PERCOBAAN 2
GARIS BEBAN DIODA
KELOMPOK 2/ T.TELKOM 3D
FERETINO PURBA
MEGA NUR OCTAVIANI
APRIANSYAH DINATA




LABORATORIUM ELEKTRONIKA ANALOG
POLITEKNIK NEGERI JAKARTA
2011-2012


  1. TUJUAN
Menggambarkan garis beban diode dan menunjukkan penggunaanya.
  1. DASAR TEORI
  1. Definisi dioda
Dioda adalah sebuah kata majemuk yang berarti ‘dua elektroda’, dimana ‘di’ berarti dua, dan ‘oda’ berasal dari elektroda. Jadi, dioda adalah kristal yang menggabung separuh semikonduktor type-n dan separuh semikonduktor type-p, atau disebut pula pn junction. Sisi p (Anoda) mempunyai banyak hole (pembawa mayoritas) dan sisi n (Katoda) mempunyai banyak electron (pembawa mayoritas). Symbol fisik dioda dapat dilihat pada Gambar 2.1
Gambar 2.1 Simbol struktur dan fisik dioda
  1. Prategangan Dioda
Pada saat Dioda tidak diberikan tegangan (unbiased), terjadi difusi elektron ke segala arah pada setiap tepi-tepi semikonduktor. Beberapa difusi melewati junction, sehingga akan tercipta ion positif pada daerah n dan ion negatif pada daerah p. Jika ion-ion ini bertambah banyak maka daerah di sekitar junction akan terjadi kekosongan dari elektron bebas dan hole. Daerah ini disebut dengan depletion layer, atau lapisan pengosongan.
Pada suatu saat, depletion layer akan berlaku sebagai penghalang bagi elektron untuk berdifusi lanjut melalui junction. Diperlukan tegangan tertentu agar elektron dapat menembus penghalang tersebut, yang dikenal dengan istilah tegangan offset.

Gambar 2.2 Struktur Pasangan Elektron-Hole Dioda
(a) Kondisi Awal, (b) Kondisi setelah terjadi difusi elektron dan (c) Lapisan
Pengosongan (Depletion Layer)
Jika dioda diberi tegangan seperti tampak pada Gambar 3.3, dimana kutub positif baterai dihubungkan dengan bahan type-p dan kutub negatif baterai dihubungkan dengan bahan type-n, maka rangkaian ini disebut dengan forward biased atau prategangan maju.
Bila tegangan ini melebihi tegangan yang diakibatkan oleh lapisan pengosongan, maka forward biased dapat menghasilkan arus yang besar.
Kutub negatif dari sumber dapat mendorong elektron pada bahan type-n menuju junction. Elektron ini dapat melewati junction dan jatuh ke dalam hole. Bila ini terjadi, elektron akan dapat terus bergerak melalui hole pada bahan type-p yang ada menuju kutub positif baterai.


                      Gambar 2.3 Forward Bias
Sebaliknya, jika sumber tegangan tersebut dibalik polaritasnya, maka rangkaian yang tampak pada Gambar 3.4. itu disebut dengan reverse biased. Hubungan ini memaksa elektron bebas di dalam daerah n berpindah dari junction ke arah terminal positif sumber, sedangkan hole di dalam daerah p juga bergerak menjauhi junction ke arah terminal negatif. Gerakan ini akan membuat lapisan pengosongan semakin besar sehingga beda potensialnya mendekati harga sumber tegangan.
Namun pada situasi ini, masih terdapat arus kecil, arus pembawa minoritas, atau disebut arus balik (reverse current), IS. Disamping itu juga terdapat arus bocor permukaan, ISL. Jika keadaan ini terus berlanjut, akan tercapai titik pendobrakan, yang disebut dengan breakdown voltage.
Gambar 2.4 Reverse bias
  1. Grafik diode
Jika sebuah dioda dirangkai  seperti pada Gambar 2.5., dimana tegangan Vin dirancang untuk dapat diubah-ubah besarnya, maka akan didapat tegangan (Vd) dan  arus (Id) pada dioda yang berbeda-beda pula. Dengan menghubungkan titik-titik
tegangan dan arus dioda, maka akan didapat grafik dioda seperti pada Gambar 2.6.
Gambar 2.5 Rangkaian Dioda


Gambar 2.6. Grafik Dioda Forward Biased
Jika dibalik prategangannya, secara lengkap, grafik tersebut menjadi grafik seperti pada Gambar 2.7.


Gambar 2.7. Grafik dioda lengkap

Gambar-gambar diatas menjelaskan karakteristik dioda, yaitu sebagai
komponen non-linear. Bila diberikan forward biased dioda menjadi sangat tidak konduk sebelum tegangannya melampaui potensial barier, sehingga arusnya sangat kecil sekali. Ketika tegangannya mendekali potensial barier, pasangan elektron-hole mulai melintasi junction.
Di atas 0.7 volt, biasa disebut tegangan lutut (knee voltage), Vg, atau tegangan offset, dioda menjadi sangat konduk dan mengalirkan arus yang besar. Semakin besar tegangannya, arus bertambah dengan sangat cepat pula. Hal ini menunjukkan, bahwa dioda memiliki tahanan tertentu, disebut tahanan bulk (bulk resistance).
Sebaliknya, pada saat dioda di-reverse biased, terdapat arus balik yang sangat kecil. Jika tegangan ini ditambah, akan dicapai tegangan breakdown, dimana terjadi peningkatan arus yang sangat besar, yang dapat merusakkan dioda. Sehingga diperlukan kehati-hatian untuk memberikan tegangan dioda, jangat sampai jatuh ke daerah breakdown.
  1. Garis beban dioda dan Titik operasi
Jika rangkaian dioda pada Gambar 2.5. dianalisa, maka akan didapat
persamaan sebagai berikut:
                                                                 ( 4.1 )


Jika tegangan input dan tahanan pembatas diketahui, maka hanya tegangan dan arus dioda yang tidak diketahui. Persamaan ini menyatakan hubungan yang linear antara tegangan dan arus.
Pada saat Vd sama dengan nol, maka
                                                                               ( 4.2 )   
Titik ini disebut dengan titik jenuh (saturation point) yang terletak pada sumbu tegak arus. Sementara itu, jika Vd sama dengan Vin, maka
Id = 0                                                                                            ( 4.3 )
Titik ini disebut dengan titik putus (cut off point) yang terletak pada sumbu mendatar. Jika kedua titik ini dihubungkan, atau dengan mengukur titik-titik lain, akan didapatkan sebuah garis yang khas, disebut garis beban (load line).
Apabila grafik garis beban dioda ditumpukkan dengan grafik dioda, maka akan didapatkan grafik seperti pada Gambar 3.8., dengan Vin sama dengan 2 Volt dan R sama dengan 100 Ω. Titik jenuh grafik tersebut adalah 20 mA dan titik potongnya adalah 0 mA. Kedua grafik itu memiliki sebuah titik potong, yang disebut dengan titik operasi (operating point), yang menyatakan arus dan tegangan dioda sesuai dengan tegangan input dan tahanannya. Dari gambar tersebut, tampak bahwa titik operasi dioda jatuh pada tegangan 0.75 V dan arus 12.5 mA.


Gambar 2.8. Garis Beban dan Titik Operasi


  1. DAFTAR ALAT
  1. Sumber daya searah (1-15)V :1 buah
  2. Multimeter analog :2 buah
  3. Diode Si :1 buah
  4. Dioda Ge :1 buah
  5. Resistor : 470 Ω, 1k Ω, 2k Ω
  6. Kabel-kabel penghubung

  1. DIAGRAM RANGKAIAN
Gambar 4.1.
  1. LANGKAH KERJA
  • Pembuatan garis beban dioda
  • Membuat garis beban dioda dengan tegangan sumber sebesar 1,5 V dan R sebesar 470 Ω pada kurva karakteristik diode silicon yang telah dibuat pada percobaan I.
  • Melengkapi tabel di bawah ini :

Tegangan dioda (V)
Arus diode (mA)
Titik operasi (Q)
0.58
1.8
Titik cut off
1.5
0
Titik saturasi
0
2.85
Pada titik cut off : tidak ada arus diode (diode putus) = diode seperti             saklar terbuka.
Pada titik saturasi : arus diode maksimum = diode saklar tertutup.
  • Pengukuran arus dan tegangan diode pada titik operasi, cut off dan saturasi
  • Membuat rangkaian seperti gambar 4.1., dengan R sebesar 470 Ω dan Vs sebesar 1,5 V.
  • Mengukur Id, Vd, dan Vo (pengukuran pada titik operasi ).
  • Melepas salah satu kaki diode dari rangkaian dan Vs tetap sebesar 1,5 V, lalu ukurlah Id, Vd, dan Vo (pengukuran pada titik cut off).
  • Menghubung singkat diode dan Vs tetap sebesar 1,5 V. Lalu mengukur Id , Vo ( pengukuran pada titik saturasi).
  • Mengulangi langkah  1 sampai langkah 6 dengan diode yang sama tapi nilai Vs sebesar 3V dan R sebesar 2kΩ.
  • Melengkapi tabel hasil percobaan untuk Tabel 1. Dioda silikon.
  • Mengulangi langkah 1 sampai dengan 7 dengan menggunakan diode germanium.
  • Melengkapi tabel hasil percobaan untuk Tabel 2. Dioda germanium.
  1. HASIL PERCOBAAN
   Tabel 1. Dioda Silikon
Vs
R
(Ω)
KONDISI DIODA
Id (mA)

Vd(V)

Vo(V)




K
U
K
U
H
U
1,5
470
Terpasang
Lepas
Hubung singkat
1,9
0
3,1
1,35
0
2,85
0,58
1,5
0
0,6
1,5
0
0,9
0
1,5
0,9
0
1,5
3
2000
Terpasang
Lepas
Hubung singkat
1,2
0
1,5
1,2
0
1,25
0,52
3
0
0,6
3
0
2,4
0
3
2,4
0
3

Tabel 2. Dioda Germanium








Vs
R
(Ω)
KONDISI DIODA
Id (mA)

Vd(V)

Vo(V)




K
U
K
U
H
U
1,5
470
Terpasang
Lepas
Hubung singkat
1,1
0
1,5
1
0
1,3
0,35
1,5
0
0,35
1,5
0
1,15
0
1,5
1,5
0
1,5
3
2000
Terpasang
Lepas
Hubung singkat
1,45
0
1,5
1,2
0
1,3
0,32
3
0
0,4
3
0
2,6
0
3
2,8
0
3
Keterangan :  K = Kurva
U=  Ukur
H= Hitung





Grafik garis beban diode
  1. ANALISA DAN KESIMPULAN
  • Berdasarkan Tabel 1. Dioda Silikon :
  • Untuk Vs = 1.5 V dan R = 470Ω
Besar arus dioda saat terpasang seperti diagram rangkaian dari hasil pengukuran sebesar 1.35 mA, sedangkan berdasarkan kurva garis beban sebesar 1.9 mA.
Besar tegangan diode dari hasil pengukuran sebesar 0.6 V, sedangkan berdasarkan kurva garis beban sebesar 0.58 V.
Besar tegangan tahanan dari hasil pengukuran sebesar 0.9 V, sedangkan berdasrkan perhitungan sebesar 0.9V.
Besar arus dioda saat diode dilepas, hasil pengukurannya sebesar 0mA, dan berdasarkan kurva garis beban juga sebesar 0 mA.
Besar tegangan diode dari hasil pengukuran sebesar 1.5 V, dan berdasarkan kurva garis beban juga sebesar 1.5 V.
Besar tegangan tahanan dari hasil pengukuran dan berdasarkan perhitungan sebesar 0.9V.
Besar arus dioda saat dihubung singkat (diberi jumper) dari hasil pengukuran sebesar 2.85 mA, sedangkan berdasarkan kurva garis beban sebesar 3.1 mA.
Besar tegangan diode dari hasil pengukuran dan berdasarkan kurva garis beban sebesar 0 V.
Besar tegangan tahanan dari hasil pengukuran dan berdasarkan perhitungan sebesar 1.5 V.
  • Untuk Vs = 3 V dan R = 2000Ω
Besar arus dioda saat terpasang seperti diagram rangkaian dari hasil pengukuran sebesar dan berdasarkan kurva garis beban sebesar 1.2 mA.
Besar tegangan diode dari hasil pengukuran sebesar 0.6 V, sedangkan berdasarkan kurva garis beban sebesar 0.52 V.
Besar tegangan tahanan dari hasil pengukuran dan berdasarkan perhutungan sebesar 2.4V.
Besar arus dioda saat diode dilepas, hasil pengukurannya sebesar 0mA, dan berdasarkan kurva garis beban juga sebesar 0 mA.
Besar tegangan diode dari hasil pengukuran dan berdasarkan kurva garis beban sebesar 3 V.
Besar tegangan tahanan dari hasil pengukuran dan berdasarkan perhitungan beban sebesar 0 V.
Besar arus dioda saat dihubung singkat (diberi jumper) dari hasil pengukuran sebesar 1.25mA, sedangkan berdasarkan kurva garis beban sebesar 1.5 mA.
Besar tegangan diode dari hasil pengukuran dan berdasarkan kurva garis beban sebesar 0 V.
Besar tegangan tahanan dari hasil pengukuran dan berdasarkan perhitungan sebesar 3 V.
  • Tabel 2. Dioda germanium
  • Untuk Vs = 1.5 V dan R = 470Ω
Besar arus dioda saat terpasang seperti diagram rangkaian dari hasil pengukuran sebesar 1mA, sedangkan berdasarkan kurva garis beban sebesar 1.1 mA.
Besar tegangan diode dari hasil pengukuran dan berdasarkan kurva garis beban sebesar 0.35 V.
Besar tegangan tahanan dari hasil pengukuran sebesar 1.5 V, sedangkan berdasarkan perhitungan sebesar 1.15 V.
Besar arus dioda saat diode dilepas, hasil pengukurannya sebesar
0 mA, dan berdasarkan kurva garis beban juga sebesar 0 mA.
Besar tegangan diode dari hasil pengukuran sebesar 1.5 V, dan berdasarkan kurva garis beban juga sebesar 1.5 V.
Besar tegangan tahanan dari hasil pengukuran dan berdasarkan perhitungan sebesar 0 V.
Besar arus dioda saat dihubung singkat (diberi jumper) dari hasil pengukuran sebesar 1.2 mA, sedangkan berdasarkan kurva garis beban sebesar 1.45 mA.
Besar tegangan diode dari hasil pengukuran sebesar 0.4 V dan berdasarkan kurva garis beban sebesar 0.32 V.
Besar tegangan tahanan dari hasil pengukuran sebesar 2.8 V dan berdasarkan perhitungan sebesar 2.6 V.
  • Untuk Vs = 3 V dan R = 2000Ω
Besar arus dioda saat terpasang seperti diagram rangkaian dari hasil pengukuran sebesar 1.2 V dan berdasarkan kurva garis beban sebesar 1.45 mA.
Besar tegangan diode dari hasil pengukuran sebesar 0.4 V, sedangkan berdasarkan kurva garis beban sebesar 0.32 V.
Besar tegangan tahanan dari hasil pengukuran sebesar 2.8 V dan berdasarkan perhitungan sebesar 2.6V.
Besar arus dioda saat diode dilepas, hasil pengukurannya sebesar
0 mA, dan berdasarkan kurva garis beban juga sebesar 0 mA.
Besar tegangan diode dari hasil pengukuran dan berdasarkan kurva garis beban sebesar 3 V.
Besar tegangan tahanan dari hasil pengukuran dan berdasarkan perhitungan sebesar 0 V.
Besar arus dioda saat dihubung singkat (diberi jumper) dari hasil pengukuran sebesar 1.3mA, sedangkan berdasarkan kurva garis beban sebesar 1.5 mA.
Besar tegangan diode dari hasil pengukuran dan berdasarkan kurva garis beban sebesar 0 V.
Besar tegangan tahanan dari hasil pengukuran dan berdasarkan perhitungan sebesar 3 V.
  • Prosentase kesalahan yang terjadi :
  1. Diode silikon
  • Vs =1.5 V dan R = 470 Ω
Saat diode terpasang: 1.9 mA - 1.35 mA= 0.55%
   0.58 V – 0.6 V = 0.02%
0.9 V – 0.9 V = 0 %
Saat diode dilepas : keseluruhan 0%
Saat terjadi hubungan singkat : 3.1mA – 2.85 mA = 0.25%
0 V – 0 V = 0%
1.5 V – 1.5 V= 0%
  • Vs = 3 V dan R = 2000 Ω
Saat diode terpasang: 1.2 mA – 1.2 mA= 0%
0.52 V – 0.6 V = 0.08%
2.4 V – 2.4 V = 0%
Saat diode dilepas: keseluruhan 0%
Saat terjadi hubungan singkat : 1.5 mA - 1.25 V= 0.25 %
  1. Diode Germanium
  • Vs = 1.5 V dan R = 470 Ω
Saat diode terpasang: 1.1 mA – 1mA = 0.1 %
0.35 V – 0.35 V = 0%
1.15 V – 1.5 V = 0.35 %
Saat diode dilepas : keseluruhan 0%
Saat terjadi hubungan singkat : 1.5 V – 1.3V = 0.2%
Vd = Vo = 0%
  • Vs = 3 V dan R = 2000 Ω
Saat diode terpasang : 1.45 mA – 1.2 mA = 0.25%
0.32 Vm – 0.4 V = 0.08%
2.6 V -  2.8 V = 0.2 %
Saat diode dilepas : keseluruhan 0 %
Saat terjadi hubungan singkat : 1.5 mA – 1.3 mA = 0.2 mA
Vd = Vo = 0%
  • Alasan terjadi perbedaan antara hasil pengukuran dan perhitungan disebabkan human error seperti salah pada saat pembacaan multimeter dan juga bisa disebabkan kondisi diode yang telah mengalami penurunan fungsi. Hal ini didukung karena tidak adanya kesalahan saat diode dilepas.  Pada dasarnya baik hasil perhitungan dan pengukuran harus terjadi kesamaan data, sehingga hasil percobaan ini bisa disebut valid.
  • Kesimpulan yang dapat ditarik dari data hasil percobaan
Garis beban diode didapatkan dari sambungan titik saturasi (titik jenuh) yang terletak pada sumbu tegak arus, dan jika Vd = Vs atau pada saat diode dilepas maka akan dapat titik putus (cut off point). jika grafik garis beban diode ditumpuk pada grafik diode, maka titik perpotongannya disebut titik operasi. Titik operasi ini yang menyatakan arus dan tegangan diode sesuai dengan tegangan input dan tahanannya.
Pada hasil percobaan ini didapat garis beban yang berasal dari :
  • Diode silikon
Titik saturasi : Vs = Vd = 1.5 V dan titik cut off : 3.1 mA . maka titik operasinya adalah 0.58 V dan 1.7 mA.
Titik saturasi : Vs = Vd = 3 V dan titik cut off : 1.5 mA . maka titik operasinya adalah 0.5 V dan 1.15 mA.
  • Diode germanium
Titik saturasi : Vs = Vd = 1.5 V dan titik cut off : 1.5 mA . maka titik operasinya adalah 0.3 V dan 1.3 mA.
Titik saturasi : Vs = Vd = 3 V dan titik cut off : 1.5 mA . maka titik operasinya adalah 0.36 V dan 1.4 mA.
  1. PERTANYAAN
  1. Selain pada diode, dimana lagi kita dapat menggunakan garis beban? Jelaskan!
  • Selain pada diode, garis beban juga digunakan pada transistor. Karena transistor dan diode keduanya terdiri dari bahan semi konduktor P-N.
  1. Apa sebenarnya fungsi dari garis beban diode?
  • Garis beban berfungsi untuk mengetahui nilai sebenarnya dari suatu arus dan tegangan dioda pada suatu rangkaian dengan mudah, lalu perpotongan antara garis beban dengan kurva karakteristik disebut Q Point atau titik kerja diode.











  1. LAMPIRAN




Artikel Terkait: