1 BAB I PENDAHULUAN A. Latar Belakang Peralatan elektronik saat ini banyak sekali dijumpai dalam kehidupan sehari-hari seperti radio, televisi, dan lain-lain. Hampir semua peralatan elektronika memerlukan sumber arus searah. Penyearah digunakan untuk mendapatkan arus searah dari suatu arus bolak-balik. Arus atau tegangan tersebut harus benar-benar rata tidak boleh berdenyut-denyut agar tidak menimbulkan gangguan bagi peralatan yang dicatu. Salah satu komponen terpenting namun sederhana dalam peralatan elektronik adalah dioda. Dioda adalah suatu komponen yang mengandung bahan semikonduktor yang terbuat dari bahan yang disebut PN Junction yaitu suatu bahan campuran yang terdiri dari bahan positif (P) dan bahan negatif (N) (Rusmadi, 2007). Kata dioda berasal dari pendekatan kata yaitu dua elektroda yang mana (di berarti dua) mempunyai dua buah elektroda yaitu anoda dan katoda. Sifat lain dari dioda adalah menghantarkan arus pada tegangan maju dan menghambat arus pada aliran tegangan balik. Pada dioda arus listrik akan mengalir dari kutub anoda menuju kutub katoda. Dioda terdiri dari bermacam-macam jenis diantaranya yaitu dioda zener. Dioda zener memiliki sisi berbeda dari dioda biasa. Sebuah dioda biasanya dianggap sebagai alat yang menyalurkan listrik ke satu arah, namun Dioda Zener dibuat sedemikian rupa sehingga arus dapat mengalir ke arah yang berlawanan jika tegangan yang diberikan melampaui batas "tegangan rusak" (breakdown voltag) atau "tegangan zener”. Dioda zener adalah salah satu jenis dioda yang memiliki sisi exsklusif pada daerah breakdownnya, sehingga dapat dimanfaatkan sebagai stabilizer atau pembatas tegangan. Dioda zener juga mempunyai sebuah kurva yang mempunyai karakteristik tertentu. Karakteristik kurva dioda zener juga sama seperti dioda pada umumnya, namun pada daerah breakdown dimana pada saat bias mundur mencapai tegangan breakdown maka arus dioda naik dengan cepat. Oleh karena itu, percobaan ini dilakukan untuk mengetahui karakteristik dioda zener pada arus dan tegangan terpanjar maju dan mundur dengan menggunakan tegangan input yang berbeda.. Serta mengetahui kurva hubungan V terhadap I pada dioda zener yang terpanjar maju maupun mundur.
2 B. Rumusan Masalah Berdasarkan latar belakang di atas, maka rumusan masalah yang dapat diambil adalah sebagai berikut: 1. Bagaimana pengaruh tegangan input terhadap arus dan tegangan dioda zener yang terpanjar maju (forward bias) dan terpanjar mundur (reverse bias)? 2. Bagaimana kurva hubungan V-I pada dioda zener yang terpanjar maju dan terpanjar mundur?
C. Tujuan Penelitian Tujuan dari praktikum ini adalah : 1. Mengetahui pengaruh tegangan input terhadap arus dan tegangan dioda zener yang terpanjar maju (forward bias) dan terpanjar mundur (reverse bias). 2. Menggambar kurva hubungan V-I pada dioda zener yang terpanjar maju dan terpanjar mundur.
3 BAB II KAJIAN PUSTAKA A. Dioda Zener Dioda Zener adalah dioda yang memiliki karakteristik menyalurkan arus listrik mengalir ke arah yang berlawanan jika tegangan yang diberikan melampaui batas "tegangan tembus" (breakdown voltage) atau "tegangan Zener". Ini berlainan dari dioda biasa yang hanya menyalurkan arus listrik ke satu arah. Dioda yang biasa tidak akan mengalirkan arus listrik untuk mengalir secara berlawanan jika dicatu-balik (reverse-biased) di bawah tegangan rusaknya. Jika melampaui batas tegangan operasional, dioda biasa akan menjadi rusak karena kelebihan arus listrik yang menyebabkan panas. Namun proses ini adalah reversibel jika dilakukan dalam batas kemampuan. Dalam kasus pencatuan-maju (sesuai dengan arah gambar panah), dioda ini akan memberikan tegangan jatuh (drop voltage) sekitar 0.6 Volt yang biasa untuk dioda silikon. Tegangan jatuh ini tergantung dari jenis dioda yang dipakai. (Tim Elektronika, 2015). A
K
Gambar 2.1 simbol dioda zener Sumber: modul elektronika komunikasi Bahan dasar pembutan komponen dioda zener adalah silikon yang mempunyai sifat lebih tahan panas, oleh karena itu sering digunakan untuk komponen-komponen elektronika yang berdaya tinggi. Elektron-elektron yang terletak pada orbit paling luar (lintasan valensi) sangat kuat terikat dengan intinya (proton) sehingga sama sekali tidak mungkin elektronelektron tersebut melepaskan diri dari intinya. Dioda zener berbeda dengan dioda penyearah, dioda zener dirancang untuk beroperasi dengan tegangan muka terbalik (reverse bias) pada tegangan tembusnya,biasa disebut “breakdown diode”. Jadi katoda-katoda selalu diberi tegangan yang lebih positif terhadap anoda dengan mengatur tingkat dopping, pabrik dapat menghasilkan dioda zener dengan tegangan break down kira-kira dari 2V sampai 200V.
4 Pembentukan dioda zener bisa dilaksanakan dengan cara poin kontak dan junction. Pengertian junction (pertemuan) adalah daerah dimana tipe p dan tipe n bertemu, dan dioda junction adalah nama lain untuk kristal pn (kata dioda adalah pendekan dari dua elektroda dimana di berarti dua). Untuk lebih jelasnya lihat gambar dibawah ini. p + + + + + + + + + + + +
n _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _
Gambar 2.2 pembentukan dioda zener Sumber: modul elektronika komunikasi Sisi p mempunyai banyak hole dan sisi n banyak elektron pita konduksi. Agar tidak membingungkan, pembawa minoritas tidak ditunjukkan, tetapi ada beberapa elektron pita konduksi pada sisi p dan sedikit hole pada sisi n. Elektron pada sisi n cenderung untuk berdifusi kesegala arah, beberapa berdifusi melalui junction. Jika elektron masuk daerah p, ia akan merupakan pembawa minoritas, dengan banyaknya hole disekitarnya, pembawa minoritas ini mempunyai umur hidup yang singkat, segera setelah memasuki daerah p, elektron akan jatuh kedalam hole. Jika ini terjadi, hole lenyap dan elektron pita konduksi menjadi elektron valensi. Setiap kali elektron berdifusi melalui junction ia menciptakan sepasang ion, untuk lebih jelasnya lihat gambar dibawah ini : Lapisan Pengosongan p
n _ + + + _ + + + _ + + +
_ _ _ + _ _ _ + _ _ _ +
Gambar 2.3 junction zener diode Sumber: modul elektronika komunikasi
Tanda positif berlingkaran menandakan ion positif dan tanda negatip berlingkaran menandakan ion negatip. Ion tetap dalam struktur kristal
5 karena ikatan kovalen dan tidak dapat berkeliling seperti elektron pita konduksi ataupun hole. Tiap pasang ion positif dan negatif disebut dipole, penciptaan dipole berarti satu elektron pita konduksi dan satu hole telah dikeluarkan dari sirkulasi. Jika terbentuk sejumlah dipole, daerah dekat junction dikosongkan dari muatan-muatan yang bergerak, kita sebut daerah yang kosong muatan ini dengan lapisan pengosongan (depletion layer).
B. Dioda Zener dalam kondisi Forward Bias Dalam kondisi forward bias dioda zener akan dibias sebagai berikut: kaki katoda diberi tegangan lebih negatif terhadap anoda atau anoda diberi tegangan lebih positif terhadap katoda. Dalam kondisi demikian dioda zener akan berfungsi sama halnya dioda penyearah dan mulai aktif setelah mencapai tegangan barier yaitu 0,7V. Tahanan dioda (Rz) kecil sekali, sedangkan konduktansi (
I U
) besar sekali, karena tegangan maju akan
menyempitkan depletion layer (daerah perpindahan muatan) sehingga perlawanannya menjadi kecil dan mengakibatkan adanya aliran elektron.
Gambar 2.4 Aliran Elektron kondisi forward bias Sumber : Teknik Dasar Elektronika Komunikasi, 2013 C. Dioda Zener dalam kondisi Reverse Bias Dalam kondisi reverse bias dioda zener kaki katoda selalu diberi tegangan yang lebih positif terhadap anoda. Jika tegangan yang dikenakan
6 mencapai nilai breakdown, pembawa minoritas lapisan pengosongan dipercepat sehingga mencapai kecepatan yang cukup tinggi untuk mengeluarkan elektron valensi dari orbit terluar. Elektron yang baru dibebaskan kemudian dapat menambah kecepatan cukup tinggi untuk membebaskan elektron valensi yang lain. Dengan cara ini kita memperoleh longsoran elektron bebas. Longsoran terjadi untuk tegangan reverse yang lebih besar dari 6V atau lebih.
Gambar 2.5 Aliran Elektron kondisi reverse bias Sumber : Teknik Dasar Elektronika Komunikasi, 2013 D. Karakteristik Kurva Dioda Zener Efek zener berbeda-beda bila dioda di-doping banyak, lapisan pengosongan amat sempit. Oleh karena itu medan listrik pada lapisan pengosongan amat kuat. Jika kuat medan mencapai kira-kira 300.000 V persentimeter, medan cukup kuat untuk menarik elektron keluar dari orbit valensi. Penciptaan elektron bebas dengan cara ini disebut breakdown zener. Efek zener dominan pada tegangan breakdown kurang dari 4 V, efek longsoran dominan pada tegangan breakdown yang lebih besar dari 6 V, dan kedua efek tersebut ada antara 4 dan 6 V. Pada mulanya orang mengira bahwa efek zener
merupakan satu-satunya mekanisme
breakdown dalam dioda. Oleh karenanya, nama “dioda zener” sangat luas digunakan sebelum efek longsoran ditemukan. Semua dioda yang
7 dioptimumkan bekerja pada daerah breakdown oleh karenanya tetap disebut dioda zener. Jika digambarkan kurva karakteristik dioda zener dalam kondisi forward bias dan reverse bias adalah sebagai berikut. I forw ard ( m A )
daerah tegangan tem bus
forw ard ( v )
R evers e ( V )
titik tegangan linier
I revers e
Gambar 2.6 Karakteristik dioda zener Sumber: modul elektronika komunikasi
E. Hipotesis Dalam keadaan dioda zener terpanjar maju (forward bias) semakin besar Vinput semakin besar pula Arus (If) karena besarnya arus berbanding lurus dengan Vinput. Namun semakin besar Vinput, nilai tegangan keluaran dioda zener (Vz) tetap konstan. Sementara dalam keadaan terpanjar mundur (reverse bias) semakin besar Vinput semakin besar pula Arus (If) karena besarnya arus berbanding lurus dengan V. Namun semakin besar Vinput, nilai tegangan keluaran dioda zener (Vz) berbeda. Ketika VInput< Vbreakdown menghasilkan Vz= VInput. Ketika VInput > Vbreakdown menghasilkan Vz= Vbreakdown.
8 BAB III METODE PENELITIAN A. Metode Percobaan Percobaan ini dilakukan dengan menggunakan metode eksperimen dengan memanipulasi tegangan input (V in). B. Waktu dan Tempat Percobaan Paktikum karakteristik dioda zener dilakukan pada hari senin tanggal 9 april 2018 pada pukul 13.00 – 15.00 WIB di Laboratorium IPA jurusan IPA FMIPA Unesa. C. Alat dan Bahan Alat dan bahan yang digunakan dalam praktikum ini adalah : 1. Dioda Zener
1 buah
2. Hambatan 1000 Ohm
1 buah
3. Catu daya
1 buah
4. Multimeter
1 buah
5. Breadboard
1 buah
6. Kabel penghubung
2 buah
D. Variabel Percobaan dan Devinisi Operasional 1. Variabel manipulasi Definisi Operasional
: V input :Tegangan Input yang digunakan pada percobaan ini adalah menggunakan 3 V, 6 V, 9 V dan 12 V
2. Variabel control Definisi Operasional
: Hambatan dan Dioda : Hambatan yang digunakan pada percobaan ini adalah dengan menggunakan resistor 1000Ω dan dioda zener
3. Variabel respon
: Arus dan tegangan dioda zener
Definisi Operasional :Arus pada rangkaian dapat diukur dengan menggunakan multitester yang dihubungkan pada hambatan. Sedangkan pada tegangan output
9 diperoleh dengan mengukur tegangan yang ada pada dioda zener E. Rancangan Percobaan 1. Rancangan percobaan Forward bias
Gambar 3.1 rancangan percobaan forward bias Sumber: modul LKM elektronika 2. Rancangan percobaan reverse bias
Gambar 3.2. rancangan percobaan reverse bias Sumber: modul LKM elektronika
F. Langkah Kerja 1. Langkah kerja percobaan forward bias a. Merangkai diode zener, hambatan, dan catu daya sesuai dengan diagram gambar 3.1 b. Menyalakan catu daya dengan besar tegangan 3V c. Mengukur arus yang ada pada rangkaian dan tegangan pada dioda zener d. Menuliskan data hasil pengukuran pada tabel pengamatan. a. Mengulangi langkah-langkah di atas untuk input yang berbeda 2. Langkah kerja percobaan reverse bias a. Merangkai dioda zener, hambatan, dan catu daya sesuai dengan diagram gambar 3.2 b. Menyalakan catu daya dengan besar tegangan 3V
10 c. Mengukur arus yang ada pada rangkaian dan tegangan pada diode zener d. Menuliskan data hasil pengukuran pada tabel pengamatan. e. Mengulangi langkah-langkah di atas untuk input yang berbeda G. Alur Percobaan 1. Alur percobaan forward bias Diode Zener
Hambatan
-
Catu daya
Dirancang seperti gambar 3.1
Rangkaian Alat -
Dinyalakan catu daya dengan besar tegangan 3 volt Diukur arus yang ada pada rangkaian Diukur tegangan pada diode zener Ditulis data hasil pengukuran Diulangi langkah-langkah diatas untuk tegangan input yang berbeda yaitu 6V, 9V dan 12V
Hasil (If dan Vz)
11 2. Alur percobaan reverse bias Dioda Zener
Hambatan
-
Catu daya
Dirancang seperti gambar 3.2
Rangkaian Alat -
Dinyalakan catu daya dengan besar tegangan 3 volt Diukur arus yang ada pada rangkaian Diukur tegangan pada diode zener Ditulis data hasil pengukuran Diulangi langkah-langkah diatas untuk tegangan input yang berbeda yaitu 6V, 9V dan 12V
Hasil (If dan Vz)
12 BAB IV PEMBAHASAN A. Hasil Percobaan Tabel 4.1 Data Pengamatan Dioda Zener Forward Bias No.
Vin (V)
If (mA)
Vz (V)
1
3
5
20
2
6
10
20
3
9
20
20
4
12
30
20
Tabel 4.2 Data Pengamatan Dioda Zener Reverse Bias No.
Vin (V)
If (mA)
Vz (V)
1
3
0
75
2
6
10
25*
3
9
45
125
4
12
105
125
Keterangan: If (mA) Batas Ukur
: 0,25
Vz (V) Batas Ukur
: 10, kecuali (*) : 50
Vbreakdown Dioda Zener : 5 V ± 5% Resistor
: 1000 Ω ± 5%
Berdasarkan tabel hasil percobaan, tabel di atas merupakan nilai hasil pengukuran pada multimeter, besar nilai yang ditunjukkan merupakan angka yang ditunjukkan oleh multimeter. Perhitungan hasil dari data sementara terdapat pada lampiran perhitungan. dapat diketahui bahwa pada rangkaian forward bias semakin besar Vin yang diberikan pada rangkaian maka besar Vz memiliki nilai yang konstan, setelah dilakukan perhitungan adalah sebesar 0,8 V. Begitu juga pada If mengalami kenaikan berturut-turut sebesar 0,005 mA; 0,01 mA; 0,02 mA; 0,02 mA. Pada rangkaian reverse bias sebelum diberikan Vin sebesar 6 V, besar nilai arus adalah 0 dan Vz sama dengan Vin yang berikan. Namun
13 setelah Vin mecapai 6 V, maka Vz mengalami nilai konstan yaitu sebesar 5 V, dan If mengalami kenaikan berturut-turut adalah sebesar 0,01 mA; 0,045 mA; dan 0.105 mA. B. Pembahasan Hasil percobaan “Karakteristik Arus dan Tegangan Dioda Zenner” ditunjukkan pada tabel 4.1 Dioda Zenner Forward Bias dan tabel 4.2 Reverse Bias dapat dibuat grafik hubungan antara Vz dan If pada dioda zener (perhitungan ada di lampiran hitung) seperti dibawah ini sumbu x merupakan If (mA) dan sumbu y merupakan Vz (V). Grafik 4.1 hubungan antara V-I (forward bias) 0.035 0.03 0.025 0.02 0.015 0.01 0.005 0 0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
Grafik 4.2 hubungan antara V-I (reverse bias) 0.12 0.1 0.08 0.06 0.04 0.02
0 0
1
2
3
4
5
6
Berdasarkan data yang didapat maka pada rangkaian forward bias dapat diketahui bahwa semakin besar Vin yang diberikan maka semakin
14 pula nilai arus pada rangkaian tersebut (berbanding lurus). Arus pada dioda zener terpanjar maju atau forward bias, arus akan terbaca pada saat sudah mecapai potensial barrier. Pada umumnya, dioda zener terbuat dari silikon dengan besar potensial barrier 0,7V (Untuk germanium sebesar 0,3V). Setelah Vin sudah mencapai nilai sebesar itu, maka arus baru dapat mengalami kenaikan (Rugianto, 2013). Dalam percobaan ini, Vin pada rangkaian sudah lebih besar dari pada 0,7V (Tegangan barrier), maka arus dapat mengalami kenaikan berbanding lurus dengan kenaikan Vin pada rangkaian. Sama halnya dengan keadaan reverse bias, arus akan mengalami kenaikan nilai apabila sudah mencapai tegangan breakdown. Dioda zenner dalam keadaan reverse bias yaitu ketika kaki katoda terhubung pada kutub negatif dan kaki anoda terhubung pada kutub positif, maka akan bertambah ion negatif pada anoda dan ion positif pada katoda. Hal ini menyebabkan akan terjadi pergeseran atau depletion layer (Fadjar, 1993). Dalam percobaan ini, jika Vin yang diberikan tidak mampu melewati daerah pergeseran tersebut, maka tidak ada arus yang mengalir dalam rangkaian, hal ini dapat dilihat dari hasil data. Tegangan breadown dioda zener yang dipakai dalam rangkaian menurut hasil percobaan adalah 5V. Ketika Vin hanya sebesar 3V maka arusnya 0. Ketika Vin dinaikkan maka besar arus dalam rangkaian tersebut juga mengalami kenaikkan. Hal ini sudah sesuai dengan kurva yang terbentuk hasil percobaan dengan teori yang ada. Berdasarkan spesifikasi dari dioda zener itu sendiri, dioda zener yang dipakai dalam percobaan ini bertipe IN4733A yang memiliki V breakdown 5,1V dengan toleransi sebesar 5%. Hasil percobaan dengan hasil spesifikasi sudah menunjukkan kesesuaian. Tegangan yang diukur dalam rangkaian ini adalah tegangan pada dioda zener. Berdasarkan data yang diperoleh, meskipun Vin dinaikkan, maka V zener yang dihasilkan adalah sama. Hal ini sesuai dengan fungsi dari dioda zener itu sendiri. Dalam keadaan forward bias dioda zener berfungsi sama seperti dioda penyearah yaitu penstabil tegangan. Namun dalam keadaan reverse bias, jika Vin lebih kecil dibandingan V breakdown maka Vz akan sama dengan Vin. Perbedaan dioda zener dengan dioda
15 biasa terletak pada dioda zener tidak dapat bekerja pada keadaan reverse atau terpanjar mundur. Dioda biasa memiliki tegangan balik maksimum yaitu peak inverse voltage (PIV). Jika pemasangan dilakukan layaknya rangkaian reverse maka dioda biasa dapat mengalami kerusakan. Dalam kehidupan sehari-hari dioda zener dapat digunakan sebagai dioda biasa maupun dioda zener diguanakan sebagai penstabil tegangan.
16
BAB V PENUTUP A. Simpulan Berdasarkan percobaan yang telah dilakukan, maka dapat dibuat kesimpulan sebagai berikut: 1. Dalam keadaan dioda zener terpanjar maju (forward bias) semakin besar Vinput semakin besar pula Arus (If) karena besarnya arus berbanding lurus dengan V. Namun semakin besar Vinput, nilai tegangan keluaran dioda zener (Vz) tetap konstan, hal ini sesuai dengan fungsinya sebagai penstabil tegangan. Sementara dalam keadaan terpanjar mundur (reverse bias) semakin besar Vinput semakin besar pula Arus (If) karena besarnya arus berbanding lurus dengan V. Namun semakin besar Vinput, nilai tegangan keluaran dioda zener (Vz) berbeda. Ketika VInput< Vbreakdown menghasilkan Vz= VInput. Ketika VInput > Vbreakdown menghasilkan Vz= Vbreakdown. 2. Kurva hubungan tegangan dan arus (V-I) pada dioda zener juga sama seperti dioda penyearah biasa namun perlu dipertegas adanya daerah breakdown dimana pada saat bias mundur mencapai tegangan breakdown maka arus dioda naik dengan cepat. B. Saran Berdasarkan percobaan yang telah dilakukan, maka dapat dibuat saran sebagai berikut: 1. Sebelum melakukan percobaan, setiap alat harus dicek terlebih dahulu dapat berfungsi sesuai dan dengan baik. Misal power supply dicek apakah tegangan keluaran sesuai dengan yang dibutuhkan menggunakan multi meter. 2. Memastikan dioda yang digunakan benar-benar adalah dioda zener.
17 DAFTAR PUSTAKA Dedy, Rusmadi. 2007. Belajar Rangkaian Elektronika Tanpa Guru. Bandung: Del Fajar Fadjar, Purwanto. 1995. Elektronika Modul 1-9. Jakarta: Departemen Pendidikan dan Kebudayaan, Direktorat Jendral Pendidikan Dasar dan Menengah. Giancoli, D.C. 2004.Physics, Princiles with Application. New Jersey: Prentice Hall. Herry, Sudjendro. 2000. Karakteristik dan Penggunaan Komponen Dioda dan Transistor Elektronika Komunikasi. Malang: Direktorat Jenderal Pendidikan Dasar dan Menengah Rugianto. 2013 . Teknik Dasar Elektronika Komunikasi . Jakarta : Kementerian Pendidikan dan Kebudayaan Tim Elektronika. 2015. Elektronika Dasar Panduan Praktikum Untuk Prodi Pendidikan IPA. Surabaya: Pendidikan IPA
18 LAMPIRAN PERHITUNGAN A. Dioda Zener Forward Bias 1. Vin : 3 Volt If : 5 A 5
If : 250 × 0,25 = 0,005 𝐴 Vz : 20 V 20
Vz : 250 × 10 = 0,8 𝑉 2. Vin : 6 Volt If : 10 A If :
10 × 250
0,25 = 0,01 𝐴
Vz : 20 V Vz :
20 × 250
10 = 0,8 𝑉
3. Vin : 9 Volt If : 20 A If :
20 × 250
0,25 = 0,02 𝐴
Vz : 20 V Vz :
20 × 250
10 = 0,8 𝑉
4. Vin : 12 Volt If : 30 A 30
If : 250 × 0,25 = 0,03 𝐴 Vz : 20 V 20
Vz : 250 × 10 = 0,8 𝑉 B. Dioda Zener Reverse Bias 1. Vin : 3 Volt If : 0 A If :
0 × 250
0,25 = 0 𝐴
Vz : 75 V 75
Vz : 250 × 10 = 3 𝑉
19 2. Vin : 6 Volt If : 0 A 10
If : 250 × 0,25 = 0,01 𝐴 Vz : 75 V 25
Vz : 250 × 50 = 5 𝑉 3. Vin : 9 Volt If : 45 A 45
If : 250 × 0,25 = 0,045 𝐴 Vz : 75 V Vz :
125 × 250
10 = 5 𝑉
4. Vin : 12 Volt If : 105 A If :
105 × 250
0,25 = 0,105 𝐴
Vz : 125 V Vz :
125 × 250
10 = 5 𝑉
20 LAMPIRAN DOKUMENTASI
Rangkaian Forward Bias
Mengukur V pada dioda zener
Mengukur I pada rangkaian
Mengukur V, Vin dinaikkan
Mengukur I, Vin dinaikkan