper di internet dan didapatkan hasil sebagai berikut.
Rangkaian RLC dapat berfungsi sebagai filter rangkaian sehingga sinyal output dapat menjadi atau menyerupai sinyal DC. Dioda dapat berguna untuk pembatas nilai tegangan dengan menggunakan rangkaian clipper. Pada dioda biasa, digunakan tegangan DC tambahan sebagai nilai pembatas, sedangkan pada dioda zener, digunakan tegangan breakdown sebagai nilai pembatas sehingga tegangan yang terpotong lebih halus. Rangkaian clamper dari dioda dapat digunakan untuk memberikan tegangan offset DC. D AFTAR PUSTAKA
Gambar 8 Sinyal Rangkaian Clamper
[1]
Gambar menunjukkan Vo merupakan Vi yang mendapat offset. Ketika nilai tegangan power supply diperbesar, maka grafik akan bergeser naik. Ketika tegangan dari power supply turun, maka grafik akan bergeser turun. Hal ini menunjukkan fungsi clamper untuk memberi nilai offset DC.
Mervin T. Hutabarat, Petunjuk Praktikum: Praktikum Elektronika, Laboratorium Dasar Teknik Elektro, Bandung, 2017. 2017.
[2]
Sedra, A. and Smith, K., Microelectric Circuits 6th ed, Oxford University Press, USA, 2010.
5.
K ESIMPULAN ESIMPULAN
Dioda mempunyai perbedaan karakteristik yang bergantung pada bahan penyusunnya. Kurva karakteristik dapat digunakan untuk mengetahui tegangan cut-in dan breakdown dari dioda. Dioda germanium memiliki tegangan cut in yang lebih rendah dari dioda silikon. Dioda biasa hanya dapat digunakan untuk daerah forward bias, sedangkan dioda zener dapat digunakan pada daerah reverse bias karena mampu bekerja pada tegangan breakdown-nya. Dioda dapat digunakan sebagai penyearah. Penyearah gelombang penuh lebih baik digunakan dibanding gelombang setengah penuh karena tegangan ripple yang dihasilkan lebih kecil. Tegangan ripple memiliki nilai yang berbanding terbalik dengan nilai resistansi dan kapasitansi. Gelombang setengah penuh memiliki frekuensi yang sama dengan frekuensi jala-jala, sedangkan frekuensi gelombang penuh merupakan dua kali frekuensi jala jala. Laporan Praktikum - Laboratorium Dasar Teknik Elektro – STEI ITB
7
