Fungsi Dioda Dan Cara Mengukur Dioda Produksi Perakitan Elektronik
Bab i Dioda Tyas
-
Upload
erlian-husna-faradiba -
Category
Documents
-
view
284 -
download
1
Transcript of Bab i Dioda Tyas
BAB I
DIODA
Tujuan Instruksional Khusus :
Setelah akhir kuliah diharapkan mahasiswa dapat :
1. Menjelaskan karakteristik dioda
2. Menghitung besarnya arus yang mengalir pada dioda
3. Menganalisa rangkaian dioda
4. Menyebutkan jenis-jenis penyearah
5. Menentukan parameter-parameter untuk merencanakan penyearah
6. Menjelaskan kegunaan filter pada rangkaian penyearah
7. Menentukan jenis filter pada penyearah
8. Menghitung nilai filter yang digunakan pada penyearah
9. Menjelaskan karakteristik diode zener
10. Menggunakan diode zener sebagai regulator pada penyearah
1.1 Pendahuluan
Dioda merupakan salah satu komponen semikonduktor yang dapat mengalirkan
arus dalam satu arah. Arus akan mengalir dari anoda ke katoda jika dioda di bias maju,
yaitu anoda terhubung dengan positif sumber dan katoda terhubung dengan negatif
sumber. Dioda banyak dipakai pada rangkaian elektronika maupun telekomunikasi.
Salah satu aplikasi dioda yang sering dipakai adalah rangkaian penyearah, Rangkaian
ini terdiri dari satu atau beberapa dioda.
1.2 Karakteristik dioda
Kurva karakteristik dioda menunjukkan hubungan antara arus yang mengalir
dengan tegangan anoda katoda VAK, seperti terlihat pada Gambar 1.1
Gambar 1.1 Karakteristik dioda Silikon dan Germanium (Robert Boylestad and Louis Nashelsky : 16)
Pada saat dioda dibias maju, yaitu VAK positif maka arus dioda ID akan naik
dengan cepat setelah VAK mencapai tegangan cut in Vγ sebesar kira-kira 0,3 V untuk
dioda germanium dan 0,7 V untuk dioda silikon.
Karakteristik dioda pada saat di bias mundur terlihat pada bagian kiri bawah dari
karakteristik Gambar 1.1. Besarnya arus jenuh mundur (reverse saturation current) Is
untuk dioda germanium dalam orde mikro amper μA, dan dalam contoh di atas adalah 1
uA. Sedangkan untuk dioda silikon, arus saturasi Is dalam orde nano amper nA, dalam
hal ini adalah 10 nA, dan besarnya arus yang mengalir pada dioda adalah:
I D=I s (e (V D /η .V T )−1 ) (1.1)
dengan :
ID = arus dioda (Amper)
IS = arus saturasi (Amper)
e = bilangan natural ( 2, 71828…)
VD = beda tegangan pada dioda
η = konstanta, 1 untuk Ge dan 2 untuk Si
VT = tegangan ekivalen temperatur (volt)
harga VT ditentukan dengan persamaan :
V T=kTq
(1.2)
dengan :
k = konstanta Boltzman, 1,381 x 10-23 J/K
T = suhu (Kelvin)
q = muatan sebuah elektron , 1.602 x 10-19
Pada suhu ruang, 250 C atau 273 + 25 = 2980 K, maka dapat dihitung besarnya VT
V T=1,38 x 10−23 J /K x 2980 K
1.602 x10−19
= 0,02569 J/C
= 26mV
1.3 Pendekatan Dioda
Dalam menganalisa rangkaian dioda, dapat digunakan tiga macam model
pendekatan (aproximate) dioda, yaitu :
Ideal model
Simplified model
Piecewise-linear model
Penggambaran ketiga model untuk dioda Silikon ditunjukkan pada Tabel 1.1.
Tabel 1.1 Aproksimasi Dioda
Model Gambar KarakteristikModel ideal
Simplified model
Piece-wise model
Dioda ideal menyerupai suatu saklar, bila VD positip saklar akan menutup (dioda
ON) sehingga arus ID besar dan bila VD negatif saklar akan membuka (dioda OFF)
sehingga arus ID = 0. Model dioda ideal dipakai terutama dalam kondisi apabila
tegangan dan resistansi jaringan sangat besar, misalnya pada power supply.
Pendekatan kedua adalah lebih lengkap dari model ideal yaitu model dioda
sederhana (Simplified model). Rangkaian ekivalennya terdiri atas dioda ideal yang diseri
dengan tegangan batere sebesar 0.7 V (untuk dioda silikon). Tegangan batere ini sebesar
tegangan cut-in dari dioda yang bersangkutan.
Pendekatan ketiga adalah yang paling komplek yaitu rangkaian ekivalen
piecewise-linier. Meskipun rangkaian ekivalen ini dianggap paling akurat, namun
bagian nonlinier dari kurva bias maju tetap dianggap sebagai linier.
Contoh Soal
1.
Hitunglah VD, VR, dan ID dari rangkaian disamping.
Jawab :
V D=0,7 Volt
V R=E−V D
¿8−0,7
¿7,3 Volt
I D=I R=V R
R= 7,3
2k 2=3,32 mA
2. Hitung tegangan output VO dan arus yang mengalir ID dari rangkaian berikut
Jawab :
dengan menggunakan pendekatan kedua, maka :
V o=E−V T 1−V T 2
¿12−0,7−0,3¿11V
I D=I R=V R
R=
V O
R= 11
5 k 6 = 1,96 mA
1.4 Penyearah
Salah satu pemakaian dioda adalah penyearah. Penyearah berarti mengubah arus
bolak-balik (ac) menjadi arus searah (dc). Sebagian besar peralatan elektronik
membutuhkan sumber daya yang berupa arus searah. Untuk kebutuhan daya dan
tegangan yang kecil biasanya cukup digunakan baterai atau accu, namun untuk lebih
dari itu diperlukan power supply.
1.4.1 Penyearah Setengah Gelombang
Rangkaian penyearah setengah gelombang Gambar 1.2, mendapat masukan dari
sekunder trafo yang berupa sinyal ac berbentuk sinus, vi = Vm Sin ωt.
Gambar 1.2 Penyearah setengah gelombang
Vm merupakan tegangan puncak atau tegangan maksimum. Harga Vm hanya bisa
diukur dengan CRO (Catode Ray Osciloscope) yakni dengan melihat langsung pada
gelombangnya. Sedangkan pada umumnya nilai yang tercantum pada sekunder trafo
adalah tegangan efektif. Hubungan antara tegangan puncak Vm dengan tegangan
efektif (Veff) atau tegangan rms (Vrms) adalah:
V eff =V rms=V m
√2=0,707V m (1.2)
I rms = Ieff = Io/2 = 0.707 Io
Tegangan 110 V atau 220 V yang diberikan oleh PLN ialah tegangan rms (root
main square), bukan tegangan maksimum.
Selama interval t = 0 → T/2, polaritas tegangan vi seperti terlihat pada Gambar
1.3, membuat dioda menjadi konduksi, ekivalen dengan rangkaian yang hubung singkat
(short circuit). Akibatnya tidak ada beda tegangan antara input dengan output sehingga
vo = vi.
Untuk perioda t = T/2 → T, polaritas tegangan vi seperti pada Gambar 1.4,
mengakibatkan dioda tidak konduksi , atau ekivalen dengan rangkaian yang terbuka
(open circuit). Sehingga tidak ada arus yang mengalir dan tegangan pada output vo = 0.
Gambar 1.5 menunjukkan sinyal input dan ouput penyearah setengah gelombang
Gambar 1.3 Sinyal ouput antara 0 → T/2
Gambar 1.4 Sinyal output pada perioda T/2 → T
Gambar 1.5 Sinyal input dan ouput penyearah setengah gelombang
Arus dioda id yang mengalir pada beban R adalah :
i = Im sin ωt , untuk 0 < ωt < π dan,i = 0 , untuk π < ωt < 2π
dengan :
I m=V m
Rs+r d+R
dengan, Rs : Resistansi sekunder Trafo
rs : Resistansi dioda
R : Beban
maka besarnya arus rata-rata Idc :
I dc=1
2 π∫0
2 π
I msin ωt
¿ 12 π
∫0
π
I m sin ωt
I dc=I m
π≅ 0,318 I m
Tegangan dc pada beban R adalah :
V dc=I dc R=I m
πR
Jika R >>> Rs + rd , maka :
V dc=V m
π≅ 0,318V m
Arus yang mengalir ke beban R bentuknya sudah searah (satu arah) yaitu positip
semua. Apabila arah dioda dibalik, maka arus yang mengalir adalah negatip. Frekuensi
sinyal keluaran dari penyearah setengah gelombang sama dengan frekuensi input (dari
jala-jala listrik) yaitu 50 Hz, karena jarak dari puncak satu ke puncak berikutnya adalah
sama. Bila diperhatikan meskipun sinyal keluaran masih berbentuk gelombang, namun
arah gelombangnya adalah sama, yaitu positif (Gambar 1.5).
1.4.2 Penyearah Gelombang Penuh
Terdapat dua jenis penyearah gelombang penuh, yaitu :
a. Penyearah Gelombang penuh dengan CT (Center Tap)
Terdapat cara yang sangat sederhana untuk meningkatkan kuantitas keluaran
positip menjadi sama dengan masukan (100%). Ini dapat dilakukan dengan menambah
satu dioda pada rangkaian seperti terlihat pada gambar 1.6. Pada saat masukan berharga
negatif maka salah satu dari dioda terbias maju sehingga memberikan keluaran positif.
Karena keluaran berharga positif pada satu periode penuh, maka rangkaian ini disebut
penyearah gelombang penuh.
Gambar 1.6 Penyearah gelombang penuh dengan trafo CT
Pada gambar 1.6 terlihat bahwa anoda pada masing-masing dioda dihubungkan
dengan ujung-ujung rangkaian sekunder dari transformer. Sedangkan katoda masing-
masing dioda dihubungkan pada titik positif keluaran. Beban R dari penyearah
dihubungkan antara titik katoda dan titik center-tap (CT) yang dalam hal ini digunakan
sebagai referensi atau “tanah”.
Mekanisme terjadinya konduksi pada masing-masing dioda tergantung pada
polaritas tegangan yang terjadi pada masukan. Keadaan positif atau negatif dari
masukan didasarkan pada referensi CT. Pada gambar 1.7 nampak bahwa pada setengah
periode pertama misalnya, vi berharga positif, menyebabkan D1 konduksi dan D2 tidak
konduksi. Pada setengah periode ini arus mengalir di D1 dan menghasilkan keluaran
yang akan nampak pada hambatan beban R.
Gambar 1.7 Kondisi tegangan input vi positif
Pada setengah periode berikutnya, vi berharga negatif (gambar 1.8),
menyebabkan D2 konduksi dan D1 tidak konduksi. Pada setengah periode ini mengalir
arus di D2 dan menghasilkan keluaran yang akan nampak pada hambatan beban. Dengan
demikian selama satu periode penuh hambatan beban akan dilewati arus D1 dan D2
secara bergantian dan menghasilkan tegangan keluaran dc.
Gambar 1.8 Tegangan input vi negatif
b. Penyearah Gelombang Penuh Sistem Jembatan
Penyearah gelombang penuh model jembatan (Bridge) memerlukan empat buah
dioda. Dua dioda akan konduksi saat isyarat positif dan dua dioda akan konduksi saat
isyarat negatif. Model penyearah jembatan ini tidak memerlukan transformator center-
tap.
Gambar 1.9 Penyearah gelombang penuh model jembatan
Seperti ditunjukkan pada gambar 1.9, bagian masukan ac dihubungkan pada
sambungan D1-D2 dan yang lainnya pada D3-D4. Katode D2 dan D4 dihubungkan dengan
keluaran positif dan anode D1 dan D3 dihubungkan dengan keluaran negatif (tanah).
Gambar 1.10 Kondisi saat vi positif
Misalkan masukan ac vi positif yaitu saat periode 0 → T/2, maka D2 dan D3
konduksi karena terbias maju seperti terlihat pada Gambar 1.10, sedangkan D1 dan D4
tidak konduksi. Pada keadaan ini arus akan mengalir dari vi positif melalui D2 ke beban
R terus melalui D3 dan menuju ke vi negatif, seperti ditunjukkan pada Gambar 1.10.
Gambar 1.11 Kondisi ketika vi negatif
Pada saat vi negatif yaitu saat setengah periode berikutnya T/2 → T, dioda D1
dan D4 akan terbias maju sedangkan D2 dan D3 akan terbias mundur. Aliran arus dimulai
dari titik vi positif melalui D4, ke beban R, melalui D1 dan kembali ke vi negatif. Perlu
dicatat di sini bahwa pada saat vi positif dan vi negatif arus yang mengalir ke beban
tetap pada arah yang sama. Sehingga besarnya tegangan dc adalah dua kalinya tegangan
dc penyearah setengah gelombang, yaitu :
V dc=2.(0,318)Vm
V dc=0,636 Vm
1.4.3 Parameter pada rangkaian penyearah
Parameter penyearah berikut diambil contoh pada penyearah setengah
gelombang.
a. Pengaturan Tegangan
Perubahan tegangan keluaran sebuah catu daya karena perubahan beban diukur oleh
pengaturan tegangan yang dinyatakan dalam prosen.
Dengan,
VTB : tegangan tanpa beban
VBP : tegangan beban penuh
Catu daya ideal akan mempunyai tegangan tanpa beban yang sama dengan
tegangan beban penuh, sehingga prosentase pengaturan tegangan adalah nol.
b. Faktor Ripple
Faktor ripple r merupakan ukuran yang menyatakan efektif tidaknya sebuah
rangkaian penyearah.
r=harga rms komponen ackomponen dc
r=I r , rms
I dc
=V r , rms
V dc
daya yang didisipasikan pada R adalah :
I rms2 . R=I dc
2 . R+ I r ,rms2 . R =
maka :
I rms2 =Idc
2 + I r ,rms2
atau
I r ,rms=√I rms2 −I dc
2
sehingga besarnya faktor ripple adalah :
r=I r , rms
I dc
=√I rms2 −I dc
2
I dc
=√( I rms
I dc)
2
−1
Harga Irms penyearah setengah gelombang adalah :
dan faktor ripple r menjadi :
= 1,21
yang artinya komponen ac yang ada pada keluaran sama dengan 1,21 % kali komponen
dc.
c. Efisiensi (η)
Perbandingan antara daya dc yang diteruskan ke beban dengan daya input
sekunder transformator merupakan ukuran keefektifan suatu rangkaian
penyearah,:
η=Pdc
Pac
dengan :
Pdc=I dc2 . R=
Im2
π 2 . R
Pac=I rms2 (r+R )=
I m2
4(r+R)
sehingga :
η=
Im2
π 2 R
I m2
4 (r+R)
= 4
π2.
1rR
+1
Jika r << R, maka η= 4
π2=0,406=40,6 %
Artinya, hanya 40,6 % daya masukan ac yang diubah menjadi daya dc pada
beban.
d. Transformer Utilization Factor (TUF)
Merupakan perbandingan daya DC yang diteruskan ke beban terhadap daya
nominal sekunder trafo.
TUF=
I m2
π2 R
V m
√2.
I m
2
dengan, Vm = Im (r + R),
jika R >> r , maka :
TUF=2√2π2 =0,287
Artinya, jika transformator dengan daya nominal 1000 VA bila digunakan pada
rangkaian penyearah setengah gelombang, maka daya dc yang dapat diteruskan
ke beban oleh trafo tanpa over heating adalah : 1000 x 0,287 = 287 watt.
e. Peak Inverse Voltage (PIV)
Dalam perencanaan rangkaian penyearah yang juga penting untuk
diketahui adalah berapa tegangan maksimum yang boleh diberikan pada dioda.
Tegangan maksimum yang harus ditahan oleh dioda ini sering disebut dengan
istilah PIV (peak-inverse voltage) atau tegangan puncak balik. Hal ini karena
pada saat dioda mendapat bias mundur (balik) maka tidak arus yang mengalir
dan semua tegangan dari sekunder trafo berada pada dioda. Kondisi ini terjadi
pada puncak perioda negatif dari tegangan sekunder. PIV harus lebih kecil dari
tegangan breakdown dioda. PIV untuk penyearah setengah gelombang adalah
sebesar Vm.
f. Form Factor
Form factor= tegangan rmsteganganrata−rata
¿
V m
2V m
π
=π2
¿1,57
g. Peak Factor
peak factor=tegangan maksimumtegangan rms
¿V m
V m
2
¿2
Perbandingan parameter dari penyearah setengah gelombang dengan penyearah
gelombang penuh ditunjukkan pada Tabel 1.2 berikut :
Tabel 1.2 Perbandingan Penyearah
Parameter Jenis PenyearahSetengah Gelombang Gelombang penuh Bridge
Jumlah dioda 1 2 4Efisiensi maksimum
40,6 % 81,2 % 81,2 %
Vdc (tanpa beban) V m
π
2V m
π
2V m
πArus rata-rata (Iav) Idc I dc
2
I dc
2Factor ripple 1,21 0,48 0,48PIV Vm 2Vm 2Vm
Frekuensi output f 2f 2fTUF 0,287 0,693 0,812Form factor 1,57 1,11 1,11Peak factor 2 √2 √2
1.5 Penapis (Filter)
Pada prinsipnya yang diinginkan pada keluaran penyearah hanya komponen dc,
maka perlu adanya penyaringan untuk membuang komponen ac.
Gambar 1.12 Blok diagram power supply
Gambar 1.12 menunjukkan bagian dari power supply. Tegangan ac 120Vrms
dihubungkan dengan transformator yang berfungsi untuk menurunkan tegangan ac
sesuai dengan tegangan output dc yang diinginkan. Penyearah gelombang penuh akan
menyearahkan tegangan ac menjadi dc. Keluaran dari penyearah menunjukkan bahwa
ripple tegangan masih besar, dengan kata lain komponen ac masih masih besar. Untuk
itu perlu dilakukan penyaringan (filter).
Secara praktis dapat dipasang sebuah kapasitor pada kaki-kaki beban sebagai filter,
karena kapasitor bersifat terbuka untuk komponen dc dan mempunyai impedansi yang
rendah untuk komponen ac.
Berdasarkan jenis komponen yang digunakan, filter penyearah dapat
dikelompokkan menjadi dua. Kelompok pertama dilakukan dengan memasang kapasitor
atau disebut sebagai filter kapasitor. Kelompok lain dilakukan dengan memasang
induktor atau kumparan disebut sebagai filter induktif atau tapis masukan-L. Keluaran
filter Capasitor C biasanya mengalami penurunan saat beban meninggi. Sedangkan filter
Induktor L cenderung mempertahankan keluaran pada harga yang relatif konstan.
Namun demikian tegangan keluaran filter-L relatif lebih rendah dibandingkan tapis-C.
Konsep filter ditunjukkan pada Gambar 1.13, yang memperlihatkan bahwa keluaran
dari filter masih mengandung komponen ac (Vripple)p-p, sehingga diperlukan rangkaian
filter yang baik agar bisa meminimalkan komponen ac.
Gambar 1.14 Filter tegangan dengan komponen dc dan tegangan ripple
Pada bab ini hanya akan dibahas mengenai filter kapasitor. Filter kapasitor sangat
efektif digunakan untuk mengurangi komponen ac pada keluaran penyearah. Pertama
akan di lihat karakter kapasitor sebagai filter dengan memasang langsung pada keluaran
penyearah tanpa memasang beban.
a. Penyearah Tanpa Beban
Rangkaian tanpa beban dengan pemasangan kapasitor beserta bentuk keluarannya
diperlihatkan pada Gambar 1.15. Saat sumber tegangan dihidupkan, satu dioda
berkonduksi dan keluaran berusaha mengikuti tegangan transformator. Pada kondisi ini
tiba-tiba tegangan kapasitor menjadi besar dan arus yang mengalir menjadi besar (dalam
ini, i C dv / dt; dv / dt ). Saat masukan membesar keluaran juga akan membesar,
namun saat masukan menurun tegangan kapasitor atau keluaran tidak mengalami
penurunan tegangan karena tidak ada proses penurunan tegangan. Dalam keadaan ideal,
tegangan keluaran dc akan sama dengan tegangan puncak masukan Vm dan akan
ditahan untuk seterusnya
Gambar 1.15. Penyearah Gelombang penuh tanpa beban
b. Penyearah Gelombang Penuh dengan beban dan filter kapasitor.
Gambar 1.16 menunjukkan rangkaian penyearah gelombang penuh dengan filter
kapasitor.
.
Gambar 1.16 Penyearah gelombang penuh dengan filter kapasitor
Cara kerja filter kapasitor dapat dijelaskan sesuai gambar berikut :
Selama seperempat periode positif, dioda D dibias maju . Dengan pendekatan
pertama, dioda seperti saklar tertutup sehingga akan terjadi pengisian muatan pada
kapasitor sampai mencapai tegangan maksimum Vm atau Vp
Gambar 1.17 Filter kapasitor selama seperempat perioda positif
Setelah sedikit saja melewati puncak positif, dioda akan off, hal ini terjadi karena
kapasitor mempunyai tegangan sebesar Vm, yang artinya tidak ada beda tegangan
sehingga dioda seperti saklar terbuka. Karena dioda off, kapasitor mulai mengosongkan
muatan melalui beban RL sampai tegangan sumber mencapai harga yang lebih besar dari
tegangan kapasitor.
Gambar 1.18 Pengosongan muatan pada filter kapasitor
Kapasitor kembali mulai mengisi muatan sampai mencapai tegangan input
maksimum Vm ketika dioda on. Pengisian muatan akan berhenti saat tidak ada beda
tegangan antara tegangan kapasitor dengan tegangan input.
Gambar 1.19 Pengisian muatan pada filter kapasitor
Dari Gambar 1.16, besarnya muatan yang dilepaskan kapasitor selama interval
waktu T2 adalah :
Q pengosongan=Idc T 2
Muatan ini akan diganti selama perioda menghantar dioda T1, sehingga tegangan
kapasitor berubah sebesar tegangan ripple puncak ke puncak Vr(p-p). Perubahan muatan
kapasitor adalah :
Q pengisian=V r , p−p .C
maka :
Q pengisian=Q pengosongan
V r , p−p .C=I dc T 2
V r , p−p=I dc .T 2
C
Dengan menganggap arus beban kecil, ripple kecil, maka waktu pengisian
kapasitor sangat kecil dibandingkan waktu pengosongan, maka :
T 2=T2= 1
2 f
jadi :
V r , p− p=I dc
2 f C
Karena arus beban dianggap kecil, maka bentuk gelombang ripplenya menyerupai
segitiga (Gambar 1.20), dengan harga puncak ke puncak Vr,p-p
Gambar 1.2: Gelombang ouput filter kapasitor
Besarnya tegangan efektif ripple adalah :
V r ,rms=V r , p−p
2√3
Karena I dc=V dc
RL, maka :
V r ,rms=
I dc
2. f . C2√3
=I dc
4√3 . f .C=
V dc
4 √3. f . C . RL
sehingga faktor ripple adalah :
r=V r ,rms
V dc
= 14√3 . f .C .RL
dengan :
f : frekuensi (Hz)
C : Kapasitor (Farad)
RL : Resistansi beban (Ω)
Dari persamaan tersebut terlihat bahwa faktor ripple akan berkurang dan tegangan
keluaran dc bertambah bila nilai C dan RL diperbesar.
1.6 Dioda Zener
Struktur Dioda zener tidaklah jauh berbeda dengan dioda biasa, hanya tingkat
dopingnya saja yang sangat berbeda. Kurva karakteristik dioda zener juga sama seperti
dioda biasa, namun perlu dipertegas adanya daerah breakdown dimana pada saat bias
mundur mencapai tegangan breakdown maka arus dioda naik dengan cepat (Gambar
1.21). Daerah breakdown inilah titik fokus penerapan dari dioda zener. Sedangkan pada
dioda biasa tidak diperbolehkan pemberian tegangan mundur sampai pada daerah
breakdown, karena bisa merusak dioda.
Gambar 1.21 Karakteristik diode zener
Penerapan dioda zener yang paling penting adalah sebagai penstabil tegangan
(voltage regulator). Analisa dioda zener dilakukan seperti cara menganalis dioda
sebelumnya. Ketika dioda zener diindikasikan ON, rangkaian penggantinya adalah
sumber tegangan Vz, sedangkan ketika diode zener OFF, rangkaian penggantinya
adalah saklar terbuka.
Gambar 1.22 Pengganti dioda zener saat On dan Off
1.6.1 Vi dan R tetap
Rangkaian diode zener yang paling sederhana dapat dilihat pada Gambar 1.23.
Gambar 1.23 Rangkaian dasar regulator zener
Analisa rangkaian zener dapat dilakukan dengan langkah berikut :
a. Tentukan kondisi zener dengan melepasnya dari rangkaian dan menghitung
tegangan pada untai terhubung.
Gambar 1.24 Rangkaian regulator dengan dioda zener terbuka
Tegangan V dapat dihitung dengan menerapkan aturan pembagi tegangan :
V=V L=RL V i
R+ RL
Jika V ≥ Vz , zener → ON.
Zener dapat diganti dengan rangkaian penggantinya. Sebaliknya jika V ≤ Vz
maka zener → OFF dapat digantikan dengan saklar terbuka.
b. Ganti zener dengan rangkaian ekivalennya
Gambar 1.25 Rangkaian ekivalen zener ON
Dari Gambar 1.25, arus yang mengalir pada zener dapat ditentukan dengan
KCL :
I R=I Z+ I L
I Z=I R−I L
dengan :
I L=V L
RL
I R=V R
R=
V i−V L
R
dan daya yang diserap zener :
PZ=V Z I Z
1.6.2 Vi tetap dan RL variabel
ON/OFF – nya zener tergantung pada interval nilai RL . Resistor beban yang
terlalu kecil akan berakibat zener OFF. Nilai minimum RL dapat dihitung
dengan cara :
V L=V Z=RL V i
RL+R
RLmin=R V Z
V i−V Z
Jika RL yang dipilih > RL min maka zener ON. Selanjutnya ganti dengan
rangkaian ekivalen zener ON.
RL min akan menimbulkan IL mak
I L max=V L
RL
=V Z
RL min
Tegangan pada R :
V R=V i−V Z
I R=V R
R
I Z=I R−I L
IZ min dicapai pada IL max dan sebaliknya
I L min=I R−I Z max
RLmax=V Z
I Lmin
1.6.3 RL tetap dan Vi variabel
Untuk nilai RL yang tetap, tegangan Vi harus cukup besar untuk dapat
mengakibatkan zener ON.
Tegangan Vi minimum ditentukan oleh :
V L=V Z=RL V i
RL+R
V Lmin=(RL+R)V Z
RL
I Rmax=I Z max−I L
V i max=V R max+V Z
V i max=I Rmax R+V Z
Contoh Soal :
1a. Hitunglah nilai VL, VR, IZ, dan PZ dari rangkaian diode zener berikut.
b, Ulangi (a) jika RL = 3K
Gambar 1.26 Rangkaian regulator
Jawab :
a. Rangkaian ekivalen dari Gambar 1.26 adalah :
V=RL V i
RL+Ri
¿ 1,2 k x161,2k+1 k
¿8,73 V V < Vz
Karena V < Vz, diode zener OFF, sehingga :
V=V L=8,73 V
V R=V i−V L=16 V−8,73V =7,2V
Iz = 0
maka :
PZ=V Z I Z=0
b. Jika RL = 12 K, maka :
V=3 k x16 V3 k+1 k
=12 V
V > Vz , diode zener ON
sehingga V L=V Z=10 V
dan V R=V i−V L=16 V−10 V =6 V
dengan :
I R=V R
R=6 V
1 k=6 mA
dan
I L=V L
RL
=10 V3k
=3,33mA
sehingga :
I Z=I R−I R=6 mA−3,33 mA=2,67 mA
Disipasi daya pada zener :
PZ=V Z I Z=(10 V ) (2,67 mA )=26,7mW
1.7 Latihan Soal
1a. Gunakan karakteristik dioda berikut untuk menghitung nilai VD, ID, dan VR
b. Ulangi pertanyaan (a) dengan pendekatan dioda, dan bandingkan hasilnya.
1. Hitung nilai VD, VR dan ID
2. Hitung nilai VD, VR dan ID
3. Hitung VD dan ID dari rangkaian tersebut
4. Hitung VD dan ID dari rangkaian tersebut
2. Apakah perbedaan karakteristik statis dan karakteristik dinamis sebuah dioda ?
3. Apakah pengaruh tegangan-potong (cut-in) pada gelombang keluaran dibandingkan
dengan gelombang masukan ? Mungkinkah pengaruh tersebut dihilangkan ?
4. Terangkan bagaimana caranya menentukan resistansi dalam (RD) sebuah pencatu
daya ?
5. Sebutkan beberapa keuntungan penyearah gelombang penuh dibandingkan dengan
penyearah gelombang setengah !.
6. Berapa PIV sebuah dioda pada :
a. Penyearah gelombang setengah
b. Penyearah gelombang penuh pembalik fasa
c. Penyearah gelombang penuh jembatan
7. Terangkan bagaimana sebuah kapasitor dapat berfungsi sebagai filter pada catu daya
8. Terangkan prinsip kerja sebuah pengatur tegangan yang menggunakan dioda zener ?
9. Sebuah catu daya mempunyai tegangan tanpa beban 12 V. berapakah tegangan
beban penuh bila pengaturan tegangan : a) 10%; b) 50%; c) 100%; d) 200%
10a. Sebuah catu daya mempunyai faktor riak ( r ) 10 %. Bila tegangan keluaran DC
adalah 10 Volt, berapakah tegangan efektif ripple (Vr, rms) pada keluaran
b. Anggap bahwa tegangan ripple adalah sinusoidal. Berapakah tegangan ripple
puncak ke puncak.
c. Gambar bentuk tegangan keluarannya !
11a. Berapakah daya AC yang dipindahkan dari gulungan sekunder trafo yang
digunakan pada penyearah setengah gelombang, bila daya DC yang diinginkan
pada beban 500 Watt
b. Berapakah daya AC yang dipindahkan bila digunakan pada penyearah gelombang
penuh.
12. Tentukanlah daya nominal trafo untuk memindahkan daya DC 100 Watt ke beban
pada kondisi berikut :
a. Penyearah gelombang setengah
b. Penyearah gelombang penuh dengan tap-tengah
c. Penyearah gelombang penuh jembatan
13. Sebuah transformator step-up dengan tap-tengah mempunyai perbandingan
transformasi 5 dihubungkan dengan tegangan AC 120 V / 60 Hz pada primernya.
Jika trafo tersebut digunakan pada penyearah gelombang penuh pembalik fasa
dengan beban 1 KΩ. Hitunglah :
a. Tegangan dan arus DC pada beban
b. Daya DC yang dipindahkan pada beban
c. Daya nominal trafo sekunder
d. Daya masukan AC pada trafo bila efisiensi trafo 80 % dan PP = 0,812
e. Tegangan riak pada beban dan frekuensi riak
f. PIV pada masing-masing dioda
g. Bila penyearah menggunakan rangkaian jembatan dengan menggunakan rating
trafo pada soal butir c.
h. Tegangan DC pada beban 1 KΩ
i. PIV pada masing-masing dioda
14. a) Tentukan harga tegangan efektif pada trafo sekunder supaya tegangan DC tanpa
beban adalah 9V pada penyearah jembatan.
b) Bila resistansi gulungan sekunder adalah 3 Ω dan masing-masing dioda
mempunyai resistansi dinamis 1 Ω, berapakah tegangan DC keluaran pada beban
90 Ω
15. Bila resistansi induktor pada soal 14 adalah 20 Ω, berapakah tegangan DC pada
beban 100 Ω bila tegangan sekunder trafo adalah 120 V. berapakah presentasi
tegangannya.
16. Sebuah trafo tap-tengah yang mempunyai tegangan sekunder 12,6 V digunakan
dalam penyearah gelombang penuh dengan tapis kapasitor 100 µF pada beban
resistansi 1 KΩ. Tentukan :
a) Presentasi riak
b) Tegangan DC keluaran
17. a) Bila pada soal nomor 16, tegangan DC keluaran paling rendah yang dapat
ditolerir adalah 6 Volt, berapakah harga kapasitor minimum yang dapat
digunakan untuk beban resistansi yang sama
b) Berapakah presentasi riak
18. a) Bila pada soal nomor 17, harga kapasitor adalah 100 µF dan tegangan DC
keluaran adalah 6 Volt, berapakah harga resistansi beban.
b) Berapakah presentasi ripple
19. Rancanglah sebuah rangkaian regulator yang memberikan tegangan 12 Volt pada
beban yang arusnya berubah dari 5 mA sampai 35 mA. Tegangan keluaran adalah
18 V. Anggap tegangan zener yang dipilih adalah 12 volt, IZT = 20 mA. Tentukan :
a) Tegangan jatuh pada resistor dan rating dayanya dengan menggunakan suatu
harga rata-rata arus beban IL dimana IZ = IZT.
b) Rating daya minimum dari dioda zener.
c) Harga maksimum IZK untuk mempertahankan pengaturan tegangan yang dapat
diterima pada saat arus beban minimum
a. Latihan :