Teori Dioda

Dioda merupakan komponen elektronika yang non linier karena dalam gambar kurva karakteristik arus terhadap tegangan tidak menggambarkan garis yang lurus. Ketika tegangan dioda kurang dari tegangan batas, arus dioda kecil. Ketika tegangan dioda melebihi tegangan batas (tegangan knee) arus dioda naik secara cepat.

1. Simbol dioda

Gambar simbol skematik dioda terlihat seperti pada gambar 1a. Sisi p disebut sebagai anoda dan sisi n disebut sebagai katoda. Gambar 1b. menunjukan beberapa bentuk fisik dari dioda. Beberapa atau tidak selalu kaki katoda pada dioda dikenali dengan adanya tanda gelang berwarna. Sedangkan gambar 1.c menunjukan gambar rangkaian bias maju suatu dioda dimana kaki anoda tersambung dengan kutub positif baterai dan kaki katoda tersambung dengan kutub negatif baterai.

Gambar 1.

2. Kurva dioda

Dengan memberi bias maju kepada dioda seperi gambar 1.c diatas, kita dapat mengukur arus dan tegangan dioda. Kemudian kita buat plot data hasil pengukuran menjadi gambar grafik kurva dioda seperti pada gambar 2.

Pada gambar tersebut nampak bahwa pada bagian bias maju dimana arus dioda naik secara cepat dimulai pada suatu nilai tegangan tertentu yang dikenal sebagai tegangan lutut (knee voltage) V_k = 0,7 V.

Dari gambar juga tampak bahwa setelah tegangan dioda melewati tegangan lutut arus akan naik, hal ini disebapkan adanya parameter yang disebut sebagai ohmic resistance dalam dioda. Karena dioda terbentuk dari gabungan komponen sisi p dan n dimana masing-masing mempunyai nilai hambatan tertentu maka dalam dioda terdapat hambatan dalam yang disebut sebagai hambatan bulk yang merupakan penjumlahan kedua hambatan ohmic dioda.

R_B = R_p + R_n

Gambar 2.

3. Pendekatan ideal dioda

Kurva dioda seperti pada gambar 2 kadang berbeda untuk masing-masing dioda, walaupun untuk dioda silikon nilai tegangan knee akan tetap 0,7 V. Untuk mempermudah analisa suatu rangkaian dioda akan coba dibuat 3 pendekatan yang bisa dipergunakan. Yang pertama adalah pendekatan ideal suatu dioda dimana dioda disimpulkan seperti sebuah saklar pada suatu rangkaian yanga akan menutup jika dibias maju dan akan terbuka jika dibias mundur.

Gambar 4.

Dari gambar kurva dioda ideal nampak bahwa dioda seolah-olah mempunyai hambatan = 0 saat dibias maju dan hambatan tak terhingga saat dibias mundur.

4. Pendekatan ke-2 dioda

Dalam pendekatan ini, kita gambarkan dioda sebagai sebuah saklar yang terhubung seri dengan tegangan lutut Vk = 0,7 V. Jika tegangan pengganti tevenin yang tersambung ke dioda melebihi 0,7 V maka saklar akan menutup.

 Gambar 5. Pendekatan 2

5. Pendekatan ke-3 dioda

Pendekatan ini jarang dipergunakan karena nilai hambatan bulk sangat kecil sehingga bisa diabaikan. Jika nilai hambata bulk memenuhi syarat :  R_B < 0,01 R_T (tahanan tevenin di depan dioda) maka R_B bisa diabaikan. Dalam pendekatan  ini dioda digambarkan sebagai sebuah saklar yang tersambung seri dengan tegangan lutut dan sebuah hambatan bulk.

Nilai V_D = 0,7 V + I_DR_B

 Gambar 6. Pendekatan 3

Contoh soal pembahasan pendekatan dioda :

Suatu rangkaian dioda tampak seperti gambar 7. Hitung nilai I_L dan V_L untuk masing-masing pendekatan 1, 2, dan 3 untuk gambar 7.a dan 7b. Untuk pendekatan ke-3 dimisalkan menggunakan dioda 1N4001 dengan R_B = 0,23 Ω.

Jawab :

Untuk gambar 7a :
1. Pendekatan ideal : 

Karena dioda dibias maju maka dioda dianggap sebagai saklar tertutup sehingga tegangan sumber akan terukur pada beban atau V_L = V_s = 10 V.

Dengan menggunakan hukum ohm didapatkan nilai arus beban :

2. Pendekatan ke-2 :

Karena dioda dibias maju, maka tegangan beban V_L  akan berupa tegangan sumber dikurangi drop tegangan di dioda.

Dan

2. Pendekatan ke-3 :

Karena nilai R_B = 0,23 Ω dan sangan kecil jika dibandingkan dengan nilai R_L = 1 KΩ, maka nilai R_B dapat diabaikan sehingga nilai I_L dan V_L akan sama dengan nilai I_L pada pendekatan ke-2 sebesar 9,3 mA dan nilai V_L = 9,3 V.

Untuk gambar 7b : 

Untuk menyelesaikan soal seperti gambar 7b. maka terlebih dahulu perlu dibuat penyederhanaan menggunakan teori tevenin norton seperti gambar dibawah ini.

Terlihat ada rangkaian pembagi tegangan dengan hambatan 6 KΩ dan hambatan 3 KΩ sebelum dioda jika dilihat dari tegangan sumber. Sehingga didapatkan nilai teganagn tevenin (tegangan di hambatan 3 KΩ ) sebesar :

Dan nilai tahanan tevenin (tahanan paralel antara 3KΩ dan 6KΩ) = 2 KΩ
1. Pendekatan dioda ideal
Dari gambar penyederhanaan tevenin bisa dihitung nilai IL sebesar :

R adalah hambatan seri antara 1 KΩ dan 2 KΩ
Dan nilai V_L = I_L x R_L = 4 mA x 1 KΩ = 4 V
2. Pendekatan ke-2 :  
Karena tegangan dioda sebesar 0,7 V maka nilai IL :

Dan nilai VL = IL x RL = 3,77 mA x 1 KΩ = 3,77 V
3. Pendekatan ke-3

Karena nilai R_B = 0,23 Ω dan sangat kecil jika dibandingkan dengan nilai R_L = 1 KΩ, maka nilai R_B dapat diabaikan sehingga nilai I_L dan V_L akan sama dengan nilai I_L pada pendekatan ke-2 sebesar 3,77 mA dan nilai V_L = 3,77 V.

Soal untuk pendekatan ke-3 :

Jika nilai tahanan beban pada gambar 7a. diganti dengan tahanan senilai 10 Ω maka hitung IL dan VL.

Jawab :

ekuivalen dengan

Sehingga total hambatan menjadi R_T = 0,23 Ω + 10 Ω = 10,23 Ω

Tegangan yang melewati R_T sebesar V_T = 10 V – 0,7 V = 9,3 V

Maka nilai  

dan V_L = I_L x R_L = 0,909 x 10 Ω = 9,09 V

6. Analisa Up-Down

Analisa ini digunakan untuk lebih memahami suatu rangkaian. Misalkan dioda dirangkai seperi pada gambar berikut :

Pada pendekatan ke-2 ada 3 parameter yaitu V_s (tegangan sumber), R_L (hambatan beban) dan V_k (tegangan knee)  dan ada 5 parameter yang tergantung dari ketiga nilai tersebut yaitu V_L (tegangan beban), I_L (arus beban), P_D (daya dioda) , P_L (daya beban), dan P_T (daya total). Jika tegangan sumber dinaikkan maka akan terlihat parameter mana yang akan naik (Up), turun (Down) atau tetap (No change).

• If the source voltage increases slightly, the diode drop is still 0,7V, which means that the load voltage has to increase. If the load voltage increase, the load current increases. An increase in load current means that the diode power and load power increase. The total power is sum of diode power and load power, so total power must increase.   

Dari pernyataan tersebut bisa dibuat tabel sebagai berikut :

	VL	IL	PD	PL	PT
Vs naik	U	U	U	U	U
RL naik	N	D	D	D	D
Vk naik	D	D	U	D	D

7. Garis beban dioda

Garis beban seperti yang sering akan dijumpai pada transistor digunakan untuk mengetahui nilai sebenarnya dari suatu arus dan tegangan dioda pada suatu rangkaian.

Misal dioda dirangkai bias maju seperti gambar berikut : 

Maka akan didapatkan garis beban dengan melalui tahap sebagai berikut:

berdasarkan rumus tersebut akan kita cari nilai I_D jika V_D = 0 dan V_D = V_S.
      1. Untuk VD = 0 maka nilai 

      2. Untuk VD = VS= 2 V maka nilai 

Dari kedua nilai I_D tersebut dan nilai V_D masing-masing ke dalam kurva dioda maka dapat ditarik garis yang nantinya akan disebut garis beban. Titik yang berpotongan antara garis beban dan garis kurva dioda disebut titik Q yang akan menunjukkan nilai sebenarnya dari arus dioda dan tegangan dioda untuk rangkaian dioda tersebut.  

 

Gambar garis beban dan titik Q seperti pada gambar berikut :