Upload
oktarico-pradana
View
325
Download
6
Embed Size (px)
Citation preview
1
Laporan Praktikum
Dasar Elektronika
Karakteristik Dioda
Nama : Oktarico Susilatama P
NIM : 21060110141053
Kelas : B
Kelompok : 23
TEKNIK ELEKTRO
UNIVERSITAS DIPONEGORO
2011/2012
2
1. Judul Percobaan : Karakteristik Dioda
V V
Gambar 1.1 Rangkaian Percobaan Karakteristik Dioda Bias Maju
V V
Gambar 1.2 Rangkaian Percobaan Karakteristik Dioda Bias Mundur
2. Alat dan Bahan
1. DC Power Supply sebagai sumber tegangan DC.
2. Digital Multimeter DT 9205A, sebagai alat ukur besaran listrik.
3. 1 buah dioda.
4. Kabel jumper, sebagai kabel penghubung antar komponen dan sumber
tegangan.
5. 1 buah resistor 1 Kilo Ohm ( terbaca oleh alat ukur R = 1 Kilo Ohm )
3
3. Teori Singkat
Diode merupakan komponen elektronik yang dibuat dari bahan
semikonduktor ( silikon atau germanium) tipe p (lubang) dan tipe n (elektron
bebas) yang disatukan. Dioda memiliki dua kaki yaitu anoda yang
dihubungkan pada sumber tegangan positif dan katoda yang dihubungkan
pada sumber negatif. Arus listrik mengalir dari kaki anoda ke kaki katoda,
atau dari semihantar p ke semihantar n (forward bias). Bila kaki anoda
dihubungkan sumber negatif dan kaki katoda dihubungkan ke sumber positif
(reverse bias) maka diode akan memiliki hambatan yang sangat besar
sehingga arus tidak bisa lewat. Dioda memiliki fungsi yang unik yaitu hanya
dapat mengalirkan arus satu arah saja tetapi disisi lain dioda juga dapat
menahan arus yang berlawanan arah. Struktur dioda adalah sambungan
semikonduktor P dan N. Satu sisi adalah semikonduktor dengan tipe P dan sisi
yang lain adalah tipe N. Dengan struktur demikian arus hanya akan dapat
mengalir dari sisi P menuju sisi N.
Suatu sumber tegangan dengan polaritas seperti pada gambar 1.1
disebut prategangan maju. Lubang dari tipe p melewati persambungan ke tipe
n, dimana lubang tersebut membentuk arus minoritas terinjeksikan. Dengan
cara yang sama, elektron akan melintasi persambungan menjadi arus minoritas
yang diinjeksikan ke dalam sisi p. Lubang-lubang bergerak dari sisi kiri ke
kanan dalam arah arus yang sama dengan arus elektron yang bergerak dari
kanan ke kiri. Oleh karena itu, arus yang melewati persambungan adalah
jumlah dari arus minoritas lubang dan elektron.
Misalkan bahwa tegangan maju sebesar V dalam gambar 1.1 dinaikkan
sampai nilai V mendekati Vo. Seandainya V sama dengan Vo, maka barrier
akan hilang, dan arus menjadi besar sekali, dan melebihi nilai kemampuan
dari dioda. Maka dalam prakteknya, kita tidak akan dapat mengecikan barrier
sampai dengan nol, karena apabila arus dinaikkan tanpa batas, maka tahanan
tubuh kristal dan tahanan kontak-kontak ohmik akan membatasi arus tersebut.
Disini, yang dimaksud dengan kontak ohmik adalah potensial kontak lintas
4
persambungan-persambungan, yang besarnya tetap, serta tidak terpengaruh
pada arah dan besar arus. Oleh karena itu, tidak mungkin menganggap semua
tegangan V akan muncul sebagai perubahan lintas persambungan p-n. Maka
dapat disimpulkan, bila nilai tegangan maju V mendekati Vo, arus yang
melalui dioda p-n yang sebenarnya akan ditentukan oleh tahanan kontak
ohmik dan tahanan tubuh kristal. Oleh karena itu, karakteristik hubungan volt-
ampere hampir menyerupai garis lurus.
Bila kaki anoda dihubungkan sumber negatif dan kaki katoda
dihubungkan ke sumber positif (reverse bias) maka diode akan memiliki
hambatan yang sangat besar sehingga arus tidak bisa lewat. Sehingga dioda
hanya bisa dialiri arus listrik bila dipasang pada kondisi forward bias ( hanya
dari satu arah saja), oleh karena itu, maka diode dipakai untuk mengubah arus
bolak-balik (AC) menjadi arus searah (DC). Untuk lebih jelasnya, perhatikan
gambar dioda di bawah ini.
P N
-
-
-
-
-
+
+
+
+
+
Anoda
(A)Katoda
(K)
Junction
Gambar 1.3 Penampang sebuah dioda
Di sekitar persambungan semihantar terdapat daerah transisi atau disebut
juga daerah muatan ruang. Di daerah transisi ini terdapat tembok potensial /
potential barrier (Vγ). Besarnya tembok potensial bergantung pada jenis semi
konduktor yang dipakai, untuk silikon (Si) mempunyai besar Vγ sebesar 0,7
volt dan untuk germanium (Ge) mempunyai Vγ sebesar 0,3 volt. Pada kondisi
forward bias (dioda diberi tegangan maju) yaitu dimana anoda lebih positif
dibandingkan dengan katoda maka Vγ merendah sebaliknya jika diode diberi
reverse bias (diode diberi tegangan mundur) yaitu dimana katoda lebih positif
daripada anoda maka Vγ meninggi. Untuk tembok potensial meninggi maka
tidak ada perpindahan muatan atau besarnya arus adalah nol ( idealnya),
namun praktisnya tetap ada arus meskipun sangat kecil
5
A K
Untuk operasi sinyal kecil, tahanan dinamik atau inkrimental r adalah
suatu parameter yang penting, dan didefinisikan sebagai kebalikan dari
kemiringan karakteristik volt-ampere, dI
dVr . Untuk prategangan maju,
besarnya adalah I
Vtr
. Tahanan dinamik berbanding terbalik dengan arus,
pada temperature kamar, untuk η = 1, I
r26
, dimana I dalam mA, dan r
dalam ohm. Untuk arus maju 26 mA, tahanan dinamiknya sebesar 1Ω.
Tahanan ohmik dari bahan semikonduktor secara keseluruhan (di luar
persambungan) mungkin mempunyai orde besar yang sama atau lebih tinggi
dari nilai ini.
3.1 Simbol dan struktur dioda
Gambar 1.4 Simbol dioda
Gambar ilustrasi di atas menunjukkan sambungan P-N dengan sedikit
porsi kecil yang disebut lapisan deplesi (depletion layer), dimana terdapat
keseimbangan hole dan elektron. Seperti yang sudah diketahui, pada sisi P
banyak terbentuk hole-hole yang siap menerima elektron sedangkan di sisi N
banyak terdapat elektron-elektron yang siap untuk bebas merdeka.
6
3.2 Karateristik Dioda Prategangan Maju / forward bias
Pada Gambar 1.4 kita dapat melihat suatu rangkaian ditata bias maju
dengan sebuah sumber DC. Pusat sumber positif dihubungkan dengan anoda /
p sedangkan kutub negatif sumber mengenai katoda / n.
Gambar 1.5 Rangkaian Percobaan Dioda Prategangan Maju
Dari gambar di atas, dapat kita amati bahwa sumber (baterai) mendorong
lubang-lubang dan elektron bebas menuju sambungan. Jika tegangan baterai
lebih kecil daripada hambatan potensial / tembok potensial (V<Vγ), maka
elektron bebas tidak mempunyai cukup energi untuk melintasi lapisan deplesi
/ daerah transisi, sehingga tidak ada arus yang melintasi dioda.
Ketika sumber tegangan baterai lebih besar daripada tembok potensial
(V>Vγ), baterai mendorong kembali lubang-lubang dan elektron-elektron
bebas menuju ke sambungan. Pada saat tersebut elektron bebas mempunyai
cukup energi untuk melintasi lapisan deplesi dan bergabung dengan lubang-
lubang. Arus mengalir dengan mudah dalam bias / prasikap maju dioda.
Sepanjang penerapan tegangan lebih besar dibandingkan hambatan potensial /
tembok potensial, maka akan terjadi arus kuat yang secara terus-menerus
melalui dioda.
Karena I≠0 maka tembok potensial merendah
Anoda lebih positif daripada katoda
Dioda berprasikap maju (forward bias)
V>Vγ maka I ≠ 0
7
Untuk dioda yang terbuat dari bahan Silikon tegangan konduksi (Vγ)
adalah diatas 0.7 volt. Kira-kira 0.3 volt batas minimum untuk dioda yang
terbuat dari bahan Germanium.
8
3.3 Karakteristik Dioda Prategangan Mundur / reverse bias
Gambar 1.5 menunjukkan suatu rangkaian dioda, dengan sumber
tegangan DC melintasi sebuah dioda. Saat ini, kutub positif sumber (baterai)
dihubungkan pada katoda atau sisi n sedangkan kutub negatif baterai
dihubungkan ke anoda atau sisi p.
Gambar 1.6 Rangkaian Percobaan Dioda Prategangan Mundur
Pada rangkaian diatas jika polaritas tegangan dibalik yaitu dengan
memberikan bias negatif (reverse bias). Dalam hal ini, sisi N mendapat
polaritas tegangan lebih besar dari sisi P. maka didalam dioda tidak akan
terjadi perpindahan elektron atau aliran hole dari P ke N maupun sebaliknya.
Karena baik hole dan elektron masing-masing tertarik ke arah kutup
berlawanan. Bahkan lapisan deplesi (depletion layer) semakin besar dan
menghalangi terjadinya arus. Pada kondisi ini dioda tidak dapat mengalirkan
arus, namun kondisi tarsebut ada batasnya. Sampai beberapa puluh bahkan
ratusan volt baru terjadi breakdown, dimana dioda tidak lagi dapat menahan
aliran elektron yang terbentuk di lapisan deplesi.
Ketika perbedaan potensial sama dengan penerapan tegangan reverse
Lapisan deplesi berhenti berkembang. Ketika hal ini terjadi, elektron-elektron
dan lubang-lubang berhenti bergerak keluar sambungan. Setelah lapisan
deplesi stabil ada sebuah arus kecil pada reverse bias. Sedikit pembawa
minoritas berada pada kedua sisi sambungan, sebagian besar begabung dengan
pembawa mayoritas. Tetapi yang berada di dalam lapisan deplesi berada lebih
lama untuk melintasi sambungan. Ketika hal ini terjadi, sebuah arus mengalir
dalam rangkaian luar. Arus reverse disebabkan oleh panas yang menghasilkan
minoritas disebut juga arus jenuh.
9
Di samping arus pembawa minoritas, terdapat arus bocor dalam sebuah
dioda prasikap mundur. Arus kecil ini mengalir pada permukaan kristal (arus
permukaan – bocor), hal ini disebabkan karena permukaan yang tidak murni
dan tidak sempurna dalam struktur kristal. Jadi arus adalah mendekati nol
pada dioda bias balik / prasikap mundur.
Karena I = 0, tembok potensial meninggi
Anoda lebih negatif daripada katoda
Dioda berprasikap mundur (reverse bias)
V bebas (V> atau < Vγ), asal sesuai dengan kemampuannya / tidak
melampaui kemampuannya.
3.4 Hubungan antara tegangan dan arus pada dioda ideal
Gambar1.7 Grafik Hubungan antar tegangan dan arus dioda
Pada gambar grafik diatas dapat diketahui bahwa pada kondisi dioda
diberi penambahan pra tegangan maju (forward bias) terjadi penambahan
nilai arus yang mengalir atau dapat dikatakan nilai tegangan berbanding lurus
dengan arus), sebaliknya ketika dioda diberikan pra tegangan mundur (
reverse bias ) maka arus tidak akan bisa mengalir hingga batas tegangan
tertentu ( 100 volt ), selebihnya arus akan dapat mengalir ketika dioda dalam
keadaan break down.
10
4. Hasil Percobaan
Berdasarkan percobaan karakteristik diode didapatkan hasil data
pengamatan seperti pada table dibawah ini :
Tabel 1.1 Data Hasil Percobaan Karakteristik Dioda
No
Tegangan
Sumber
(Vs) volt
Tegangan
Dioda Maju
(VD) volt
Tegangan
Beban Dioda
Maju (VL)
volt
Tegangan
Dioda Mundur
(VD) volt
Tegangan
Beban Dioda
Mundur (VL)
volt
1 2,2 0,5 0,8 2,2 0
2 3,5 0,6 2 3,5 0
3 4,5 0,6 3,2 4,5 0
4 5,8 0,7 3,3 5,8 0
5 7 0,6 5,8 7 0
6 8,6 0,6 6,8 8,6 0
7 9,5 0,6 8,3 9,5 0
8 10,5 0,6 8,5 10,5 0
9 11,6 0,6 10,3 11,6 0
10 12,6 0,6 11,5 12,6 0
11
5. Pembahasan
Tabel 1.2 Data Hasil Percobaan Karakteristik Dioda
No
Tegangan
Sumber
(Vs) volt
Tegangan
Dioda Maju
(VD) volt
Tegangan
Beban Dioda
Maju (VL)
volt
Tegangan
Dioda Mundur
(VD) volt
Tegangan
Beban Dioda
Mundur (VL)
volt
1 2,2 0,5 0,8 2,2 0
2 3,5 0,6 2 3,5 0
3 4,5 0,6 3,2 4,5 0
4 5,8 0,7 3,3 5,8 0
5 7 0,6 5,8 7 0
6 8,6 0,6 6,8 8,6 0
7 9,5 0,6 8,3 9,5 0
8 10,5 0,6 8,5 10,5 0
9 11,6 0,6 10,3 11,6 0
10 12,6 0,6 11,5 12,6 0
Dari data diatas dapat diketahui bahwa pada Forward bias nilai tegangan
beban semakin besar seiring dengan pertambahan tegangan sumber sementara
tegangan pada diode konstan, sedangkan untuk reverse bias nilai tegangan
beban adalah sama dengan nol ini dikarenakan posisi dioda terbalik (reverse).
12
5.1. Perhitungan Arus Dioda
Pada gambar 1.1 terlihat bahwa arus yang mengalir pada diode
besarnya sama dengan arus pada resistor .Hal ini dikarenakan dalam suatu
rangkaian yang disusun secara seri nilai arus pada bagian-bagiannya adalah
sama besarnya, Sehingga nilai arus pada dioda dapat hitung sebagai berikut:
I = R
V
Tabel 1.3 Hasil Perhitungan Arus pada Dioda
No Sumber
(Vs) volt
Tegangan Beban (VL)
Volt RL
(KΩ)
Arus beban (IL) Ampere
Diode
Maju
Diode
Mundur
Diode
Maju
Diode
Mundur
1 2,2 0,8 0 1 0,0008 0
2 3,5 2 0 1 0,002 0
3 4,5 3,2 0 1 0,0032 0
4 5,8 3,3 0 1 0,0033 0
5 7 5,8 0 1 0,0058 0
6 8,6 6,8 0 1 0,0068 0
7 9,5 8,3 0 1 0,0083 0
8 10,5 8,5 0 1 0,0085 0
9 11,6 10,3 0 1 0,0103 0
10 12,6 11,5 0 1 0,0115 0
Perhitungan diatas berdasarkan aturan arus pada rangkaian seri, nilai
arus yang mengalir pada suatu hambatan sama dengan nilai arus yang
mengalir pada dioda tersebut. Arus pada reverse bias sama dengan nol, karena
kutub negatif baterai dihubungkan dengan sisi p dari persambungan lubang
dalam tipe p dan elektron dalam tipe n bergerak menjauhi persambungan.
Oleh karenanya daerah bermuatan negatif menyebar ke sebelah kiri
persambungan dan rapat muatan positif menyebar ke sebelah kanannya.
13
5.2 Perhitungan Daya Dioda
Dalam menghitung nilai daya pada dioda dapat digunakan
rumus sebagai berikut:
P=VI
Dimana :
P = daya diode
V = tegangan diode
I = arus pada diode
Tabel 1.4 Hasil perhitungan daya pada dioda
No Sumber
(Vs) volt
Tegangan Beban
(VL) volt RL (Ω)
Arus Beban (ampere) Daya Beban (watt)
Diode
Maju
Diode
Mundur
Diode
Maju
Diode
Mundur
Diode
Maju
Diode
Mundur
1 2,2 0,8 0 1000 0,0008 0 0,00064 0
2 3,5 2 0 1000 0,002 0 0,004 0
3 4,5 3,2 0 1000 0,0032 0 0,01024 0
4 5,8 3,3 0 1000 0,0033 0 0,01089 0
5 7 5,8 0 1000 0,0058 0 0,03364 0
6 8,6 6,8 0 1000 0,0068 0 0,04624 0
7 9,5 8,3 0 1000 0,0083 0 0,06889 0
8 10,5 8,5 0 1000 0,0085 0 0,07225 0
9 11,6 10,3 0 1000 0,0103 0 0,10609 0
10 12,6 11,5 0 1000 0,0115 0 0,13225 0
Pada kondisi reverse bias daya beban yang dihasilkan nol, hal ini
dikarenakan arus yang mengalir pada beban ialah nol. Kuat arus sebanding
dengan daya yang mengalir, sehingga jika arus yang mengalir besar maka
dayanya pun besar, begitu pula sebaliknya.
14
5.3 Pembuatan Grafik V–I Dioda
5.3.1 Grafik Tegangan -Arus dioda prasikap maju
Dari hasil perhitungan arus maju dan data tegangan maju dioda dari
hasil percobaan membentuk kurva sebagai berikut
Gambar 1.7 Kurva I-V pada diode maju
Pada grafik di atas terlihat bahwa pada kondisi forward bias besarnya
arus berbanding lurus dengan besarnya tegangan, arus, sebagaimana rumus
RIV .
0
0,002
0,004
0,006
0,008
0,01
0,012
0,014
V 0,8 2 3,23,35,86,88,38,510,311,5
aru
s b
eb
an (
amp
ere
)
Tegangan beban (volt)
Kurva Dioda Maju
15
5.3.2 Grafik Tegangan – Arus dioda prasikap mundur
Dari hasil perhitungan arus mundur dan data tegangan mundur dioda
dari hasil percobaan membentuk kurva sebagai berikut.
Gambar 1.8 Kurva I-V pada diode mundur
Pada gambar 1.8 terlihat bahwa hubungan tegangan dan arus yang diseri
terhadap dioda reverse menunjukan ketiadaan arus dan tegangan pada beban
tersebut. Hal ini terjadi karena dioda akan menghantarkan arus apabila tegangan
yang melewati dioda lebih besar dari pada tegangan konduksi pada dioda tersebut.
Dalam pratikum elektronika dasar pratikan menggunakan dioda silicon dengan
Vd=0,7 volt. Dioda reverse akan menghantarkan arus pada beban jika tegangan
yang melewati dioda reverse tersebut lebih besar dari pada tegangan yang
diberikan pada dioda tersebut. Terlihat pada tabel 1.1. Pada karakteristik dioda
reverse dapat menahan/memblok arus. Dalam hal ini dioda berfungsi sebagai
sakelar pada rangkaian elektronika.
Akan tetapi terdapat batas tegangan breakdown pada dioda yaitu
mendekati 75 volt sesuai pada gambar 1.9. Jika melebihi batas tegangan tersebut
dioda dapat dipastikan rusak secara permanen.
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
Aru
s b
eb
an (
amp
ere
)
Tegangan beban (volt)
Kurva Dioda Mundur
16
Gambar 1.9 Kurva ideal karakteristik V-I dioda
17
6. Kesimpulan
Dari percobaan tentang karakteristik diode dapat diambil beberapa
kesimpulan diantaranya :
1. Dioda merupakan komponen semikonduktor yang hanya dapat
mengalirkan arus satu arah saja.
2. Pada saat dioda diberi prategangan maju (forward bias) ,maka dioda
dapat mengalirkan arus, hal ini disebabkan tembok potensial rendah.
3. Pada saat dioda diberi prategangan balik (reverse bias), maka dioda
sulit mengalirkan arus, hal ini disebabkan tembok potensial yang
meninggi sehingga dioda memiliki hambatan tak terhingga.
4. pada kondisi reverse bias dioda akan dapat mengalirkan arus ketika
mengalami pendadalan(breakdown), hal ini terjadi ketika teganagn
mundur yang diberikan mendekati ±100 volt.
5. Dioada selain berfungsi sebagai penyearah dapat berfungsi sebagai
sakelar pada rangkaian elektronik.
6. Pada posisi reverse, dioda dapat memblok arus yang melewatinya
dalam batas tegangan breakdown mendekati 75 volt.