2013-08-30-16-42-32_RONIKA

Dasar Elektronika - 1

1.1. Pendahuluan

Pada dasarnya semua bahan memiliki sifat resistif namun beberapa bahan seperti

tembaga, perak, emas dan bahan metal umumnya memiliki resistansi yang sangat kecil.

Bahan-bahan tersebut menghantar arus listrik dengan baik, sehingga dinamakan

konduktor. Kebalikan dari bahan yang konduktif, bahan material seperti karet, gelas,

karbon memiliki resistansi yang lebih besar menahan aliran elektron dan disebut sebagai

insulator. Resistor adalah komponen dasar elektronika yang digunakan untuk

membatasi jumlah arus yang mengalir dalam satu rangkaian. Sesuai dengan namanya

resistor bersifat resistif dan umumnya terbuat dari bahan karbon .

Dari hukum Ohms diketahui, resistansi berbanding terbalik dengan jumlah arus

yang mengalir melaluinya. Satuan resistansi dari suatu resistor disebut Ohm atau

dilambangkan dengan simbol (Omega).

Tipe resistor yang umum adalah berbentuk tabung dengan dua kaki tembaga di

kiri dan kanan. Pada badannya terdapat lingkaran membentuk gelang kode warna untuk

memudahkan pemakai mengenali besar resistansi tanpa mengukur besarnya dengan

Ohmmeter. Kode warna tersebut adalah standar manufaktur yang dikeluarkan oleh EIA

(Electronic Industries Association) seperti yang ditunjukkan pada tabel 1.1. berikut :


Tabel 1-1 : Nilai Warna Gelang

Warna Nilai Faktor

Pengali Toleransi

Hitam 0 1

Coklat 1 10 1%

Merah 2 100 2%

Jingga 3 1.000

Kuning 4 10.000

Hijau 5 100.000

Biru 6 106

Violet 7 107

Abu-abu 8 108

Putih 9 109

Emas - 0.1 5%

Perak - 0.01 10%

Tanpa warna - - 20%

1.2. Cara Pembacaan Nilai Tahanan

Resistansi dibaca dari warna gelang yang paling depan ke arah gelang toleransi

berwarna coklat, merah, emas atau perak. Biasanya warna gelang toleransi ini berada

pada badan resistor yang paling pojok atau juga dengan lebar yang lebih menonjol,

sedangkan warna gelang yang pertama agak sedikit ke dalam. Dengan demikian

pemakai sudah langsung mengetahui berapa toleransi dari resistor tersebut.

Jumlah gelang yang melingkar pd resistor umumnya sesuai dengan besar

toleransinya. Biasanya resistor dengan toleransi 5%, 10% atau 20% memiliki 3 gelang

(tidak termasuk gelang toleransi). Tetapi resistor dengan toleransi 1% atau 2% (toleransi

kecil) memiliki 4 gelang (tidak termasuk gelang toleransi). Gelang pertama dan

seterusnya berturut-turut menunjukkan besar nilai satuan, dan gelang terakhir adalah

faktor pengalinya.

Misalnya resistor dengan gelang kuning, violet, merah dan emas. Gelang

berwarna emas adalah gelang toleransi. Dengan demikian urutan warna gelang resitor

ini adalah, gelang pertama berwarna kuning, gelang kedua berwana violet dan gelang ke


tiga berwarna merah. Gelang ke empat tentu saja yang berwarna emas dan ini adalah

gelang toleransi.

Dari tabel-1 diketahui jika gelang toleransi berwarna emas, berarti resitor ini

memiliki toleransi 5%. Nilai resistansisnya dihitung sesuai dengan urutan warnanya.

Pertama yang dilakukan adalah menentukan nilai satuan dari resistor ini. Karena resitor

ini resistor 5% (yang biasanya memiliki tiga gelang selain gelang toleransi), maka nilai

satuannya ditentukan oleh gelang pertama dan gelang kedua. Masih dari tabel-1

diketahui gelang kuning nilainya = 4 dan gelang violet nilainya = 7. Jadi gelang pertama

dan kedua atau kuning dan violet berurutan, nilai satuannya adalah 47. Gelang ketiga

adalah faktor pengali, dan jika warna gelangnya merah berarti faktor pengalinya adalah

100. Sehingga dengan ini diketahui nilai resistansi resistor tsb adalah nilai satuan x

faktor pengali atau 47 x 100 = 4,7 K dan toleransinya adalah 5%.

Spesifikasi lain yang perlu diperhatikan dalam memilih resitor pada suatu

rancangan selain besar resistansi adalah besar watt-nya. Karena resistor bekerja dengan

dialiri arus listrik, maka akan terjadi disipasi daya berupa panas sebesar P = I2.R watt.

Semakin besar ukuran fisik suatu resistor dapat menunjukkan semakin besar

kemampuan disipasi daya resistor tersebut.

Resistansi tinggi

Resistansi Rendah

Arus

Tegangan

0

Gambar 1-1. Hukum Resistansi


Cincin 5

Cincin 1 Cincin 2 Cincin 3 Cincin 4

Cincin-Cincin Warna 1, 2, 3

Cincin-Cincin Warna 4

Cincin-Cincin Warna 5

Hitam 0 Dikalikan Dengan Toleransi

Coklat 1 Perak 0,01 Coklat 1%

Merah 2 Emas 0,1 Merah 2%

Jingga 3 Hitam 1 Emas 5%

Kuning 4 Coklat 10 Perak 10%

Hijau 5 Merah 100 Kosong 20%

Biru 6 Jingga 1000

Ungu 7 Kuning 10000

Abu-Abu 8 Hijau 100000

Putih 9 Biru 1000000

2 5 8 1000000 2%

258 M 2%

Gambar 1-2. Kode Warna Resistor

1.3. P.T.C (Positive Temperature Coefficient)

Resistansi

Suhu

Gambar 1-3. PTC

memiliki karakteristik seperti PTC. Resistansi dari bahan konduktor akan mengecil

dengan kenaikan suhu dan karenanya disebut koefisien suhu negatif (negative

temperature coefficient/NTC).

Gambar disamping memperlihatkan

bagaimana resistansi sebuah konduktor logam,

(mis : tembaga) berubah-ubah menurut suhu.

Karena resistansi dari bahan bertambah besar

seiring dengan kenaikan suhu, karakteristik

semacam ini dikatakan sebagai memiliki

koefisien suhu positif (positive temperature

coefficient/PTC), tapi tidak semua bahan karbon


Resistansi dari suatu konduktor pada suhu t diberikan oleh persamaan :

)ttt1(RR 320t . (a)

dimana : , , = konstanta

R0 = resistansi pada 00

C

Koefisien-koefisen , , biasanya cukup kecil dan pada umumnya pemakaian

suhu dengan kisaran 00C 1000C, sehingga dapat diaproksimasikan karakteristiknya

sebagai suatu hukum garis lurus seperti pada gambar dibawah ini :

Resistansi

Suhu

00C t0C

R0

Rt

Gambar 1-3. Karakteristik PTC

1.4. TERMISTOR (NTC Dan PTC)

Pada resistor-resistor konvensional ada kalanya kita membutuhkan resistansi

yang tetap tidak berubah pada kisaran suhu yang lebar (dengan kata lain harus nol).

Sebaliknya terdapat aplikasi-aplikasi dimana kita dapat memanfaatkan efek variasi

resistansi untuk mendeteksi perubahan suhu. Komponen yang memungkinkan untuk

melakukan hal ini dikenal dengan sebagai : Termistor. Resistansi suatu termistor

berubah-ubah seiring dengan berubahnya suhu. Tersedia dua jenis yaitu : PTC dan

NTC.

Gambar 1-4. Karakteristik, Simbol dan Gambar NTC

Sedangkan persamaan (a) dapat disederhanakan

menjadi :

)t1(RR 0t ................. (b)

dimana :

= koefisien suhu

-t0C

atau

x

-t0C

R

esis

tan

si

Suhu


Termistor NTC yang tipikal memiliki resistansi yang berubah-ubah mulai dari beberapa

ratus atau beberapa ribu ohm pada 250C hingga beberapa puluh atau beberapa ratus ohm

pada 1000C

Termistor PTC umumnya memiliki karakteristik resistansi suhu yang tetap

berbentuk datar (biasanya pada suhu sekitar 100 ) untuk kisaran 00C hingga sekitar

750C. Diatas kisaran ini dan pada suhu kritis (biasanya pada kisaran 80

0C hingga

1200C) resistansi termistor melonjak sangat cepat hingga mencapai bahkan melampaui

nilai 10 k .

Gambar 1-5. Karakteristik, Simbol dan Bentuk PTC

Termistor PTC biasanya digunakan untuk proteksi arus lebih. Pada kondisi

terdapat gangguan arus akan melampaui nilai ambang batas dengan selisih yg besar

sehingga termistor mulai mengalami pemanasan diri, resistansi akan naik dengan cepat.

Nilai-nilai yang tipikal dari arus ambang dan arus jatuh masing-masing adalah 200 mA

dan 8 mA untuk alat yang memiliki resistansi nominal sebesar 25 pada suhu 250C.

1.5. Resistor Peka Cahaya (LDR)

Resistor peka cahaya /LDR (Light Dependent Resistor) memanfaatkan bahan

semikon-duktor yang karakteristik listriknya berubah-ubah sesuai dengan cahaya yang

diterima. Dua jenis bahan semikonduktor yang digunakan dalam pembuatan LDR

adalah Kadnium Sulfida (CdS) dan Kadnium Selenida (CdSe). Bahan-bahan ini paling

sensitif terhadap cahaya dalam spektrum tampak, dengan puncaknya 0,6 mikrometer

untuk CdS dan 0,75 mikrometer untuk CdSe.

R

esi

stan

si

Suhu

+t 0 C


Gambar 1-6. Karakteristik dan Simbol LDR

1.6. Resistor Peka Tegangan (VDR)

Resistansi dari suatu resistor peka tegangan (voltage dependent resistor/VDR)

jatuh dengan sangat cepat ketika tegangan yang bekerja padanya melampaui suatu

tegangan nominal, baik ke arah membesar ataupun mengecil. Dalam operasi normal,

arus yang mengalir melalui VDR dapat diabaikan besarnya, tetapi ketika resistansinya

jatuh, arus akan menjadi besar dan energi dalam jumlah yang signifikan akan terserap.

Gambar 1-7. Karakteristik dan Simbol VDR

Resistansi

Intensitas Cahaya

Arus

Tegangan

V atau V


Prinsip Dasar Dan Spesifikasi Elektriknya

2.1. Pendahuluan

Kapasitor adalah komponen elektronika yang dapat menyimpan muatan listrik.

Struktur sebuah kapasitor terbuat dari 2 buah plat metal yang dipisahkan oleh suatu

bahan dielektrik.

ElektrodaElektroda

Dielektrik

Gambar 2-1 : Prinsip Dasar Kapasitor

Bahan-bahan dielektrik yang umum dikenal misalnya udara vakum, keramik,

gelas dan lain-lain. Jika kedua ujung plat metal diberi tegangan listrik, maka muatan-

muatan positif akan mengumpul pada salah satu kaki (elektroda) metalnya dan pada saat

yang sama muatan-muatan negatif terkumpul pada ujung metal yang satu lagi. Muatan

positif tidak dapat mengalir menuju ujung kutup negatif dan sebaliknya muatan negatif

tidak bisa menuju ke ujung kutup positif, karena terpisah oleh bahan dielektrik yang

non-konduktif. Muatan elektrik ini "tersimpan" selama tidak ada konduksi pada ujung-

ujung kakinya. Di alam bebas, phenomena kapasitor ini terjadi pada saat terkumpulnya

muatan-muatan positif dan negatif di awan.

2.2. Kapasitansi

Kapasitansi didefenisikan sebagai kemampuan dari suatu kapasitor untuk dapat

menampung muatan elektron. Coulombs pada abad 18 menghitung bahwa 1 Coulomb

= 6.25 x 1018

elektron. Kemudian Michael Faraday membuat postulat bahwa sebuah

kapasitor akan memiliki kapasitansi sebesar 1 farad jika dengan tegangan 1 volt dapat

memuat muatan elektron sebanyak 1 coulombs. Dengan rumus dapat ditulis :

Q = C.V ................................(2.1)

dimana : Q = muatan elektron dalam C (coulombs)


C = nilai kapasitansi dalam F (farads)

V = besar tegangan dalam V (volt)

Dalam praktek pembuatan kapasitor, kapasitansi dihitung dengan mengetahui

luas area plat metal (A), jarak (t) antara kedua plat metal (tebal dielektrik) dan konstanta

(k) bahan dielektrik.

Dengan rumusan dapat ditulis sebagai berikut :

C = (8.85 x 10-12

) (k A/t) ................................(2.2)

Berikut adalah tabel contoh konstanta (k) dari beberapa bahan dielektrik yang

disederhanakan :

Tabel 2-1 Konstanta K Bahan Dielektrik

Udara vakum k = 1

Aluminium oksida k = 8

Keramik k = 100 - 1000

Gelas k = 8

Polyethylene k = 3

Untuk rangkaian elektronik praktis, satuan farads adalah sangat besar sekali.

Umumnya kapasitor yang ada di pasar memiliki satuan uF (10-6

F), nF (10-9

F) dan pF

(10-12

F). Konversi satuan penting diketahui untuk memudahkan membaca besaran

sebuah kapasitor. Misalnya 0,047uF dapat juga dibaca sebagai 47nF, atau contoh lain

0,1nF sama dengan 100pF.

2.3. Jenis-Jenis Kapasitansi

Kapasitor terdiri dari beberapa tipe, tergantung dari bahan dielektriknya. Untuk

lebih sederhana dapat dibagi menjadi 3 bagian, yaitu kapasitor electrostatic, electrolytic

dan electrochemical.

2.3.1. Kapasitor Electrostatic

Kapasitor electrostatic adalah kelompok kapasitor yang dibuat dengan bahan

dielektrik dari keramik, film dan mika. Keramik dan mika adalah bahan yang popular

serta murah untuk membuat kapasitor yang kapasitansinya kecil. Tersedia dari besaran

pF sampai beberapa uF, yang biasanya untuk aplikasi rangkaian yang berkenaan dengan

frekuensi tinggi. Termasuk kelompok bahan dielektrik film adalah bahan-bahan

material seperti polyester (polyethylene terephthalate) atau dikenal dengan sebutan


mylar), polystyrene, polyprophylene, polycarbonate, metalized paper dan lainnya.

Mylar, MKM, MKT adalah beberapa contoh sebutan merek dagang untuk

kapasitor dengan bahan-bahan dielektrik film. Umumnya kapasitor kelompok ini adalah

non-polar.

2.3.2. Kapasitor Electrolytic

Kelompok kapasitor electrolytic terdiri dari kapasitor-kapasitor yang bahan

dielektriknya adalah lapisan metal-oksida. Umumnya kapasitor yang termasuk

kelompok ini adalah kapasitor polar dengan tanda + dan - di badannya. Mengapa

kapasitor ini dapat memiliki polaritas, adalah karena proses pembuatannya

menggunakan elektrolisa sehingga terbentuk kutup positif anoda dan kutup negatif

katoda.

Telah lama diketahui beberapa metal seperti tantalum, aluminium, magnesium,

titanium, niobium, zirconium dan seng (zinc) permukaannya dapat dioksidasi sehingga

membentuk lapisan metal-oksida (oxide film). Lapisan oksidasi ini terbentuk melalui

proses elektrolisa, seperti pada proses penyepuhan emas. Elektroda metal yang dicelup

kedalam larutan electrolit (sodium borate) lalu diberi tegangan positif (anoda) dan

larutan electrolit diberi tegangan negatif (katoda). Oksigen pada larutan electrolyte

terlepas & mengoksidai permukaan plat metal. Contohnya, jika digunakan Alumunium,

maka akan terbentuk lapisan Aluminium-oksida (Al2O3) pada permukaannya.

+

Metal

Larutan Electrolyte

Katoda

AnodaLapisan Oksidasi

Gambar 2-1 : Kapasitor Elco

Dengan demikian berturut-turut plat metal (anoda), lapisan-metal-oksida dan

electrolyte(katoda) membentuk kapasitor. Dalam hal ini lapisan-metal-oksida sebagai

dielektrik. Dari rumus (2.2) diketahui besar kapasitansi berbanding terbalik dengan tebal

dielektrik. Lapisan metal-oksida ini sangat tipis, sehingga dengan demikian dapat dibuat

kapasitor yang kapasitansinya cukup besar.


Karena alasan ekonomis dan praktis, umumnya bahan metal yang banyak

digunakan adalah aluminium dan tantalum. Bahan yang paling banyak dan murah

adalah Aluminium. Untuk mendapatkan permukaan yang luas, bahan plat Aluminium

ini biasanya digulung radial. Sehingga dengan cara itu dapat diperoleh kapasitor yang

kapasitansinya besar. Contoh : 100F, 470F, 4700F dan lain-lain, yang sering juga

disebut : Kapasitor Elco.

Bahan electrolyte pada kapasitor Tantalum ada yang cair tetapi ada juga yang

padat. Disebut electrolyte padat, tetapi sebenarnya bukan larutan electrolit yang menjadi

elektroda negatifnya, melainkan bahan lain yaitu manganese-dioksida.

Dengan demikian kapasitor jenis ini bisa memiliki kapasitansi yang besar namun

menjadi lebih ramping dan mungil. Selain itu karena seluruhnya padat, maka waktu

kerjanya (lifetime) menjadi lebih tahan lama. Kapasitor tipe ini juga memiliki arus

bocor yang sangat kecil, jadi dapat dipahami mengapa kapasitor Tantalum menjadi

relatif mahal.

2.3.3. Kapasitor Electrochemical

Satu jenis kapasitor lain adalah kapasitor electrochemical. Termasuk kapasitor

jenis ini adalah batere dan accu. Pada kenyataanya batere dan accu adalah kapasitor

yang sangat baik, karena memiliki kapasitansi yang besar dan arus bocor (leakage

current) yang sangat kecil. Tipe kapasitor jenis ini juga masih dalam pengembangan

untuk mendapatkan kapasitansi yang besar namun kecil dan ringan, misalnya untuk

applikasi mobil elektrik dan telepon selular.

2.4. Macam dan Penggunaan Kapasitor

Kapasitor merupakan komponen pasif elektronika yang sering dipakai didalam

merancang suatu sistem yang berfungsi untuk mengeblok arus DC, Filter, dan

penyimpan energi listrik. Didalamnya 2 buah pelat elektroda yang saling berhadapan

dan dipisahkan oleh sebuah insulator. Sedangkan bahan yang digunakan sebagai

insulator dinamakan dielektrik. Ketika kapasitor diberikan tegangan DC maka energi

listrik disimpan pada tiap elektrodanya. Selama kapasitor melakukan pengisian, arus

mengalir. Aliran arus tersebut akan berhenti bila kapasitor telah penuh. Yang

membedakan tiap - tiap kapasitor adalah dielektriknya. Berikut ini adalah jenis jenis

kapasitor yang banyak dijual dipasaran.


2.4.1. Electrolytic Capacitor

Elektroda dari kapasitor ini terbuat dari alumunium yang menggunakan

membran oksidasi yang tipis. Karakteristik utama dari Electrolytic Capacitor adalah

perbedaan polaritas pada kedua kakinya. Dari karakteristik tersebut kita harus berhati

hati di dalam pemasangannya pada rangkaian,

jangan sampai terbalik. Bila polaritasnya

terbalik maka akan menjadi rusak bahkan

MELEDAK. Biasanya jenis kapasitor ini

digunakan pada rangkaian power supply, low

pass filter , rangkaian pewaktu. Kapasitor ini

tidak bisa digunakan pada rangkaian frekuensi

tinggi. Biasanya tegangan kerja dari kapasitor

dihitung dengan cara mengalikan tegangan catu daya dengan 2. Misalnya kapasitor akan

diberikan catu daya dengan tegangan 5 Volt, berarti kapasitor yang dipilih harus

memiliki tegangan kerja minimum 2 x 5 = 10 Volt.

2.4.2. Tantalum Capacitor

Merupakan jenis electrolytic capacitor yang elektrodanya terbuat dari material

tantalum. Komponen ini memiliki polaritas, cara membedakannya dengan mencari

tanda + yang ada pada tubuh kapasitor, tanda ini menyatakan bahwa pin dibawahnya

memiliki polaritas positif. Diharapkan berhati hati di

dalam pemasangan komponen karena tidak boleh terbalik.

Karakteristik temperatur dan frekuensi lebih bagus daripada

electrolytic capacitor yang terbuat dari bahan alumunium

dan kebanyakan digunakan untuk sistem yang

menggunakan sinyal analog. Contoh aplikasi yang

menggunakan kapasitor jenis ini adalah noise limiter,

coupling capacitor dan rangkaian filter.

2.4.3. Ceramic Capacitor

Kapasitor menggunakan bahan titanium acid

barium untuk dielektriknya. Karena tidak dikonstruksi

seperti koil maka komponen ini dapat digunakan pada

rangkaian frekuensi tinggi. Biasanya digunakan untuk


melewatkan sinyal frekuensi tinggi menuju ke ground. Kapasitor ini tidak baik

digunakan untuk rangkaian analog, karena dapat mengubah bentuk sinyal. Jenis ini

tidak mempunyai polaritas dan hanya tersedia dengan nilai kapasitor yang sangat kecil

dibandingkan dengan kedua kapasitor diatas. Dan mempunyai tegangan hingga 15 kV

DC.

2.4.4. Multilayer Ceramic Capacitor (MLCC)

Bahan material untuk kapasitor ini sama dengan jenis kapasitor keramik,

bedanya terdapat pada jumlah lapisan yang

menyusun die lek triknya. Pada jenis ini

dielektriknya disusun dengan banyak lapisan atau

biasany a disebut dengan layer dengan ketebalan 10

s/d 20 m dan pelat elektrodanya dibuat dari logam

yang murni. Selain itu ukurannya kecil dan memiliki

karakteristik suhu yang lebih bagus daripada

kapasitor keramik. Biasanya jenis ini baik digunakan

untuk aplikasi atau melewatkan frekuensi tinggi

menuju tanah.

2.4.5. Polyester Film Capacitor

Dielektrik dari kapasitor ini terbuat dari polyester film. Mempunyai karakteristik

suhu yang lebih bagus dari semua jenis kapasitor di atas. Dapat digunakan untuk

frekuensi tinggi. Biasanya jenis ini digunakan

untuk rangkaian yang menggunak an frekue nsi

tinggi, dan rangkaian analog. Kapasitor ini

biasanya disebut mylar dan mempunyai toleransi

sebesar 5% sampai 10%.

2.4.6. Polypropylene Capacitor

Kapasitor ini memiliki nilai toleransi yang lebih tinggi dari polyester film

capacitor. Pada umumnya nilai kapasitansi dari k

omponen ini tidak akan berubah apabila dirancang

disuatu sistem dimana frekuensi yang melaluin ya lebih


kecil atau sama dengan 100KHz. Pada gambar disamping ditunjukkan kapasitor

polypropylene dengan toleransi 1%.

2.4.7. Kapasitor Mika

Jenis ini menggunakan mika sebagai bahan dielektriknya. Kapasitor mika

mempunyai tingkat kestabilan yang bagus, karena temperatur koefisiennya rendah.

Karena frekuensi karakteristiknya sangat

bagus, biasanya kapasitor ini digunakan untuk

rangkaian resonansi, filter untuk frekuensi

tinggi dan rangkaian yang menggunakan

tegangan tinggi misalnya: radio pemancar yang

menggunakan tabung transistor. Kapasitor mika tidak mempunyai nilai kapasitansi

yang tinggi, dan harganya relatif mahal.

2.4.8. Polystyrene Film Capacitor

Dielektrik dari kapasitor ini menggunakan polystyrene film . Tipe ini tidak bisa

digunakan untuk aplikasi yang menggunakan

frekuensi tinggi, karena konstruksinya yang sama

seperti kapasitor elektrolit yaitu seperti koil.

Kapasitor ini baik untuk aplikasi pewaktu dan

filter yang menggunakan frekuensi beberapa

ratus KHz. Komponen ini mempunyai 2 warna untuk elektrodanya, yaitu: merah dan

abu abu. Untuk yang merah elektrodanya terbuat dari tembaga sedangkan warna abu

abu terbuat dari kertas alumunium.

2.4.9. Electric Double Capacitor (Super Capacitor)

Jenis kapasitor ini bahan dielektriknya sama dengan kapasitor elektrolit. Tetapi

bedanya adalah ukuran kapasitornya lebih besar

dibandingkan kapasitor elektrolit yang telah

dijelaskan di atas. Biasanya mempunyai satuan

F. Gambar bentuk fisiknya dapat dilihat di

samping, pada gambar tersebut

kapasitornya memiliki ukuran 0.22F.

Kapasitor ini biasanya digunakan

untuk rangkaian power supply.


2.4.10. Kondensator Kertas

Kondensator kertas ini sering disebut juga kondensator padder. Misal pada radio

dipasang seri dari spul osilator ke variabel condensator. Nilai kapasitas yang dipakai

pada sirkuit oscilator antara lain :

Kapasitas 200 pF - 500 pF untuk daerah

gelombang menengah (Medium Wave / MW) =

190 mt - 500 mt.

Kapasitas 1.000 pF - 2.200 pF untuk daerah

gelombang pendek (Short Wave / SW) SW 1 = 40

meter - 130 meter.

Kapasitas 2.700 pF - 6.800 pF untuk daerah gelombang SW 1, 2, 3 dan 4, = 13

meter - 49 meter

Nilai kapasitasnya ada yang tertulis langsung ada juga ada pula yang memakai

kode warna.

2.4.11. Trimmer Capacitor

Kapasitor jenis ini menggunakan keramik atau plastik sebagai bahan

dielektriknya. Nilai dari kapasitor dapat diubah ubah dengan cara memutar sekrup

yang berada diatasnya. Didalam pemutaran diharapkan

menggunakan obeng yang khusus, agar tidak menimbulkan efek

kapasitansi antara obeng dengan tangan.

Trimmer Capacitor dipasang paralel dengan variabel

kondensator berfungsi untuk menepatkan pemilihan gelombang

frekuensi tersebut. Kondensator trimer mempunyai kapasitas

dibawah 100 pF (pikoFarad).


Tabel 2-2 Nilai Kondensator Kertas

Warna Nomor Faktor Perkalian Toleransi Voltage maksimum

Hitam 0 1 20%

Coklat 1 101 100V

Merah 2 102 250V

Jingga 3 103 250V

Kuning 4 104 400V

Hijau 5 105 400V

Biru 6 630V

Ungu 7 630V

Abu-abu 8 630V

Putih 9 10% 630V

2.5. Membaca Kapasitansi

Pada kapasitor yang berukuran besar, nilai kapasitansi umumnya ditulis dg

angka yang jelas. Lengkap dengan nilai tegangan maksimum dan polaritasnya.

Misalnya pada kapasitor elco dg jelas tertulis kapasitansinya sebesar 22uF/25v.

Kapasitor yang ukuran fisiknya mungil dan kecil biasanya hanya bertuliskan 2

(dua) atau 3 (tiga) angka saja. Jika hanya ada dua angka satuannya adalah pF (pico

farad). Sebagai contoh, kapasitor yang bertuliskan dua angka 47, maka kapasitansi

kapasitor tersebut adalah 47 pF. Jika ada 3 digit, angka pertama dan kedua

menunjukkan nilai nominal, sedangkan angka ke-3 adalah faktor pengali. Faktor pengali

sesuai dengan angka nominalnya, berturut-turut 1 = 10, 2 = 100, 3 = 1.000, 4 = 10.000

dan seterusnya. Misalnya pada kapasitor keramik tertulis 104, maka kapasitansinya

adalah 10 x 10.000 = 100.000pF atau = 100nF. Misalnya tertulis 222, artinya kapasitas

kapasitor tersebut adalah : 22 x 100 = 2200 pF = 2.2 nF.

Selain dari kapasitansi ada beberapa karakteristik penting lainnya yang perlu

diperhatikan. Biasanya spesifikasi karakteristik ini disajikan oleh pabrik pembuat

didalam datasheet. Berikut ini adalah beberapa spesifikasi penting tersebut.

2.5.1. Tegangan Kerja (working voltage)


Tegangan kerja adalah tegangan maksimum yang diijinkan sehingga kapasitor

masih dapat bekerja dengan baik. Para elektro-mania barangkali pernah mengalami

kapasitor yang meledak karena kelebihan tegangan. Misalnya kapasitor 10F 25V,

maka tegangan yang bisa diberikan tidak boleh melebihi 25 volt dc. Umumnya

kapasitor-kapasitor polar bekerja pada tegangan DC dan kapasitor non-polar bekerja

pada tegangan AC.

2.5.2. Temperatur Kerja

Kapasitor masih memenuhi spesifikasinya jika bekerja pada suhu yang sesuai.

Pabrikan pembuat kapasitor umumnya membuat kapasitor yang mengacu pada standar

popular. Ada 4 standar popular yang biasanya tertera di badan kapasitor seperti COG

(ultra stable), X7R (stable) serta Z5U dan Y5V (general purpose). Secara lengkap

kode-kode tersebut disajikan pada table berikut :

Tabel 2-3 Kode Karakteristik Kapasitor Kelas I

Koefisien Suhu Faktor Pengali

Koefisien Suhu

Toleransi Koefisien

Suhu

Simbol PPM per

Co

Simbol Pengali Simbol PPM per

Co

C 0.0 0 -1 G +/-30

B 0.3 1 -10 H +/-60

A 0.9 2 -100 J +/-120

M 1.0 3 -1000 K +/-250

P 1.5 4 -10000 L +/-500

ppm = part per million


Tabel 2-4 Kode Karakteristik Kapasitor Kelas II Dan III

Suhu Kerja

Minimum

Suhu Kerja

Maksimum Toleransi Kapasitansi

Simbol Co Simbol C

o Simbol Persen

Z +10 2 +45 A +/- 1.0%

Y -30 4 +65 B +/- 1.5%

X -55 5 +85 C +/- 2.2%

6 +105 D +/- 3.3%

7 +125 E +/- 4.7%

8 +150 F +/- 7.5%

9 +200 P +/- 10.0%

R +/- 15.0%

S +/- 22.0%

T +22% / -33%

U +22% / -56%

V +22% / -82%

2.5.3. Toleransi

Seperti komponen lainnya, besar kapasitansi nominal ada toleransinya. Tabel

diatas menyajikan nilai toleransi dengan kode-kode angka atau huruf tertentu. Dengan

table di atas pemakai dapat dengan mudah mengetahui toleransi kapasitor yang biasanya

tertera menyertai nilai nominal kapasitor. Misalnya jika tertulis 104 X7R, maka

kapasitasinya adalah 100nF dengan toleransi 15%.

Sekaligus diketahui juga bahwa suhu kerja yang direkomendasikan adalah antara

-55Co sampai +125C

o (lihat tabel kode karakteristik).


2.5.4. Insulation Resistance (IR)

Walaupun bahan dielektrik merupakan bahan yang non-konduktor, namun tetap

saja ada arus yang dapat melewatinya. Artinya, bahan dielektrik juga memiliki

resistansi. walaupun nilainya sangat besar sekali. Phenomena ini dinamakan arus bocor

DCL (DC Leakage Current) dan resistansi dielektrik ini dinamakan Insulation

Resistance (IR). Untuk menjelaskan ini, berikut (gambar 2.2.) adalah model rangkaian

kapasitor

Gambar 2-2 : Model Kapasitor

Keterangan :

C = Capacitance

ESR = Equivalent Series Resistance

L = Inductance

IR = Insulation Resistance

Jika tidak diberi beban, semestinya kapasitor dapat menyimpan muatan selama-

lamanya. Namun dari model di atas, diketahui ada resitansi dielektrik IR(Insulation

Resistance) yang paralel terhadap kapasitor. Insulation resistance (IR) ini sangat besar

(MOhm). Konsekuensinya tentu saja arus bocor (DCL) sangat kecil (uA). Untuk

mendapatkan kapasitansi yang besar diperlukan permukaan elektroda yang luas, tetapi

ini akan menyebabkan resistansi dielektrik makin kecil. Karena besar IR selalu

berbanding terbalik dengan kapasitansi (C), karakteristik resistansi dielektrik ini biasa

juga disajikan dengan besaran RC (IR x C) yang satuannya ohm-farads atau megaohm-

micro farads.

2.5.5. Dissipation Factor (DF) dan Impedansi (Z)

Dissipation Factor adalah besar persentasi rugi-rugi (losses) kapasitansi jika

kapasitor bekerja pada aplikasi frekuensi. Besaran ini menjadi faktor yang

diperhitungkan misalnya pada aplikasi motor phasa, rangkaian ballast, tuner dll. Dari

model rangkaian kapasitor digambarkan adanya resistansi seri (ESR) dan induktansi

(L). Pabrik pembuat biasanya menyertakan data DF dalam persen. Rugi-rugi (losses)

itu didefenisikan sebagai ESR yang besarnya adalah persentasi dari impedansi kapasitor

Xc.(gambar 2.3 dan 2.4). Secara matematis di tulis sebagai berikut :

ESR

IR

ESR

IR


Gambar 2-3. Faktor Diagram Kapasitor

Dari penjelasan di atas dapat dihitung besar total impedansi (Z total) kapasitor :

Gambar 2-4. Faktor Diagram Ztotal

Karakteristik respons frekuensi sangat perlu diperhitungkan terutama jika kapasitor

bekerja pada frekuensi tinggi.

Telah dijelaskan terdahulu bahwa satuan kapasitansi adalah farad (F) sehingga

apabila bila sebuah kapasitor dikatakan memiliki 1 F, jika arus sebesar 1 A mengalir di

dalamnya ketika tegangan yang berubah-ubah dengan kecepatan 1V/s diberikan pada

kapasitor tersebut.


Arus yang mengalir di dalam sebuah kapasitor karenanya akan sebanding

dengan hasil kali kapasitansi (C) dengan kecepatan perubahan tegangan yang diberikan,

maka :

i = C x (kecepatan perubahan tegangan)

Kecepatan perubahan tegangan seringkali direpresentasikan oleh persamaan dv/dt,

dimana dv adalah perubahan tegangan yang sangat kecil dan dt adalah perubahan waktu

yang sangat kecil, maka : dt

dvCi dt i

C

1v , dimana qdt i

Sedangkan : Q = C.V

Konstanta kesebandingan C menyatakan sifat penyimpanan muatan dari elemen tersebut

dan dinamakan : Kapasitans Elemen

Contoh :

Sebuah tegangan berubah dengan kecepatan tetap dari 10 V hingga 50 V dalam periode

waktu 0,1 s, jika tegangan ini diberikan kepada sebuah kapasitor sebesar 22 F.

Tentukanlah arus yang akan mengalir.

Jawab :

Arus yang mengalir akan diberikan oleh :

i = C x (kecepatan perubahan tegangan), sehingga :

mA 8,810.8,81,0

1050x10.22

waktu

tegangan perubahan.Ci 36

2.5.6. Penyimpanan Energi

Energi yang tersimpan dalam suatu kapasitor berbanding lurus dengan hasil kali

dari kapasitansi dengan kwadrat dari beda potensial.

Daya dari sebuah kapasitans adalah :

watt.........dt

dvC.VI.VP

dan tenaganya adalah :

joule.......CV2

1CdvVdv.Cdt.

dt

dvV.CpdtW 22

Pada proses mengisi dan mengeluarkan muatan listrik, kondensator mengalami

perlawanan dari sifat kondensator itu sendiri. Perlawanan kondensator disebut :

Reaktansi Kapasitif (XC)


c.f2

1XC

.. satuan

sehingga :

- Makin tinggi frekwensi, makin kecil XC

- Makin besar C, makin kecil XC

- Kondensator mempunyai tahanan yang tergantung dari frekwensi dan kapasitas

kondensator

+

+

+

+

+

+

- -

- -

- -

+Q -Q

L

abV

QC

Vb Va

Gambar 2-5 : Dua Lempeng Plat

Intensitas listrik antara sepasang plat paralel dalam ruang hampa adalah :

o

1E

, maka beda potensial antara plat adalah :

A.

L.QL.EV

oab

, sehingga kapasitansi kapasitor plat paralel dalam ruang hampa

adalah :

L

A.

L.Q

A..Q

A.L.Q

Q

V

QC

oo

oab

dimana :

A = luas permukaan plat

C = nilai kapasitansi

L = jarak pemisah antara kedua plat

o = permitivitas ruang hampa (8,854.10-12

)

Untuk meningkatkan kapasitansi suatu kapasitor, banyak komponen praktis

memanfaatkan beberapa plat, dengan demikian kapasitansi yang diberikan adalah :

L

A.C o


L

A).1n(C o

dimana : n = jumlah plat yang digunakan.

Contoh :

Sebuah kapasitor terdiri dari enam plat yang masing-masing luas permukaannya 20 cm2

dipisahkan oleh sebuah dielektrik dan ketebalan 0,2mm. Tentukanlah kapasitansi dari

kapasitor tersebut.4

Jawab :

pF7,44210.2,0

10.20).16(10.854,8

L

A).1n(C

3

412

o

2.5.7. Kapasitansi Seri

Gambar 2-6 : Rumus Kapasitansi Seri

Contoh :

Dikt : gambar diatas, misalkan C1 = 6F, C2 = 3F, Vab = 18V, Berapakah Vac dan Vab ?

Jawab :

F2C3

1

6

1

C

1

Muatan Q = C.V = 2.18 = 36C

Volt123

36

C

QVV , Volt6

6

36

C

QVV

22bc

11ac

22bc

11ac

C

QVV ,

C

QVV

2121ab

C

1

C

1QVVV

21

21C

1

C

1

C

1

V.CQ

C

1

C

1

Q

V

++ ++

_ _ _ _

+Q

- Q

++ ++

_ _ _ _

+Q

- Q

C1

C2

Vab

=V

a

b

Vac

=V1

Vbc

=V1

c


2.5.8. Kapasitansi Paralel

++ ++

_ _ _ _

Q1

Q1

++ ++

_ _ _ _

Q2

Q2

C1

C2

Vab

= V

dan :

21

21

CCC

CV

Q

CCV

Q

Contoh :

Gambar dibawah ini hitung x bila Ceq = 10 F

Jawab :

F20n20

1

n

1

10

1

20

1

n

1

C

1

eq

5F + 10F + x = 20F

x = 5 F

Beda potensial Vab=V adalah sama

untuk keduanya, maka :

Q1 = C1.V dan Q2 = C2 .V

Muatan total Q yang diberikan

sumber adalah :

Q = Q1+ Q2 = V(C1+ C2)

5F

10F

X

20F

n

A B


3.1. Pendahuluan

Masih ingat aturan tangan kanan pada pelajaran fisika ? Ini cara yang efektif

untuk mengetahui arah medan listrik terhadap arus listrik. Jika seutas kawat tembaga

diberi aliran listrik, maka di sekeliling kawat tembaga akan terbentuk medan listrik.

Dengan aturan tangan kanan dapat diketahui arah medan listrik terhadap arah arus

listrik. Caranya sederhana yaitu dengan mengacungkan jari jempol tangan kanan

sedangkan keempat jari lain menggenggam. Arah jempol adalah arah arus dan arah ke

empat jari lain adalah arah medan listrik yang mengitarinya.

i

Gambar 3-1 : Kaidah Tangan Kanan

Tentu masih ingat juga percobaan dua utas kawat tembaga paralel yang

keduanya diberi arus listrik. Jika arah arusnya berlawanan, kedua kawat tembaga

tersebut saling menjauh. Tetapi jika arah arusnya sama ternyata keduanya berdekatan

saling tarik-menarik. Hal ini terjadi karena adanya induksi medan listrik. Dikenal medan

listrik dengan simbol B dan satuannya Tesla (T). Besar akumulasi medan listrik B pada

suatu luas area A tertentu difenisikan sebagai besar magnetic flux. Simbol yang biasa

digunakan untuk menunjukkan besar magnetic flux ini adalah dan satuannya Weber

(Wb = T.m2). Secara matematis medan flux besarnya adalah :

= B.A

Lalu bagaimana jika kawat tembaga itu dililitkan membentuk koil atau

kumparan. Jika kumparan tersebut dialiri listrik maka tiap lilitan akan saling

menginduksi satu dengan yang lainnya. Medan listrik yang terbentuk akan segaris dan


saling menguatkan. Komponen yang seperti inilah yang dikenal dengan induktor

selenoid. Dari buku fisika dan teori medan yang ada, dibuktikan bahwa induktor adalah

komponen yang dapat menyimpan energi magnetik. Energi ini direpresentasikan dengan

adanya tegangan emf (electromotive force) jika induktor dialiri listrik.

Secara matematis tegangan emf ditulis :

......................... (3.2)

Jika dibandingkan dengan rumus hukum Ohm V = I.R, maka kelihatan ada

kesamaan rumus. Jika R disebut resistansi dari resistor dan V adalah besar tegangan

jepit jika resistor dialiri listrik sebesar I. Maka L adalah induktansi dari induktor dan E

adalah tegangan yang timbul jika induktor dilairi listrik. Tegangan emf di sini adalah

respon terhadap perubahan arus fungsi dari waktu terlihat dari rumus di/dt. Sedangkan

bilangan negatif sesuai dengan hukum Lenz yang mengatakan efek induksi cenderung

melawan perubahan yang menyebabkannya. Hubungan antara emf dan arus inilah yang

disebut dengan induktansi, dan satuan yang digunakan adalah (H) Henry. Induktor

disebut self-induced.

Arus listrik yang melewati kabel, jalur-jalur PCB dalam suatu rangkaian

berpotensi untuk menghasilkan medan induksi. Ini yang sering menjadi pertimbangan

dalam mendesain PCB supaya bebas dari efek induktansi terutama jika multilayer.

Tegangan emf akan menjadi penting saat perubahan arusnya fluktuatif. Efek emf

menjadi signifikan pada sebuah induktor, karena perubahan arus yang melewati tiap

lilitan akan saling menginduksi. Ini yang dimaksud dengan self-induced. Secara

matematis induktansi pada suatu induktor dengan jumlah lilitan sebanyak N adalah

akumulasi flux magnet untuk tiap arus yang melewatinya, sehingga :

.................................................. (3.3)

Gambar 3-2 : Induktor Selenoida


Fungsi utama dari induktor di dalam suatu rangkaian adalah untuk melawan

fluktuasi arus yang melewatinya. Aplikasinya pada rangkaian D.C salah satunya adalah

untuk menghasilkan tegangan dc yang konstan terhadap fluktuasi beban arus. Pada

aplikasi rangkaian ac, salah satu gunanya adalah bisa untuk meredam perubahan

fluktuasi arus yang tidak dinginkan. Akan lebih banyak lagi fungsi dari induktor yang

bisa diaplikasikan pada rangkaian filter, tuner dan sebagainya.

Dari pemahaman fisika, elektron yang bergerak akan menimbulkan medan

elektrik di sekitarnya. Dari bentuk kumparan, persegi empat, setengah lingkaran

ataupun lingkaran penuh, jika dialiri listrik akan menghasilkan medan listrik yang

berbeda. Penampang induktor biasanya berbentuk lingkaran, sehingga diketahui besar

medan listrik di titik tengah lingkaran adalah :

........................ (3.4)

Jika dikembangkan, n adalah jumlah lilitan N relatif terhadap panjang induktor l. Secara

matematis lilitan permeternya dapat ditulis :

........................ (3.5)

Kemudian i adalah besar arus melewati induktor tersebut. Ada simbol yang

dinamakan permeability dan 0

yang disebut permeability udara vakum. Besar

permeability tergantung dari bahan inti (core) dr induktor. Untuk induktor tanpa inti

(air winding) = 1.

Jika rumus-rumus di atas di subsitusikan maka rumus induktansi (rumus 3.3) dapat

ditulis menjadi :

... (3.6)

n =

l

N

AN20L =l


Inilah rumus untuk menghitung nilai induktansi dari sebuah induktor. Rumus ini

bisa dibolak-balik untuk menghitung jumlah lilitan induktor jika nilai induktansinya

sudah ditentukan.

Gambar 3-3 : Induktor Selenoida Dengan Inti (core)

Dimana :

L : induktansi dalam H (Henry) : permeability inti (core)

0 : permeability udara vakum 4 x 10-7

N : jumlah lilitan induktor

A : luas penampang induktor (m2)

l : panjang induktor (m)

3.2. Toroid

Ada satu jenis induktor yang kita kenal dengan nama toroid. Jika biasanya

induktor berbentuk silinder memanjang, maka toroid berbentuk lingkaran. Biasanya

selalu menggunakan inti besi (core) yang juga berbentuk lingkaran seperti kue donat

(gambar 3.4).

Gambar 3-4 : Toroida

Jika jari-jari toroid adalah r, yaitu jari-jari lingkar luar dikurang jari-jari lingkar dalam,

maka panjang induktor efektif adalah kira-kira :

. (3.7)

l = 2 r


Dengan demikian untuk toroida, besar induktansi L adalah :

. (3.7)

Salah satu keuntungan induktor berbentuk toroid, didapat induktor dengan

induktansi yang lebih besar dan dimensi yang relatif lebih kecil dibandingkan dengan

induktor berbentuk silinder. Juga karena toroid umumnya menggunakan inti (core) yang

melingkar, maka medan induksinya tertutup dan relatif tidak menginduksi komponen

lain yang berdekatan di dalam satu PCB.

3.3. Ferit Dan Permeability

Besi lunak banyak digunakan sebagai inti (core) dari induktor yang disebut ferit.

Ada bermacam-macam bahan ferit yang disebut ferromagnetik. Bahan dasarnya adalah

bubuk besi oksida yang disebut juga iron powder. Ada juga ferit yang dicampur dengan

bahan bubuk lain seperti nickle, manganase, zinc (seng) dan mangnesium. Melalui

proses yang dinamakan kalsinasi yaitu dengan pemanasan tinggi dan tekanan tinggi,

bubuk campuran tersebut dibuat menjadi komposisi yang padat. Proses pembuatannya

sama seperti membuat keramik. Oleh sebab itu ferit ini sebenarnya adalah keramik.

Ferit yg sering dijumpai ada yg memiliki = 1 sampai = 15.000. Dpt

dipahami penggunaan ferit dimaksudkan untuk mendapatkan nilai induktansi yang lebih

besar relatif terhadap jumlah lilitan yang lebih sedikit serta dimensi induktor yang lebih

kecil.

Penggunaan ferit juga disesuaikan dengan frekeunsi kerjanya. Karena beberapa

ferit akan optimum jika bekerja pada selang frekuensi tertentu. Berikut ini pada tabel

3.1 adalah beberapa contoh bahan ferit yang dipasar dikenal dengan kode nomer

materialnya. Pabrik pembuat biasanya dapat memberikan data kode material, dimensi

dan permeability yang lebih detail.

AN20L =2 pr


Tabel 3-1

Data Material Ferit

Misalnya induktor dengan jumlah lilitan 20, berdiameter 1 cm dengan panjang 2

cm serta mengunakan inti ferit dengan = 3000. Dpt diketahui nilai induktansinya

adalah : L 5.9 mH

Selain ferit yang berbentuk silinder ada juga ferit yang berbentuk toroida.

Umumnya dipasar tersedia berbagai macam jenis dan ukuran toroida. Jika datanya

lengkap, maka kita dapat menghitung nilai induktansi dengan menggunakan rumus-

rumus yang ada. Karena perlu diketahui nilai permeability bahan ferit, diameter lingkar

luar, diameter lingkar dalam serta luas penampang toroida. Tetapi biasanya pabrikan

hanya membuat daftar indeks induktansi (inductance index) AL. Indeks ini dihitung

berdasarkan dimensi dan permeability ferit. Dengan data ini dapat dihitung jumlah

lilitan yang diperlukan untuk mendapatkan nilai induktansi tertentu. Seperti contoh tabel

(3.2) AL berikut ini yang satuannya H/100 lilitan.

Tabel 3-2

Induktansi Indeks AL


Rumus untuk menghitung jumlah lilitan yang diperlukan untuk mendapatkan nilai

induktansi yang diinginkan adalah :

(3.9)

Misalnya digunakan ferit toroida T50-1, maka dari table diketahui nilai AL = 100.

Maka untuk mendapatkan induktor sebesar 4H diperlukan lilitan sebanyak : N 20

lilitan

Rumus ini sebenarnya diperoleh dari rumus dasar perhitungan induktansi

dimana induktansi L berbanding lurus dengan kuadrat jumlah lilitan N2. Indeks AL

umumnya sudah baku dibuat oleh pabrikan sesuai dengan dimensi dan permeability

bahan feritnya. Permeability bahan bisa juga diketahui dengan kode warna tertentu.

Misalnya abu-abu, hitam, merah, biru atau kuning. Sebenarnya lapisan ini bukan hanya

sekedar warna yang membedakan permeability, tetapi berfungsi juga sebagai pelapis

atau isolator. Biasanya pabrikan menjelaskan berapa nilai tegangan kerja untuk toroida

tersebut.

Contoh bahan ferit toroida di atas umumnya memiliki permeability yang kecil.

Karena bahan ferit yang demikian terbuat hanya dari bubuk besi (iron power). Banyak

juga ferit toroid dibuat dengan nilai permeability yang besar. Bahan ferit tipe ini

terbuat dari campuran bubuk besi dengan bubuk logam lain. Misalnya ferit toroida

FT50-77 memiliki indeks AL = 1100.

3.4. Pembuatan Induktor

Untuk membuat induktor biasanya tidak diperlukan kawat tembaga yang sangat

panjang. Paling yang diperlukan hanya puluhan sentimeter saja, sehingga efek resistansi

bahan kawat tembaga dapat diabaikan. Ada banyak kawat tembaga yang bisa

digunakan. Untuk pemakaian yang profesional di pasar dapat dijumpai kawat tembaga

dengan standar AWG (American Wire Gauge). Standar ini tergantung dari diameter

kawat, resistansi dan sebagainya. Misalnya kawat tembaga AWG32 berdiameter kira-

kira 0.3mm, AWG22 berdiameter 0.7mm ataupun AWG20 yang berdiameter kira-kira

0.8mm. Biasanya yang digunakan adalah kawat tembaga tunggal dan memiliki isolasi.

Kawat tembaga yang digunakan bisa berdiameter berapa saja, yang pasti harus

lebih kecil dibandingkan diameter penampang induktor. Terkadang pada prakteknya

untuk membuat induktor sendiri harus coba-coba dan toleransi induktansinya cukup


besar. Untuk mendapatkan nilai induktansi yang akurat ada efek kapasitif dan resistif

yang harus diperhitungkan. Karena ternyata arus yang melewati kawat tembaga hanya

dipermukaan saja. Ini yang dikenal dengan istilah ekef kulit (skin effect). Ada satu tip

untuk membuat induktor yang baik, terutama induktor berbentuk silinder.

Untuk memperoleh nilai Q yang optimal panjang induktor sebaiknya tidak

lebih dari 2 kali diameter penampangnya. Untuk toroid usahakan lilitannya merata dan

rapat.


4.1. STRUKTUR ATOM

BOHR mengidealkan ATOM.

Pada dasarnya BOHR mengatakan bahwa :

Inti dikelilingi oleh elektron-elektron yang mengorbit (gb.4-1)

Inti atom mempunyai muatan positif dan menarik elektron

Elektron dalam gerakannya akan jatuh dlm inti bila tanpa gaya centrifugal

Makin dekat elektron pada inti atom, ia harus bergerak lebih cepat untuk

mengimbangi penarikan inti

Gambar 4-1. Model Bohr

(a) (b)

Atom Silikon (2-8-4) Atom Germanium (2-8-18-

4)

Gambar 4-2. Gambar Atom Dalam 2 Dimensi

Atom Silikon (gb.4.2a) mempunyai 14 proton dalam intinya yang terbagi atas :

2 elektron bergerakpada orbit pertama

8 elektron pada orbit kedua

14P 32P


4 elektron pada orbit terluar atau orbit valensi

Ke 14 elektron tersebut berputar menetralkan muatan dari inti atom sehingga dari luar

atom (secara listrik) adalah netral.

Atom Germanium (gb.4.2b) mempunyai 32 elektron dalam intinya yg terbagi atas :

2 elektron bergerak pada orbit pertama

8 elektron pada orbit kedua

18 elektron pada orbit ketiga

4 elektron pada orbit terluar atau orbit valensi

Atom Silikon dan Germanium disebut sebagai elemen teravalent

Didalam Fisika Modern dikatakan bahwa hanya ukuran orbit-orbit tertentu yang

diizinkan, misalkan :

Orbit terkecil dalam atom Hidrogen mempunyai jari-jari : r1 = 0,53.10-10

m

Orbit terbesar dalam atom Hidrogen mempunyai jari-jari : r2 = 2,12.10-10

m

Maka semua jari-jari antara r1 dan r2 terlarang, karena elektron tidak dapat tetap dalam

orbit stabil.

Karena bersifat sebagai gelombang, elektron hanya dapat cocok ke dalam orbit

dimana sekelilingnya sama dengan panjang gelombang elektron atau beberapa

kelipatannya. (Panjang gelombang adalah jarak yang ditempuh gelombang dalam 1

perioda).

4.2. Level Energi

R2

R3 Orbit ketiga

Orbit kedua

R1

Inti

Orbit kesatu

R1

R2

R3 Level energi ketiga

Level energi kedua

Level energi kesatu

Pusat Inti

Gambar 4-3. Level Energi


Energi diperlukan untuk memindahkan elektron dari orbit yang kecil ke orbit yg

lebih besar, dikarenakan untuk mengatasi penarikan oleh inti. Oleh sebab itu makin

besar orbit elektron, makin besar energi potensialnya berkenaan dg inti. Makin tinggi

level energi, makin besar energi elektron dan makin besar orbitnya.

Jika ada energi luar seperti panas, cahaya atau radiasi lainnya menumbuk

atom, ini akan dapat mengangkat elektron ke level energi yang lebih tinggi (orbit yang

lebih besar), dengan demikian diperoleh atom sedang dlm keadaan eksitasi. Keadaan ini

tidak bertahan lama, krn elektron segera jatuh kembali ke level energi semula. Pada saat

elektron jatuh, akan memberikan kembali energi yang diperoleh kedalam bentuk panas,

cahaya atau radiasi lainnya.

Energi Energi Energi

Gambar 4-4. Level Energi

Jika energi luar mengangkat elektron valensi ke level yang lebih tinggi, elektron

yang keluar akan meninggalkan lubang dalam orbit terluar, sehingga lubang ini disebut :

HOLE, sedangkan gaya saling memegang dari atom merupakan ikatan kovalen.

4.3. Pita Energi (Energy Bands)

Setiap elektron mempunyai kedudukan yg berbeda di dalam kristal, tidak ada

dua elektron terlihat benar-benar mempunyai pattern muatan sekelilingnya yang sama.

oleh sebab itu orbit tiap elektron berbeda.

r1

r2

r3 Pita Valensi

Pita Kedua

Pita Pertama

Gambar 4-5. Pita Energi

Gambar 4.5 menunjukkan pita energi pada kristal silikon pada suhu nol mutlak

(-273o

C). Semua elektron yang bergerak dalam orbit pertama mempunyai level energi


yang sedikit berbeda, karena tidak ada dua yang benar-benar terlihat mempunyai

lingkungan muatan yang sama.

Karena ada bermilyard-milyard elektron orbit pertama, level energi yang sedikit

berbeda tsb membentuk kelompok atau pita. Demikian juga bermilyard-milyard orbit

kedua, semua dengan level energi yang sedikit berbeda, membentuk pita energi kedua.

4.4. Kristal Silikon Pada Suhu Nol Mutlak

Silikon Murni

Logam

Logam

(a)

r1

r2

r3 Pita Valensi

Pita Kedua

Pita Pertama

Pita Konduksi r4

Energi

(b)

Gambar 4-6. Silikon Pada Suhu Nol Mutlak

Pada gambar 4.6.a menunjukkan sebatang silikon dengan logam pada bagian

ujung-ujungnya. Tegangan luar membentuk medan listrik antara ujung-ujung kristal.

Pada suhu nol mutlak, elektron tidak dapat bergerak melalui kristal, semua elektron

dipegang kuat oleh atom-atom Silikon. Oleh sebab itu kristal silikon berlaku sebagai

isolator sempurna.

Pada gambar 4.6.b, tiga pita pertama terisi dan elektron tidak dapat bergerak

dengan mudah dalam pita-pita ini, tetapi diatas pita valensi terdapat pita konduksi

(conduction band). Pita ini mewakili kelompok jari-jari berikutnya yg lebih besar yang

memenuhi keadaan gelombang partikel dari elektron. Orbit-orbit dalam pita konduksi

sangat besar sehingga penarikan inti diabaikan. Dengan perkataan lain, jika elektron

dapat diangkat ke dalam pita konduksi, ini sebenarnya bebas untuk bergerak dari satu

atom ke atom lainnya, sehingga elektron-elektron dalam pita konduksi kerap kali

disebut elektron bebas.

Pada suhu nol mutlak, pita konduksi kosong, ini berarti tak ada elektron yang

mempunyai cukup energi untuk bergerak dalam orbit pita konduksi.


4.5. Kristal Silikon Diatas Suhu Nol Mutlak

Gerakan elektron

r1

r2

r3 Pita Valensi

Pita Kedua

Pita Pertama

Pita Konduksi r4

Energi

(a) (b)

Gambar 4-7. Silikon Diatas Suhu Nol Mutlak

Apabila suhu dinaikkan diatas nol mutlak, maka energi panas yang datang akan

memutuskan beberapa ikatan kovalen, energi ini akan memukul elektron valensi ke

dalam pita konduksi. Dengan cara ini diperoleh elektron pita konduksi dalam jumlah

terbatas yg dilambangkan dengan tanda negatif pada gambar 4.7.a. Dibawah pengaruh

medan listrik, elektron bebas ini bergerak kekiri dan menghasilkan arus.

Pada gambar 4.7.b energi panas telah mengangkat beberapa elektron ke dalam

pita konduksi dimana elektron dapat bergerak dalam orbit dengan jari-jari yang lebih

besar dari sebelumnya. Setiap kali elektron menembus ke dalam pita konduksi akan

dihasilkan hole dalam pita valensi.

Makin tinggi suhu, makin besar jumlah elektron yang terlempar ke dalam pita

konduksi dan makin besar arus. Pada suhu ruang (25oC), arus terlalu kecil untuk

digunakan pada aplikasi umumnya. Pada suhu ini sepotong silikon tidak merupakan

isolator maupun konduktor yg baik, sehingga dapat disebut sebagai : Semikonduktor .

Untuk kristal Germanium pada suhu ruang mempunyai elektron bebas yang lebih

banyak dari pada kristal silikon.

4.6. Doping

Kristal Silikon murni dinamakan : semikonduktor intrinsik, dimana jumlah hole

dan elektron bebas adalah sama. Doping berarti penambahan atom-atom pada kristal

untuk menambah jumlah elektron bebas maupun hole. Jika kristal sudah didoping

disebut : semikonduktor ekstrinsik.

4.6.1. Semikonduktor Type N


Atom yang bervalensi 4 (Ge dan Si) didoping dengan atom yang bervalensi 5 atau

atom pentavalent (arsenikum, phospor, antimon) akan terjadi kelebihan elektron yg

merupakan elektron bebas. Dg memanaskan suhu yg tinggi maka akan terjadi

penyesuaian diri dari dua atom yang berbeda valensi, sehingga akan terbentuk sebagai

semikonduktor jenis-N dimana elektron sebagai pembawa mayoritas dan hole sebagai

pembawa minoritas. Atom pentavalent kerapkali disebut atom donor, karena mengha-

silkan elektron pita konduksi.

Atom

Penta valent

Elektron lebih

Atom Silikon

Atom Silikon

Atom Silikon

Atom Silikon

Gambar 4-8. Semikonduktor Type-N

4.6.2. Semikonduktor Type P

Atom bervalensi 4 (Ge dan Si) didoping dg atom yang bervalensi 3 atau atom

trivalent (Indium, alumunium, galium) akan terjadi kekurangan elektron hingga akan

memunculkan sebuah hole. Hole ini akan menarik sebuah elektron dr atom yg

berdekatan, begitu seterusnya. Dengan memanaskan suhu yg tinggi, maka akan terjadi

penyesuaian diri dr tiap atom dan membentuk pola kristal type-P, dimana hole sebagai

pembawa mayoritas dan elektron sebagai pembawa minoritas. Atom trivalent juga

dikenal sebagai atom akseptor, karena tiap hole dapat menerima elektron.


Atom Trivalent

HOLE

Atom Silikon

Atom Silikon

Atom Silikon

Atom Silikon

Gambar 4-9 : Semikonduktor Type-P

5. 1. Pendahuluan

Dioda termasuk komponen elektronika yang terbuat dari bahan semikonduktor.

Beranjak dari penemuan dioda, para ahli menemukan juga komponen turunan lainnya

yg unik.

Dioda memiliki fungsi yang unik yaitu hanya dapat mengalirkan arus satu arah

saja. Struktur dioda tidak lain adalah sambungan semikonduktor P dan N. Satu sisi

adalah semikonduktor dengan tipe P dan satu sisinya yang lain adalah tipe N. Dengan

struktur demikian arus hanya akan dapat mengalir dari sisi P menuju sisi N.

5. 2. Sambungan dan Bias Pada Dioda

Gambar 5.1 adalah ilustrasi di atas menunjukkan sambungan P-N dengan sedikit

porsi kecil yang disebut lapisan deplesi (deplection layer), dimana terdapat

keseimbangan hole dan elektron. Seperti yang sudah diketahui, pada sisi P banyak

terbentuk hole-hole yang siap menerima elektron sedangkan di sisi N banyak terdapat

elektron-elektron yg siap untuk bebas.

Pada gambar 5.2, jika diberi bias positif, dengan arti kata memberi tegangan

potensial sisi P lebih besar dari sisi N, maka elektron dari sisi N dengan serta merta

akan tergerak untuk mengisi hole di sisi P. Tentu kalau elektron mengisi hole disisi P,

maka akan terbentuk hole pada sisi N karena ditinggal elektron. Ini disebut aliran hole


dari P menuju N. Kalau mengunakan terminologi arus listrik, maka dikatakan terjadi

aliran listrik dari sisi P ke sisi N.

Gambar 5-1. Simbol Dan Struktur Dioda

Gambar 5-2. Dioda Dengan Bias Maju

Pada gambar 5.3, jika sebaliknya apakah yang terjadi jika polaritas tegangan

dibalik yaitu dengan memberikan bias negatif (reverse bias). Dalam hal ini, sisi N

mendapat polaritas tegangan lebih besar dari sisi P.

Gambar 5-3. Dioda Dengan Bias Negatif

Tentu tidak akan terjadi perpindahan elektron atau aliran hole dari P ke N

maupun sebaliknya. Karena baik hole dan elektron masing-masing tertarik ke arah

kutup berlawanan. Bahkan lapisan depleksi (deplection layer) semakin besar dan

menghalangi terjadinya arus. Demikian bagaimana dioda hanya dapat mengalirkan arus

satu arah saja. Dengan tegangan bias maju yang kecil saja dioda sudah menjadi

konduktor. Tidak serta merta diatas 0 volt, tetapi memang tegangan beberapa volt diatas

nol baru bisa terjadi konduksi. Ini disebabkan karena adanya dinding depleksi

(deplection layer). Untuk dioda yang terbuat dari bahan Silikon tegangan konduksi


adalah diatas 0,7 volt. Kira-kira 0,2 volt batas minimum untuk dioda yang terbuat dari

bahan Germanium.

Gambar 5-4. Grafik Arus Dioda

Sebaliknya untuk bias negatif dioda tidak dapat mengalirkan arus, namun

memang ada batasnya. Sampai beberapa puluh bahkan ratusan volt baru terjadi

breakdown, dimana dioda tidak lagi dapat menahan aliran elektron yang terbentuk di

lapisan deplesi.

Potensial bias negatif atau mundur dapat ditingkatkan hingga mencapai tegangan

break-down negatif yang sesuai dengan rating dioda tertentu. Tegangan breakdown

negatif biasanya jauh lebih tinggi dari nilai ambang tegangan maju. Sebuah dioda yang

tipikal memiliki nilai ambang tegangan maju sebesar 0,7 Volt dan tegangan breakdown

negatif sebesar 200 Volt. Jika nilai yang kedua dilampaui, dioda akan mengalami

kerusakan. Perlu juga diperhatikan, apabila dioda dirancang sebagai rectifier, produsen

seringkali mencantumkan nilai PIV (Peak inverse voltage atau tegangan balik puncak).

5.3. Jenis-Jenis Dioda

Dioda seringkali dikelompokkan menjadi dua, yaitu : jenis sinyal dan jenis

rectifier.

Untuk jenis sinyal membutuhkan karakteristik bias maju yang konsisten dengan

jatuh tegangan maju yang rendah.

Untuk jenis rectrifier harus mampu menangani tegangan balik yang tinggi dan arus

maju yang besar, konsistensi karakteristik berada pada urutan kedua.

Tabel 5-1

Karakteristik Beberapa Jenis Umum Dioda Semikonduktor

Jenis

Dioda Bahan PIV

IF

maks

IR

maks Aplikasi


1N148

1N914 AA113 OA47

OA91 1N4001 1N5404

BY127

Silikon

Silikon Germanium Germanium

Germanium Silikon Silikon

Silikon

100 Volt

100 Volt 60 Volt 25 Volt

115 Volt 50 Volt 400 Volt

1250 Volt

75 mA

75 mA 10 mA 110 mA

50 mA 1 Amp 3 Amp

1 Amp

25 nA

25 nA 200 A 100 A 275 A 10 A 10 A 10 A

Serba guna

Serba guna Detektor RF Detektor Sinyal

Serba guna Rectifier teg. rendah Rectifier teg. tinggi

Rectifier teg. tinggi

5.3.1. Dioda Varaktor (Varicap)

Dari sifat dioda yang ada memungkinkan dioda untuk digunakan sebagai kapasitor

yang dikendalikan oleh tegangan. Dioda yang secara khusus dibuat untuk

memanfaatkan efek ini (yang menghasilkan perubahan kapasitansi yang relatif besar

untuk perubahan tegangan yang kecil pada tegangan mundur/reverse) dikenal sebagai

dioda kapasitansi variabel atau varaktor. Dioda jenis ini digunakan (seringkali

berpasangan) untuk penala (tuning) pada pesawat penerima dan televisi, karakteristik

umum dari dioda varaktor ini dapat dilihat pada gambar 5.5.

-2 -4 -6 -8 -10 0

5

10

20

40

80

Kapasitansi (pF)

Tegangan Mundur (V)

Anoda

Katoda

Gambar 5-5 : Karakteristik dan Simbol dari Dioda Varaktor

5.3.2. Zener

Phenomena tegangan breakdown dioda ini mengilhami pembuatan komponen

elektronika lainnya yang dinamakan zener (gb.5.6). Sebenarnya tidak ada perbedaan

sruktur dasar dari zener, melainkan mirip dengan dioda. Tetapi dengan memberi jumlah

doping yang lebih banyak pada sambungan P dan N, ternyata tegangan breakdown

dioda dapat makin cepat tercapai. Jika pada dioda biasanya baru terjadi breakdown

pada tegangan ratusan volt, pada zener bisa terjadi pada angka puluhan dan satuan volt.


Di datasheet ada zener yang memiliki tegangan VZ sebesar 1.5 volt, 3.5 volt dan

sebagainya.

Gambar 5-6. Simbol Zener

Ini adalah karakteristik zener yang unik. Jika dioda bekerja pada bias maju maka

zener biasanya berguna pada bias negatif (reverse bias). Sifat semacam ini menjadikan

dioda zener ideal untuk digunakan sebagai pengatur tegangan dengan memberikan

tegangan reverse melampaui tegangan breakdown zener, sehingga berlaku sebagai

tegangan konstan.

Tabel 5-2

Pengkodean Dioda

Huruf Pertama Huruf Kedua Huruf Ketiga

Bahan Semikonduktor Aplikasi Arti

A

B

C

D

Germanium

Silikon

Arsenida, gallium

Fotodioda

A

B

E

P

Q

T

Y

Z

Dioda serba guna

Dioda varaktor

Dioda tunel

Fotodioda

Dioda Pemancar

Cahaya

Rectifier terkendali

Rectifier Daya

Dioda Zener

Dalam dioda untuk aplikasi2

khusus, huruf ketiga

umumnya tidak memiliki

arti yang penting.

Dioda Zener memiliki sebuah huruf tambahan (muncul setelah angka) yang

menandakan toleransi dari tegangan zener :

A = 1% B = 2%

C = 5% D = 10%

Contoh :

AA113 artinya diaoda Germanium serba guna

BB105 artinya dioda Silikon Varaktor

BZY88C4V7 artinya dioda Zener Silikon dengan toleransi 5% dan tegangan

zener 4,7V


5.3.3. LED

LED adalah singkatan dari Light Emiting Dioda (gb.5.7), merupakan komponen

yang dapat mengeluarkan emisi cahaya.LED merupakan produk temuan lain setelah

dioda. Strukturnya juga sama dengan dioda, tetapi

belakangan ditemukan bahwa elektron yang menerjang

sambungan P-N juga melepaskan energi berupa energi

panas dan energi cahaya. LED dibuat agar lebih efisien

jika mengeluarkan cahaya. Untuk mendapatkan emisi

cahaya pada semikonduktor, doping yang pakai adalah

galium, arsenic dan phosporus. Jenis doping yang

berbeda menghasilkan warna cahaya yang berbeda pula. Pada saat ini warna-warna

cahaya LED yang banyak ada adalah warna merah, kuning dan hijau. Pada dasarnya

semua warna bisa dihasilkan, namun akan menjadi sangat mahal dan tidak efisien.

Dalam memilih LED selain warna, perlu diperhatikan tegangan kerja, arus maksimum

dan disipasi daya-nya. Rumah (chasing) LED dan bentuknya juga bermacam-macam,

ada yang persegi empat, bulat dan lonjong. Sudut penglihatan bagi LED bundar

umumnya berada dalam daerah 200 hingga 40

0, sedangkan untuk jenis persegi panjang

mencapai sekitar 1000.

Gambar 5-8. LED Array

Gambar 5-9. Pemasangan LED

Gambar 5-7. Simbol LED


Tegangan kerja dari LED adalah sekitar 1,6 V dan mengkonsumsi arus sebesar

10 mA. LED dapat dihubungkan baik dengan sumber listrik DC maupun AC, dimana

bila dihubungkan dengan sumber listrik AC, ia akan berkedip ( kecepatan kedip

bergantung frekwensi sumber ). Agar LED dapat dihubungkan dengan sumber listrik

sebesar 12 V, pd rangkaiannya harus dipasang sebuah resistor secara seri. LED banyak

digunakan sebagai lampu indikator pada sirkuit elektronika, karena hanya mengkon-

sumsi daya yang kecil sehingga tidak mengganggu kerja sistem.

Untuk membatasi arus maju LED pada nilai yang sesuai, umumnya perlu

menambahkan sebuah resistor tetap yang dihubungkan secara seri dengan indikator

LED. Nilai resistor dapat dihitung dengan rumus :

I

VVR F

dimana : VF = jatuh tegangan maju yang dihasilkan LED

V = tegangan catu

Prinsip Kerja Catu Daya Linear

6.1. Umum

Perangkat elektronika pada umumnya dicatu oleh suplai arus searah DC (direct

current) yang stabil agar didapat hasil yang baik. Baterai atau accu adalah sumber catu

daya DC yang paling baik. Namun untuk aplikasi yang membutuhkan catu daya lebih

besar, sumber dari baterai tidak cukup. Sumber catu daya yang besar adalah sumber

bolak-balik AC (alternating current) dari pembangkit tenaga listrik. Untuk itu

diperlukan suatu perangkat catu daya yang dapat mengubah arus AC menjadi DC. Pada

bab ini akan dibahas prinsip rangkaian catu daya (power supply) linier mulai dari

rangkaian penyearah yang paling sederhana sampai pada catu daya yang teregulasi.

6.2. Penyearah (Rectifier)

Prinsip penyearah (rectifier) yang paling sederhana ditunjukkan pada gambar

6.1 berikut ini. Transformator diperlukan untuk menurunkan tegangan AC dari jala-jala

listrik pada kumparan primernya menjadi tegangan AC yang lebih kecil pada kumparan

sekundernya.


T1

D1 R1 V AC + +

Gambar 6-1. Rangkaian Penyearah Sederhana

Pada rangkaian ini, dioda berperan untuk hanya meneruskan tegangan positif ke

beban RL. Ini yang disebut dengan penyearah setengah gelombang (half wave). Untuk

mendapatkan penyearah gelombang penuh (full wave) diperlukan transformator dengan

center tap (CT) seperti pada gambar 6.2.

T1

D1

V AC

D2

R1 + + +

Gambar 6-2. Rangkaian Penyearah Gelombang Penuh

Tegangan positif phasa yang pertama diteruskan oleh D1 sedangkan phasa yang

berikutnya dilewatkan melalui D2 ke beban R1 dengan CT transformator sebagai

common ground. Dengan demikian beban R1 mendapat suplai tegangan gelombang

penuh seperti gambar di atas. Untuk beberapa aplikasi seperti misalnya untuk mencatu

motor dc yang kecil atau lampu pijar dc, bentuk tegangan seperti ini sudah cukup

memadai. Walaupun terlihat di sini tegangan ripple dari kedua rangkaian di atas masih

sangat besar.


T1

R1VAC C1

+

1N4001

D1

Gambar 6-3 : Rangkaian Penyearah Setengah Gelombang Dg Filter

C

Gambar 6.3 adalah rangkaian penyearah setengah gelombang dengan filter

kapasitor C yang paralel terhadap beban R. Ternyata dengan filter ini bentuk gelombang

tegangan keluarnya bisa menjadi rata.

Gambar 6.4 menunjukkan bentuk keluaran tegangan DC dari rangkaian

penyearah setengah gelombang dengan filter kapasitor. Garis b-c kira-kira adalah garis

lurus dengan kemiringan tertentu, dimana pada keadaan ini arus untuk beban R1 dicatu

oleh tegangan kapasitor. Sebenarnya garis b-c bukanlah garis lurus tetapi eksponensial

sesuai dengan sifat pengosongan kapasitor.

Gambar 6-4. Bentuk Gelombang Dengan Filter Kapasitor

Kemiringan kurva b-c tergantung dari besar arus I yang mengalir ke beban R.

Jika arus I = 0 (tidak ada beban) maka kurva b-c akan membentuk garis horizontal.

Namun jika beban arus semakin besar, kemiringan kurva b-c akan semakin tajam.

Tegangan yang keluar akan berbentuk gigi gergaji dengan tegangan ripple yang

besarnya adalah :

Vr = VM -VL ....... (6.1)

Vr

b

c

a

T

Tp

t

VL

VM

VDC

Vout


dan tegangan dc ke beban adalah :

Vdc = VM + Vr/2

............ (6.2)

Rangkaian penyearah yang baik adalah rangkaian yang memiliki tegangan ripple

paling kecil. VL adalah tegangan discharge atau pengosongan kapasitor C, sehingga

dapat ditulis :

VL = VM e -T/RC

........... (6.3)

Jika persamaan (3) disubsitusi ke rumus (6.1), maka diperoleh :

Vr = VM (1 - e -T/RC

) .... (6.4)

Jika T


A

B

D4 D1

D2 D3

Gambar 6-5. Rangkaian Penyearah Gelombang Penuh Dengan Filter

Pada setengah siklus positif, titik A akan lebih positif terhadap titik B, dalam

kondisi ini diode D1 dan D2 akan menghantar sementara D3 dan D4 tidak menghantar.

Sebaliknya pada setengah siklus negatif, titik B menjadi positif terhadap titik A, dalam

kondisi ini D3 dan D4 akan menghantar, sedangkan D1 dan D2 tidak menghantar.

Sebagai contoh, kita mendisain rangkaian penyearah gelombang penuh dari catu

jala-jala listrik 220V/50Hz untuk mensuplai beban sebesar 0,5 A. Berapa nilai kapasitor

yang diperlukan sehingga rangkaian ini memiliki tegangan ripple yang tidak lebih dari

0,75 Vpp. Jika rumus (7) dibolak-balik maka diperoleh :

C = I.T/Vr = (0,5) (0,01)/0,75 = 6600 uF.

Gambar 6-6. Aliran Arus Pada Setengah Siklus Positif


Gambar 6-7. Aliran Arus Pada Setengah Siklus Negatif

6.3. Regulator Tegangan

Sebuah pengatur (regulator) tegangan sederhana dapat dilihat pada gambar 6.8.

R S

D 1 R L

Output

teregulasi = V Z

+

VIN

Gambar 6-8. Regulator Tegangan Shunt Dioda Zener

RS disertakan untuk membatasi arus zener pada nilai aman ketika beban

dilepaskan dari sambungan. Ketika beban RL disambung, arus zener (IZ) akan jatuh

karena arus dibelokkan ke arah resistansi beban. Tegangan output V0 akan tetap sama

dengan tegangan zener hingga pengaturan berhenti pada titik dimana pembagi tegangan

yang dibentuk oleh RS dan RL menghasilkan tegangan output yang lebih rendah dari VZ.

Rasio RS thd RL menjadi sangat penting.

Pada titik dimana rangkaian mulai berhenti melakukan pengaturan :

SL

LINZ

RR

RVV

sehingga nilai maksimum bagi RS dapat dihitung dari :

1

V

VRR

Z

INLmaks S

Daya yang terdisipasi pada dioda zener adalah ZZZ V.IP , sehingga nilai minimum

bagi RS dapat ditentukan dari kondisi tanpa beban pada saat :


Zmaks

ZZIN

Z

Zmaks

ZIN

Z

ZINmin S

P

V).VV(

V

P

VV

I

VVR

sehingga :

Zmaks

2ZZIN

minSP

V)V.V(R

dimana PZmaks adalah rating disipasi daya maksimum bagi dioda zener.

7.1. Pendahuluan

Apabila kita mendoping semikonduktor untuk mendapatkan kristal NPN atau

kristal PNP , maka kristal ini disebut Transistor Junction. Daerah N mempunyai

banyak sekali elektron pita konduksi dan daerah P mempunyai banyak sekali hole.


Transistor merupakan dioda dengan dua sambungan (junction). Sambungan itu

membentuk transistor PNP maupun NPN. Ujung-ujung terminalnya berturut-turut

disebut emitor, basis dan kolektor. Basis selalu berada di tengah, di antara emitor dan

kolektor. Transistor ini disebut Transistor Bipolar (bi = 2 dan polar = kutup), karena

struktur dan prinsip kerjanya tergantung dari perpindahan elektron di kutup negatif

mengisi kekurangan elektron (hole) di kutup positif. Adalah William Schockley pada

tahun 1951 yang pertama kali menemukan transistor bipolar.

7.2. Pengertian Secara Elektronik

Transistor adalah suatu konduktor yang dibuat dari pertemuan P dan N . Pada

Transistor terdapat 3 buah terminal yaitu : EMITOR, BASIS dan KOLEKTOR.

Transistor seakan-akan dibentuk dari penggabungan dua buah dioda. Dioda satu dengan

yang lain saling digabungkan dengan cara menyambungkan salah satu dioda yang

senama. Dengan cara penggabungan seperti ini dapat diperoleh dua buah dioda sehingga

menghasilkan transistor PNP (gb.7.1b) dan NPN (gb.7.1c). Untuk bentuk fisiknya dapat

dilihat pada gambar 7.1a.

Gambar 7-1a. Bentuk Fisik Transistor PNP dan NPN


B

C

E

B

C

E

B

E

C

+

+ +

B

E

C +

Basis

Emitor

Kolektor

B

C

E

Basis

Emitor

Kolektor

B

C

E

PNP NPN

(b) (c)

Gambar 7-1. Transistor PNP dan NPN

Anak panah di dalam simbol transistor memberi banyak t :

Untuk Transistor PNP

- Basis harus negatif terhadap emiter atau kurang positif terhadap emiter.

- Emiter harus positif terhadap kolektor. Arus mengalir dari + ke -.

Untuk Transistor NPN

- Basis harus positif terhadap emiter atau kurang negatif terhadap emiter.

- Kolektor harus positif terhadap emiter.

TIGA DAERAH DOPING


Basis

Emiter Kolektor

n p n

(a) (b)

Gambar 7-2. Tiga Daerah Transistor

Transistor pada gambar 7.2.a mempunyai dua junction, yang satu adalah antara

Emiter dan Basis, dan yang lain antara Basis dan Kolektor. Karenanya transistor seperti

dua dioda. Dioda sebelah kiri disebut sebagai Dioda Basis-Emiter atau singkatnya

Dioda Emiter, sedangkan sebelah kanan adalah Dioda Basis-Kolektor atau Dioda

Kolektor.

Sedangkan kemungkinan yang lain adalah : Transistor PNP adalah komplemen

dari transistor NPN, yang berarti pada transistor PNP diperlukan arus dan tegangan

yang berlawanan.

Akan dijelaskan kemudian, transistor adalah komponen yang bekerja sebagai

sakelar (switch on/off) dan juga sebagai penguat (amplifier). Transistor bipolar adalah

inovasi yang mengantikan transistor tabung (vacum tube). Selain dimensi transistor

bipolar yang relatif lebih kecil, disipasi dayanya juga lebih kecil sehingga dapat bekerja

pada suhu yang lebih dingin. Dalam beberapa aplikasi, transistor tabung masih

digunakan terutama pada aplikasi audio, untuk mendapatkan kualitas suara yang baik,

namun konsumsi dayanya sangat besar. Sebab untuk dapat melepaskan elektron, teknik

yang digunakan adalah pemanasan filamen seperti pada lampu pijar.

7.3. Bias DC

Transistor bipolar memiliki 2 junction yang dapat disamakan dengan

penggabungan 2 buah dioda. Emitor-Basis adalah satu junction dan Basis-Kolektor

junction lainnya. Seperti pada dioda, arus hanya akan mengalir jika diberi bias positif,

yaitu hanya jika tegangan pada material P lebih positif daripada material N (forward

bias). Pada Gambar ilustrasi transistor NPN berikut ini (gb.7.3), junction basis-emiter

diberi bias positif sedangkan basis-colector mendapat bias negatif (reverse bias).

Basis

Emiter Kolektor

p n p


BC

E

+

+

n npE

B

C

I e

I bI cbo I c

Gambar 7-3. Arus Elektron Transistor NPN

Karena basis-emiter mendapat bias positif maka seperti pada dioda, elektron

mengalir dari emiter menuju basis. Kolektor pada rangkaian ini lebih positif sebab

mendapat tegangan positif. Karena kolektor ini lebih positif, aliran elektron bergerak

menuju kutup ini. Misalnya tidak ada kolektor, aliran elektron seluruhnya akan menuju

basis seperti pada dioda. Tetapi karena lebar basis yang sangat tipis, hanya sebagian

elektron yang dapat bergabung dengan hole yang ada pada basis. Sebagian besar akan

menembus lapisan basis menuju kolektor. Inilah alasannya mengapa jika dua dioda

digabungkan tidak dapat menjadi sebuah transistor, karena persyaratannya adalah lebar

basis harus sangat tipis sehingga dapat dilewati oleh elektron.

Jika misalnya tegangan basis-emitor dibalik (reverse bias), maka tidak akan

terjadi aliran elektron dari emitor menuju kolektor. Jika pelan-pelan 'keran' basis diberi

bias maju (forward bias), elektron mengalir menuju kolektor dan besarnya sebanding

dengan besar arus bias basis yang diberikan. Dengan kata lain, arus basis mengatur

banyaknya elektron yang mengalir dari emiter menuju kolektor. Ini yang dinamakan

efek penguatan transistor, karena arus basis yang kecil menghasilkan arus emitor-

kolektor yang lebih besar. Istilah amplifier (penguatan) menjadi tidak benar, karena

dengan penjelasan di atas sebenarnya yang terjadi bukan penguatan, melainkan arus

yang lebih kecil mengontrol aliran arus yang lebih besar. Juga dapat diartikan bahwa

basis mengatur membuka dan menutup aliran arus emiter-kolektor (switch on/off).


Pada transistor PNP, fenomena yang sama dapat dijelaskan dengan memberikan

bias seperti pada Gambar (gb.7.4) berikut. Dalam hal ini yang disebut perpindahan arus

adalah arus hole.

BC

E

+

+

p pnE

B

C

I b

V EE V CC Gambar 7-4. Arus Hole Transistor PNP

Untuk memudahkan pembahasan prinsip bias transistor lebih lanjut, berikut

adalah terminologi parameter transistor (gb 7.5). Dalam hal ini arah arus adalah dari

potensial yang lebih besar ke potensial yang lebih kecil.

Gambar 7-5. Arus Potensial

Keterangan :

IC : arus kolektor IB : arus basis

IE : arus emitor VC : tegangan kolektor

VB : tegangan basis VE : tegangan emitor

VCC : tegangan pada kolektor VCE : tegangan jepit kolektor-emitor

VEE : tegangan pada emitor VBE : tegangan jepit basis-emitor

ICBO : arus basis-kolektor/arus bocor VCB : tegangan jepit kolektor-basis


Perlu diingat, walaupun tidak ada perbedaan pada doping bahan pembuat emitor dan

kolektor, namun pada prakteknya emitor dan kolektor tidak dapat dibalik.

E B C

Gambar 7-6. Penampang Transistor Bipolar

Dari satu bahan silikon (monolitic) (gb.7.6), emitor dibuat terlebih dahulu,

kemudian basis dengan doping yang berbeda dan terakhir adalah kolektor. Terkadang

dibuat juga efek dioda pada terminal-terminalnya sehingga arus hanya akan terjadi pada

arah yang dikehendaki.

Bagian penting berikutnya adalah bagaimana caranya memberi arus bias yang

tepat sehingga transistor dapat bekerja optimal.

7.3.1. Arus bias

Ada tiga cara yang umum untuk memberi arus bias pada transistor, yaitu

rangkaian CE (Common Emitter), CC (Common Collector) dan CB (Common Basis).

Namun akan lebih detail dijelaskan bias transistor rangkaian CE. Dengan menganalisa

rangkaian CE akan dapat diketahui beberapa parameter penting dan berguna terutama

untuk memilih transistor yang tepat untuk aplikasi tertentu.

7.3.2. Arus Emiter

Dari hukum Kirchhoff diketahui bahwa jumlah arus yang masuk kesatu titik

akan sama jumlahnya dengan arus yang keluar (gb.7.7). Jika teorema tersebut

diaplikasikan pada transistor, maka hukum itu menjelaskan hubungan :

IE = IC + IB ........(7.1)

Gambar 7-7. Arus Emitor


Persamaan (7.1) tersebut mengatakan arus emiter IE adalah jumlah dari arus

kolektor IC dengan arus basis IB. Karena arus IB sangat kecil sekali atau disebutkan IB


7.4. Common Emitter (CE)

Rangkaian CE adalah rangkaian yang paling sering digunakan untuk berbagai

aplikasi yang mengunakan transistor. Dinamakan rangkaian CE, sebab titik ground atau

titik tegangan 0 volt dihubungkan pada titik emiter.

Gambar 7-8. Rangkaian C-E

Ada beberapa notasi yang sering digunakan untuk mununjukkan besar tegangan

pada suatu titik maupun antar titik. Notasi dengan 1 subscript adalah untuk

menunjukkan besar tegangan pada satu titik, misalnya : VC = tegangan kolektor, VB =

tegangan basis dan VE = tegangan emiter.

Ada juga notasi dengan 2 subscript yang dipakai untuk menunjukkan besar

tegangan antar 2 titik, yang disebut juga dengan tegangan jepit. Diantaranya adalah :

VCE = tegangan jepit kolektor- emitor

VBE = tegangan jepit basis - emitor

VCB = tegangan jepit kolektor - basis

Notasi seperti VBB, VCC, VEE berturut-turut adalah besar sumber tegangan yang masuk

ke titik basis, kolektor dan emitor.

7.5. Kurva Basis

Hubungan antara IB dan VBE (gb.7.9) akan berupa kurva dioda. Karena memang

telah diketahui bahwa junction basis-emitor tidak lain adalah sebuah dioda. Jika hukum

Ohm diterapkan pada loop basis diketahui adalah :

IB = (VBB - VBE) / RB ......... (7.5)

VBE adalah tegangan jepit dioda junction basis-emitor. Arus hanya akan mengalir jika

tegangan antara basis-emitor lebih besar dari VBE. Sehingga arus IB mulai aktif mengalir

pada saat nilai VBE tertentu.


0,7VBE

IC

Gambar 7-9. Kurva IC -VBE

Besar VBE umumnya tercantum di dalam databook, tapi untuk penyederhanaan

umumnya diketahui VBE = 0.7 volt untuk transistor silikon dan VBE = 0.3 volt untuk

transistor germanium. Nilai ideal VBE = 0 volt. Dari sini akan sangat mudah

mengetahui arus IB dan arus IC dari rangkaian 01 berikut ini, jika diketahui besar =

200. Yang digunakan adalah transistor yang dibuat dari bahan silikon.

Rangkaian-01

Rangkaian - 01

IB = (VBB - VBE) / RB

= (2V 0,7V) / 100 K = 13 uA

Dengan = 200, maka arus kolektor adalah :

IC = IB = 200 x 13uA = 2,6 mA

7.6. Kurva Kolektor

Sekarang ditinjau bagaimana hubungan antara arus basis IB, arus kolektor IC dan

tegangan kolektor-emiter VCE. Dengan mengunakan rangkaian-01, tegangan VBB dan

VCC dapat diatur untuk memperoleh plot garis-garis kurva kolektor. Pada gambar

berikut telah diplot beberapa kurva kolektor arus IC terhadap VCE dimana arus IB dibuat

konstan.


Saturasi

IB = 50 A

IB = 40A

IB = 30A

IB = 20A

IB = 10A

1 V 40 V VCE

IC Cut off AktifBreakdown

1

2

3

4

Gambar 7-10. Kurva Kolektor

Dari kurva ini terlihat ada beberapa region yang menunjukkan daerah kerja

transistor. Pertama adalah daerah saturasi, lalu daerah cut-off, kemudian daerah aktif

dan seterusnya daerah breakdown.

Ad.1. Daerah Aktif

Daerah kerja transistor yang normal adalah pada daerah aktif, dimana arus IC

kon

2013-08-30-16-42-32_RONIKA

Documents

Transcript of 2013-08-30-16-42-32_RONIKA