2018

MODUL 03 RANGKAIAN DIODA PRAKTIKUM ELEKTRONIKA TA 2017/2018

LABORATORIUM ELEKTRONIKA DAN INSTRUMENTASI PROGRAM STUDI FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN PENGETAHUAN ALAM INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG

Riwayat Revisi

02-09-2016 13-09-2016 14-07-2017 29-09-2017

Rev. 0 1 2 3

1 TUJUAN    

Memahami karakteristik dioda. Memahami prinsip kerja rangkaian clipper. Memahami prinsip kerja rangkaian clamper. Memahami prinsip kerja rectifier.

2 PERSIAPAN  Malvino, “Electronic Principles”, Chapter 3 Diode Theory  Malvino, “Electronic Principles”, Chapter 4 Diode Circuits

3 PERALATAN PRAKTIKUM     

Resistor 1k dan 10k Kapasitor 100 nF, 47 µF, dan 470 µF Dioda dan dioda zener Kabel jumper Transformator CT

    

1 Breadboard 2 Multimeter 1 Osiloskop 1 Signal Generator 1 Power Supply

4 DASAR TEORI 4.1 Rangkaian Dioda Kurva karakteristik dioda digambarkan sebagai berikut:

Gambar 1. Kurva karakteristik dioda

Kurva diatas menunjukkan, dioda akan melakukan konduksi hanya bila tegangan lebih besar dari Knee Voltage atau Breakdown Voltage pada kasus panjar mundur. Apabila potensial pada anoda dioda lebih besar dari katoda, maka dioda akan masuk ke Forward Region. Pada daerah ini arus akan mengalir apabila tegangan yang diberikan lebih dari Knee Voltage. Nilai dari Knee Voltage suatu dioda akan bergantung degan jenis material semikonduktor yang digunakan, yakni ~0.7 V untuk silikon dan ~0.3 V untuk germanium. Sebaliknya, apabila potensial pada anoda lebih kecil dari katoda, maka dioda akan masuk ke Reverse Region. Pada Reverse Region arus yang mengalir sangatlah kecil. Ketika tegangan yang diberikan pada dioda lebih besar dari Breakdown Voltage, maka dioda akan mengalirkan arus dan berperilaku seperti dioda pada kondisi panjar maju.

Gambar 2. Dioda pada kondisi panjar maju dan panjar mundur.

4.2 Rangkaian Clipper Rangkaian dioda pemotong (clipper) digunakan untuk membatasi tegangan sinyal input dengan cara “memotong” sinyal pada suatu level tegangan tertentu. Berdasarkan level tegangan yang dipotong terdapat dua jenis rangkaian clipper yaitu clipper positif dan clipper negatif. Pada rangkaian clipper dibias, dioda diberikan bias dari sumber tegangan DC eksternal (𝑉𝐵 ). Besar tegangan yang terpotong akan bergantung pada tegangan bias yang diberikan.

Pada clipper dibias positif, pabila 𝑉𝑖𝑛 lebih besar dibandingkan 𝑉𝐵 , maka dioda akan berada pada kondisi panjar maju sehingga berperilaku seperti saklar tertutup, sehingga berlaku 𝑉𝑜𝑢𝑡 = 𝑉𝐵 . Sebaliknya, apabila 𝑉𝑖𝑛 kurang dari 𝑉𝐵 dioda akan berada dalam kondisi panjar mundur sehingga dioda berpierilaku seperti saklar terbuka dan rangkaian kembali seperti pembagi tegangan biasa. Sedangkan pada clipper dibias negatif, dioda akan berperilaku seperti saklar tertutup apabila 𝑉𝑖𝑛 kurang dari -𝑉𝐵 dan seperti saklar terbuka pada nilai tegangan 𝑉𝑖𝑛 lainnya. R D 𝑹𝑳

𝑽𝑩

Gambar 3. Clipper Dibias Positif

Gambar 4. Clipper Dibias Negatif

4.3 Rangkaian Clamper Rangkaian clamper berfungsi untuk menggeser sinyal input pada suatu level tegangan tertentu tanpa mengubah bentuk sinyal aslinya. Rangkaian ini menggeser sinyal dengan cara menambahkan komponen DC pada sinyal melalui kapasitor. Pada clamper dibias, tegangan DC yang ditambahkan pada sinyal input AC tidak hanya berasal dari kapasitor melainkan juga berasal dari sumber tegangan DC lain. Misal pada contoh kasus clamper dibias positif, apabila tegangan sinyal (𝑉𝑖𝑛 ) bernilai negatif dan dipenuhi 𝑉𝑖𝑛 < 𝑉𝐵 , maka dioda akan berada pada kondisi panjar maju. Akibatnya kapsitor akan terisi sampai tegangannya mencapai 𝑉𝑖𝑛,𝑚𝑎𝑥 − 𝑉𝐵 . Pada fasa-fasa selanjutnya, kapasitor yang telah terisi tersebut akan memberikan tegangan tambahan pada sinyal sebesar tegangan kapasitor tersebut, sehingga nilai maximum dan minimum dari sinyal menjadi 2𝑉𝑖𝑛,𝑚𝑎𝑥 − 𝑉𝐵 dan −𝑉𝐵 . C

C D

D 𝑹𝑳

𝑹𝑳

𝑽𝑩

𝑽𝑩

Gambar 6. Clamper Dibias Negatif

Gambar 5. Clamper Dibias Positif

4.4 Rangkaian Penyearah Gelombang Penuh dengan Tapis Rangkaian penyearah gelombang penuh 2 dioda menggunakan transformator CT (center tapped). Salah satu dioda bekerja pada fase siklus positif dan dioda yang lain bekerja pada fase siklus negatif, sehingga kedua tegangan setengah gelombang tersebut akan ditambahkan dan menjadi gelombang penuh. Oleh karena itu penyearah gelombang penuh identik dengan penggunaan transformator center tap (CT) yang memiliki dua buah output sinyal AC dengan fase berkebalikan dan sebuah CT yang berfungsi sebagai ground.

D T

C

R

D

Gambar 7. Penyearah Gelombang Penuh dengan Tapis

Pada rangkaian diatas, dioda akan mengalami kondisi forward bias secara bergantian bergantung pada fasa sinyal dari transformator. Pada siklus awal akan terjadi pengisian kapasitor, yang kemudian akan melalui proses pengosongan apabila tegangan sinyal kurang dari tegangan kapasitor.

5 TUGAS PENDAHULUAN 1. Gambarkan kurva karakteristik dioda ideal! Jelaskan kondisi forward bias dan reverse bias pada dioda! (20) 2. Jelaskan fungsi tegangan bias pada rangkaian clipper dan clamper! (20) 3. Jelaskan fungsi dioda dan kapasitor pada rangkaian penyearah gelombang! (20) 4. Buat simulasi di Proteus untuk rangkaian berikut: a. Clipper positif dan negatif. (15) b. Clamper positif dan negatif. (15) c. Penyearah setengah gelombang dengan tapis. (10) Sertakan gambar rangkaian pada simulasi dan sinyal input dan outputnya.

6 LANGKAH PERCOBAAN 6.1 Karakterisasi Dioda  Buat rangkaian dioda seperti pada gambar berikut, gunakan dioda zener yang berwarna putih. 1K D

      

Hubungkan rangkaian dengan Power Supply. Variasikan tegangan input dalam rentang positif dari rentang 0 – 1 Volt dengan selang 0.1 Volt dan 1 – 3 Volt dengan rentang 0.5 Volt. Catat nilai arus dan tegangan pada dioda dan seluruh rangkaian. Balik polaritas dari power supply dengan menukar VCC dan Ground. Variasikan kembali tegangan input pada rentang 0 – 8 Volt dan dengan selang 1 Volt. Catat nilai arus dan tegangan pada dioda dan pada seluruh rangkaian, catat nilai tegangan sebagai tegangan negatif. Plot nilai arus yang didapat terhadap tegangan.

6.2 Clipper Positif  Buat rangkaian clipper dibias positif gambar berikut, dengan 𝑉𝐵 berasal dari power supply tegangan DC, gunakan dioda yang berwarna hitam. 1K

D 10K

𝑽𝑩

   

Beri tegangan AC input dengan Vpp = 10 Volt dan f = 1 KHz dari Signal Generator. Hubungkan probe osiloskop dengan input dan output dari rangkaian. Variasikan VB dari power supply dari 0-4 Volt dengan rentang 1 Volt, untuk VB = 0 Volt hubungkan dioda langsung ke ground tanpa melewati power supply. Ambil gambar sinyal input dan output yang diperoleh untuk masing-masing variasi tegangan.

6.3 Clamper Negatif  Buat rangkaian clamper dibias negatif seperti pada berikut, dengan 𝑉𝐵 berasal dari power supply tegangan DC.

47 µF

D 10K 𝑽𝑩

   

Beri tegangan AC input dengan Vpp = 10 Volt dan f = 1 KHz dari Signal Generator. Hubungkan probe osiloskop dengan input dan output dari rangkaian. Variasikan VB dari power supply dari 0-4 Volt dengan rentang 1 Volt, untuk VB = 0 Volt hubungkan dioda langsung ke ground tanpa melewati power supply. Ambil gambar sinyal input dan output yang diperoleh untuk masing-masing variasi tegangan.

6.4 Penyearah Gelombang dengan Tapis  Buat rangkaian penyearah gelombang dengan tapis seperti gambar berikut tanpa menggunakan kapasitor, gunakan transformator CT (center tapped). D C

1K

D

   

Hubungkan osiloskop dengan output rangkaian. Amati dan ambil gambar dari sinyal sinyal output yang diperoleh. Variasikan nilai kapasitansi sebanyak 3 kali, yakni menggunakan 180 nF, 47 uF, dan 470 uF. Amati dan ambil gambar sinyal output untuk tiap variasi.

7 TUGAS LAPORAN 1. Jelaskan kedua grafik yang diperoleh dari percobaan 1. Grafik manakah yang merupakan kurva karakteristik dioda? Apa fungsi dari resistor pada rangkaian? (5) 2. Jelaskan pengaruh tegangan DC pada besar pemotongan tegangan input pada rangkaian clipper dibias dan pergeseran tegangan input pada rangkaian clamper dibias. Hubungkan dengan prinsip kerja rangkaian clipper dan clamper. (5) 3. Jelaskan fungsi kapasitor pada rangkaian clamper. (3) 4. Mengapa pada rangkaian clamper tanpa bias sinyal tidak bergeser ke 0 Volt? Apa yang terjadi apabila VB lebih besar dari Vin? Mengapa demikian? (4) 5. Jelaskan cara kerja rangkaian penyearah gelombang penuh pada gambar 7. (3) 6. Jelaskan fungsi kapasitor pada rangkaian penyearah gelombang. Apa pengaruhnya jika nilai kapasitansi dari kapasitor diubah? Mengapa demikian? Untuk mendapatkan output yang semakin mendekati sinyal DC, apa yang harus dilakukan? (5)

8 REFERENSI Malvino, Albert Paul. Electronics Principles, 8th edition. McGraw-Hill Education. United States : 2007. Chapter 4 : Diode Circuits

LOG AKTIVITAS Nama NIM Shift

: : :

𝐼𝑑 (𝑚𝐴)

Percobaan 1 Karakteristik Dioda 𝑉𝑠 (𝑉) -8 -7 -6 -5.5 -5 -4.5 -4 -3 -2 -1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.5 2 2.5 3

𝐼𝑑 (mA)

𝑉𝑑 (𝑚𝑉)

𝑉𝑠 (𝑉)

Percobaan 2 Clipper Dibias Positif

Input

𝑉𝑏𝑖𝑎𝑠 =0𝑉

𝑉𝑏𝑖𝑎𝑠 =1𝑉

𝐼𝑑 (𝑚𝐴)

𝑉𝑏𝑖𝑎𝑠 =2𝑉 𝑉𝑑 (𝑉) 𝑉𝑏𝑖𝑎𝑠 =3𝑉

𝑉𝑏𝑖𝑎𝑠 =4𝑉

Percobaan 3 Clamper Dibias Negatif

Percobaan 4 Penyearah Gelombang dengan Tapis

Input

Input

𝑉𝑏𝑖𝑎𝑠 =0𝑉

C=0F

𝑉𝑏𝑖𝑎𝑠 =1𝑉

C = 180 nF

𝑉𝑏𝑖𝑎𝑠 =2𝑉

C = 47 µF

𝑉𝑏𝑖𝑎𝑠 =3𝑉

C = 470 µF

𝑉𝑏𝑖𝑎𝑠 =4𝑉