31

BAB III

PIRANTI SEMIKONDUKTOR

Pendahuluan

Kata “piranti” dapat diartikan sebagai alat atau perkakas atau

devais. Piranti semikonduktor dapat diartikan sebagai alat atau

komponen yang berbahan semikonduktor, yang banyak digunakan

dalam membangun suatu peralatan elektronik, seperti dioda dan

transistor. Pada bagian ini, akan dibahas tentang dioda (termasuk dioda-

dioda khusus), transistor bipolar (BJT), dan transistor unipolar atau

transistor efek medan (FET).

Setelah pembahasan materi ini, mahasiswa diharapkan dapat menjelaskan

karakteristik dan prinsip kerja dioda dan transistor, serta aplikasinya.

3.1 Dioda

Dioda adalah semikonduktor yang terdiri dari persambungan (junction) P-

N. Sifat dioda yaitu dapat menghantarkan arus pada tegangan maju dan

menghambat arus pada tegangan balik. 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.

Gambar 3.1. Simbol, struktur dioda dan karakteristik dioda

32

Ini disebabkan karena adanya dinding deplesi (deplesion 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. Sebaliknya untuk bias negatif dioda tidak dapat mengalirkan arus,

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

terjadi breakdown, di mana dioda tidak lagi dapat menahan aliran elektron yang

terbentuk di lapisan deplesi (sebagai contoh 100 V untuk dioda 1N4002).

Model Dioda

Dioda dalam prakteknya, seringkali didekati dengan menggunakan

pendekatan atau model. Sudah barang tentu, model ini tetap berdasarkan kepada

representasi matematika dan grafik dari karakteristik V-I dari dioda itu sendiri.

Penyederhanaan model ini, hanya ingin memberikan gambaran global dari cara

kerja dioda, namun belum merepresentasikan detil-detil penting dari dioda itu

sendiri. Terdapat beberapa model pendekatan dioda, yaitu: Model Dioda Ideal,

Model Dioda Offset dan Model Dioda Real.

a. Model Dioda Ideal

I

V

Pendekatan ke-2

Forward bias

= + -

Vof

Vof

b. Model Dioda Offset

33

c. Model Dioda Real

Gambar 3.2. Model Dioda

Model Dioda Ideal memiliki karakteristik V-I seperti pada Gambar 3.2(a).

Pada model ini, suatu dioda berlaku sebagai konduktor yang sempurna

(bertegangan nol) bila diberi forward biased dan berlaku sebagai isolatif yang

sempurna (berarus nol) bila diberi reverse biased. Dalam istilah rangkaian, dioda

berlaku seperti saklar (switch), bila diberi forward biased ia bertindak sebagai

saklar tertutup (ON), dan bertindak seperti saklar terbuka (OFF) bila diberi

reverse biased. Model ini sangat ekstrim, sehingga untuk kondisi-kondisi tertentu,

diperlukan model yang lebih baik lagi.

Sesungguhnya, diperlukan tegangan offset, Vof sekitar 0,7 volt sebelum dioda

Silikion menjadi konduktor dengan baik. Gambar 3.2(b). memperlihatkan

karakteristik V-I dioda, dimana tidak ada arus mengalir sampat tegangan dioda

mencapai 0,7 volt. Pada titik ini dioda mulai konduksi. Jadi, dioda dianggap

seperti sebuah switch yang disarikan dengan sebuah baterai 0,7 volt. Jika tegangan

sumber lebih besar dari 0,7 volt, saklar menutup dan tegangan dioda adalah 0,7

volt. Namun, jika tegangan sumber kurang dari 0,7 volt maka switch membuka.

Pada model ketiga ini, tahanan dalam dioda, Rf, diperhitungkan. Gambar 3.2(c).,

menunjukkan model dioda real ini. Sehingga, pada saat konduksi, arus

menghasilkan tegangan pada Rf, dimana semakin besar arus, semakin besar pula

tegangan tersebut. Rangkain ekivalen pada model real dioda ini, adalah seperti

sebuah saklar yang diseri dengan baterai 0,7 volt dan tahanan Rf.

34

Untuk kebanyakan hal praktis, Model Dioda Offset seringkali

dipergunakan. Namun, jika diperlukan analisa yang lebih mendalam, Model

Dioda Real akan dipakai, sehigga akan didapatkan analisa yang lebih akurat

Sesuai karakteristiknya, dioda dapat dipakai untuk fungsi-fungsi sebagai

berikut.

1. Pengaman Polaritas Terbalik Pada Input DC

Oleh karena dioda hanya dapat menghantar arus dalam satu arah maka

dioda dapat digunakan untuk mencegah kerusakan peralatan elektronik akibat

tertukarnya polaritas + dan – sumber tegangan DC. Ada dua rangkaian yang dapat

digunakan seperti gambar 3.3.

(a) (b)

Gambar 3.3. Rangkaian pengaman peralatan elektronik dengan dioda

Pada Gambar 3.3a, ada jatuh tegangan sebesar tegangan offset pada dioda,

sedangkan pada Gambar 3.3b, tidak ada jatuh tegangan pada dioda, dan fuse (F)

akan putus jika polaritas (+) dan (-) terbalik.

2. Penyearah tegangan AC

Hampir semua rangkaian elektronik memerlukan suatu sumber daya dc.

Baterai dapat digunakan sebagai sistem daya rendah yang dapat dibawa. Akan

tetapi sering alat-alat elektronik diberi energi oleh catu daya (power supply) suatu

alat yang mengubah bentuk gelombang balik-balik dari PLN menjadi tegangan

yang searah. Suatu alat, seperti dioda semikonduktor yang dapat mengubah suatu

bentuk gelombang masukan sinusoidal (yang nilai rata-ratanya sama dengan nol)

menjadi gelombang searah (walaupun tidak tetap) dengan komponen rata-rata

taksama dengan nol disebut suatu penyearah.

a. Penyearah Setengah Gelombang

Rangkaian dasar dari penyearah setengah gelombang diperlihatkan pada

Gambar 3.4.

DF

PeralatanElektro-

nik

+

-

SumberDC

35

Gambar 3.4. Penyearah setengah gelombang.

Oleh karena masukan dalam rangkaian penyearah vi = Vm sin t,

mempunyai nilai puncak Vm yang sangat besar dibanding dengan tegangan

potong/offset V dari dioda, kita anggap dalam pembahasan berikut bahwa V = 0.

Dengan dioda dibayangkan sebagai tahanan Rf dalam keadaan ON dan sebagai

suatu hubungan terbuka dalam keadaan OFF, arus i dalam dioda atau dalam beban

RL adalah:

i = Im sin bila 0

i = 0 bila 2 (3-1)

di mana = t, dan Lf

mm RR

VI

(3-2)

Tegangan sekunder trasformator vi, diperlihatkan pada Gambar 3-13b, dan arus

yang disearahkan diperlihatkan pada Gambar 3-13c. Arus yang keluar mempunyai

satu arah, sehingga nilai rata-ratanya tidak sama dengan nol. Menurut defenisi

nilai rata-rata suatu fungsi periodik diberikan oleh suatu luas dari kurva satu

periode dibagi alas. Secara matematik:

2

0dc di

21I (3-3)

Untuk rangkaian setengah gelombang:

36

m

0mdc

IdsinI

21I (3-4)

Tegangan keluaran dc:

fdcmLm

Ldcdc RIVRIRIV

(3-5)

Tetapi dengan mengabaikan tahanan Rf (dianggap sama dengan 0) maka tegangan

keluaran dc dapat dituliskan:

efm

mm

T

mdc

VV

VdVdVT

V

45,0

cos210sin

21sin1

000

(3-6)

di mana Vef adalah tegangan efektif (rms) = Vm/2.

Contoh :

Suatu penyearah setengah gelombang dengan menggunakan transformator 220/12

V dihubungkan dengan sumber tegangan 220 V, maka tegangan DC yang

diperoleh: Vdc = 0,45. 12 = 5,4 V. Jika jatuh tegangan pada dioda (=0,7 V)

diperhitungkan, maka tegangan output penyearah = 5,4 – 0,7 = 4,7 V. Jika

resistansi beban diketahui, maka arus beban rata-rata Idc dapat dihitung.

Karena penyearah setengah gelombang adalah rangkaian satu loop, arus dioda dc

sama dengan arus beban dc-nya. Pada siklus negatif sumber ac, dioda mengalami

prategangan-balik, sehingga tidak ada tegangan pada beban. Maksimum tegangan

balik ini disebut puncak tegangan balik (PIV : peak inverse voltage). Agar dioda

tidak tembus (breakdown), puncak tegangan balik ini harus lebih rendah daripada

batas kemampuan PIV dioda.

Tegangan output penyearah masih mempunyai riak (ripple), pada penyearah

setengah gelombang, frekuensi riak sama dengan tegangan input.

b. Penyearah Gelombang Penuh

Rangkaian dari penyearah gelombang penuh diperlihatkan pada Gambar

3.5. Pada penyearah gelombang penuh biasa, hanya menggunakan 2 dioda, tetapi

transformator yang digunakan adalah trasformator yang mempunyai tap di tengah

(transformator CT/center tap).

37

Gambar 3.5. Penyearah gelombang penuh

Rangkaian ini mengandung dua rangkaian penyearah setengah gelombang

yang dihubungkan sedemikian sehingga penghantaran terjadi melalui satu dioda

selama setengah periode dan melalui dioda yang lain selama setengah periode

yang kedua. Arus ke beban, yang merupakan jumlah dari kedua arus ini

mempunyai bentuk seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3.5b.

Nilai dc dari arus dan tegangan dalam sistem tersebut adalah:

fdcmLm

dcm

dc RIV2RI2V;I2I

(3-7)

Dengan cara yang sama pada Persamaan (3-5) maka diperoleh tegangan dc pada

penyearah gelombang penuh (dengan mengabaikan tahanan dioda Rf):

efm

dc V9,0V2V

(3-8)

Contoh :

Suatu penyearah gelombang penuh dengan menggunakan transformator

220/12 V dihubungkan dengan sumber tegangan 220 V, maka tegangan DC yang

diperoleh :

Vdc = 0,9. 12 = 10,8 V. Jika jatuh tegangan pada dioda (=0,7 V)

diperhitungkan, maka tegangan output penyearah = 10,8 – 0,7 = 10,1 V.

38

Jika resistansi beban diketahui, maka arus beban rata-rata Idc dapat

dihitung. Pada penyearah gelombang penuh setiap dioda konduksi secara

bergantian (D1 konduksi untuk siklus positif dan D2 konduksi pada siklus

negatif), sehingga arus dc pada setiap dioda sama dengan ½ arus beban dc-nya.

PIV dioda sama dengan tegangan puncak/maksimum sisi sekunder transformator.

Frekuensi riak sama dengan dua kali frekuensi tegangan input.

c. Penyearah Jembatan

Gambar 3.6. Penyearah jembatan

Penyearah jembatan merupakan penyearah gelombang penuh yang

menggunakan 4 dioda dan setiap siklus tegangan input melewati 2 dioda.

Penyearah yang paling banyak digunakan adalah penyearah jembatan, sehingga

pabrik banyak yang membuat penyerah jembatan dalam satu modul, seperti pada

gambar 3.7.

Gambar 3.7. Dioda jembatan

d. Penapis (Filter) Kapasitor

Karena output penyearah masih merupakan tegangan yang masih

berdenyut / beriak, maka untuk memperoleh tegangan DC yang rata (nilai tetap)

dibutuhkan sebuah penapis (filter). Filter yang banyak digunakan adalah kapasitor

yang dipasang paralel terhadap beban.

39

Gambar 3.8 menunjukkan pendekatan bentuk gelombang tegangan beban vo

dalam suatu penyearah gelombang penuh dengan tapis kapasitor.

Apabila total tegangan pengosongan muatan kapasitor (riak tegangan) diberikan

oleh Vr maka nilai rata-rata dari tegangan kira-kira:

Vdc = Vm – Vr/2 (3-9)

Akan tetapi Vr perlu dinyatakan sebagai fungsi dari arus dan tegangan beban.

Mengingat bahwa kapasitas kapasitor: C = Q/V atau V = Q/C, dan Q = I.T, jika T2

menyatakan seluruh waktu tak menghantar, kapasitor akan kehilangan muatan

IdcT2 ketika pengosongan muatan dengan kecepatan tetap Idc. Oleh karena itu

perubahan dalam tegangan kapasitor adalah IdcT2/C atau:

Vr = (IdcT2)/C (3-10)

Gambar 3.8. Bentuk gelombang tegangan output penyearah gelombang penuh dengan tapis kapasitor

Semakin baik kerja penapisan, semakin kecil waktu penghantaran T1 dan T2

semakin mendekati setengah periode. Oleh karena itu kita anggap T2 = T/2 = 1/2f

di mana f adalah frekuensi dasar listrik PLN. Maka:

fC2

IV dc

r (3-11)

dan dari Persamaan (3-18), diperoleh:

Cf4

IVV dcmdc (3-12)

Persamaan (4-12) berlaku untuk penyearah gelombang penuh, sedangkan untuk

penyearah setengah gelombang: Cf2

IVV dcmdc .

40

3. Mencegah kerusakan akibat tegangan induksi

Fungsi lain dioda adalah sebagai anti shock tegangan. Contoh aplikasinya

adalah pada jenis relai diberikan dioda dengan tujuan untuk mencegah terjadinya

arus balik pada rangkaian. Arus balik listrik ini dapat berasal dari induksi medan

magnet yang dihasilkan oleh kumparan relai. Induksi listrik ini biasanya lebih

tinggi tegangannya dibandingkan dengan tegangan sumber. Untuk mencegah

terjadinya kerusakan akibat terjadinya tegangan induksi ini maka pada rangkaian

relai dipasangkan rangkaian dioda, seperti pada gambar 3.9.

Gambar 3.9

3.2 Dioda zener

Dioda zener berbeda dengan dioda biasa yang tidak pernah dengan sengaja

dioperasikan pada daerah tembus (breakdown), dioda zener justru bekerja paling

baik pada daerah tembus. Ditemukan oleh seorang fisikawan Amerika, Clarence

Melvin Zener. Dioda zener merupakan tulang-punggung pengatur tegangan, yaitu

rangkaian-rangkaian yang menjaga agar tegangan beban hampir konstan/tetap,

walaupun ada perubahan yang besar pada tegangan sumber dan resistansi

(tahanan) beban.

Gambar 3.10. Simbol dan karakteristik dioda zener

VZ

I

V IZT

IZM

41

Dioda zener dapat beroperasi di tiga daerah: maju, bocor (leakage) atau

tembus. Pada daerah maju, ia menghantar seperti pada dioda biasa. Pada daerah

bocor (antara nol dan tembus), ia hanya mempunyai arus bocor yang sangat kecil.

Pada dioda zener, lengkungan di sekitar titik tembusnya berbentuk lutut yang

sangat tajam, tegangannya hampir tetap (mendekati VZ) pada hampir semua

daerah tembus. Lembaran data biasanya menetapkan nilai VZ pada arus

pengesetan tertentu (IZT).

Pembuangan daya pada dioda zener sama dengan hasil kali tegangan dan

arusnya: PZ = VZ IZ. Selama PZ lebih kecil daripada batas kemampuan daya, dioda

zener dapat beroperasi di daerah tembus tanpa mengalami kerusakan.

Dioda zener kadang-kadang disebut dioda pengatur tegangan, karena ia

mempertahankan tegangan output yang tetap meskipun arus yang melaluinya

berubah, perubahan tegangan sebesar VZ = IZ. RZ (nilai RZ kecil).

Pendekatan Dioda Zener

(a) (b) (c)

Gambar 3.12. Pengatur Zener

Supaya zener beropersi pada daerah breakdown : VTH VZ

Arus seri IS = (VS – VZ)/RS

VZVZ

RZ

Gambar 3.11.

a. Lambang dioda zener b. Pendekatan ideal c. Pendekatan yang memperhitungkan

resistansi zener

SLS

LTH V

RRRV

42

Arus beban VL VZ IL = VL/RL

Arus zener IZ = IS – IL

Perbandingan riak output terhadap riak input sama dengan perbandingan resistansi

zener terhadap resisitansi seri.

S

Z

S

ZRR

VV

(3-13)

Supaya sebuah pengatur zener dapat menjaga agar tegangan outputnya tetap,

maka dioda zener harus tetap berada di daerah tembus dalam segala keadaan

operasi, ini berarti bahwa harus selalu ada arus zener untuk semua tegangan

sumber dan arus beban. Resistansi seri maksimum yang diperbolehkan:

(max)L

Z(min)S(max)S I

VVR

(3-14)

Contoh 1.

Gambar 3.13.

Penyelesaian :

Karena rangkaian tanpa beban (IL = 0), maka IZ = IS = (VS – VZ)/RS

Untuk Vs = 20 V Is = (20 – 10)/820 = 12,2 mA. = IZ(min)

Untuk Vs = 40 V Is = (40 – 10)/820 = 36,6 mA = IZ(max)

Sehingga VZ = IZ. RZ = (36,6 – 12,2) mA. 7 = 0,171 V.

Ini berarti bahwa tegangan zener yang biasanya 10 V, naik 0,171 V ketika sumber

berubah dari 20 V menjadi 40 V. Karena zener paralel dengan beban, maka

tegangan output sama dengan tegangan pada zener.

VZ

Rs

Vs Vout

Diketahui rangkaian dengan dioda

zener seperti pada Gambar 3.13.

RS = 820 , Tahanan zener = 7 ,

VZ = 10 V, hitunglah perubahan

tegangan zener jika tegangan

sumber VS berubah dari 20 V ke 40

V!

43

Contoh 2.

Gambar 3.14.

a. Berapa nilai pendekatan arus zener

b. Jika sumber mempunyai riak puncak ke puncak = 4 V, hitung riak output

c. Berapa nilai kritis resistansi seri

d. Jika beban berubah, berapa nilai resistansi beban sehingga pengatur zener

tidak bekerja?

Penyelesaian :

a. IS = (VS – VZ)/RS = (40 – 10)V/1,5 k = 20 mA ; VL VZ IL = VL/RL =

10V/1k = 10 mA; IZ = IS – IL = 20 – 10 = 10 mA.

b. S

Z

S

ZRR

VV

mV,VV

RRV S

S

ZZ 7264

150010

c. (max)L

Z(min)S(max)S I

VVR

= (40 – 10)V/10 mA = 3 k

d. SLS

LTH V

RRRV

< VZ {RL/(1,5+RL)}40 < 10. RL < 0,5 k

RL < 500

3.3 LED (Light Emitting Diode)

LED atau dalam bahasa Indonesia diartikan Dioda Pancaran Cahaya

adalah suatu semikonduktor yang memancarkan cahaya monokromatik yang tidak

koheren ketika diberi tegangan maju.

Pada dioda berprategangan maju, elektron bebas melintasi persambungan

dan jatuh ke dalam lubang (hole). Pada saat elektron ini jatuh dari tingkat energi

yang lebih tinggi tingkat energi ke yang lebih rendah, ia memancarkan energi.

Z VZ

Rs

VsRL

Diketahui rangkaian dengan dioda zener

seperti pada Gambar 3.14.

RS = 1,5 k, Tahanan zener = 10 , VZ =

10 V, RL = 1 k

44

Pada dioda-dioda biasa, energi ini dalam bentuk panas, tetapi pada LED energi ini

memancar sebagai cahaya. Dioda-dioda biasa dibuat dari silicon, tetapi LED

dibuat dari bahan gallium, arsen, dan fosfor. Jenis LED ditentukan oleh cahaya

yang dipancarkan. Seperti LED merah, hijau, biru, kuning, oranye, infra merah

dan laser diode. LED yang menghasilkan pemancaran di daerah cahaya tampak

amat berguna dalam instrumentasi, alat hitung (kalkulator) dan sebagainya. LED

inframerah, pemakaiannya dijumpai dalam sistem bahaya pencuri dan bidang-

bidang lain yang memerlukan pemancaran cahaya tak tampak. LED inframerah

juga dipakai untuk transmisi pada sistem remote control dan opto sensor, dan laser

diode yang dipakai untuk optical pick-up pada sistem CD. Gambar 4.21

memperlihatkan simbol dan contoh bentuk fisik LED.

Gambar 3.15. Simbol dan contoh bentuk fisik LED

Yang harus diketahui sebelum menghitung nilai dari resistor untuk LED

adalah tegangan kerja dari LED, tegangan dari sumber listrik dan arus yang

dibutuhkan LED.

Daftar tegangan kerja LED berdasarkan warnanya (http://gopeng.mywapblog.com/)

1. Infra merah : 1,6 V

2. Merah : 1,8 V – 2,1 V

3. Oranye : 2,2 V

4. Kuning : 2,4 V

5. Hijau : 2,6 V

6. Biru : 3,0 V – 3,5 V

7. Putih / Superbright : 3,0 – 3,6 V

8. Ultraviolet : 3,5 V

45

Kecemerlangan LED tergantung dari arusnya. Besar arus maju suatu LED

standard adalah sekitar 20 mA. Gambar 3.16 memperlihatkan cara yang umum

untuk merangkai LED yang dihubung seri dengan sebuah tahanan RS.

Gambar 3.16. Rangkaian LED

Contoh:

LED hijau ingin dinyalakan pada tegangan aki 12 volt dan 0.02 ampere,

berapakah besar tahanan seri yang dibutuhkan?

Jawab:

Karena LED hijau mempunyai tegangan kerja 2,6 volt maka resistor yang

dibutuhkan adalah ;

R = (VS – VLED) / I

R = ( 12 - 2,6 ) / 0.02

R = 470 Ohm.

3.4 Dioda Cahaya (Photo Diode)

Jika semi konduktor menyerap cahaya, maka dapat tercipta pasangan

elektron bebas-lubang yang melebihi jumlah yang telah ada dalam semi konduktor

itu akibat kegiatan termal. Gejala ini disebut penyerapan foto/cahaya (photo

absorption). Meningkatnya konduktifitas listrik akibat kelebihan muatan

pembawa oleh penyerapan foto disebut konduktifitas foto (photo conductivity).

Jika bungkus semi konduktor diberi “jendela” transparan (tembus cahaya) maka

konduktifitas listrik semi konduktor tergantung pada intensitas cahaya yang jatuh

padanya. Inilah prinsip kerja sebuah dioda foto/cahaya. Dioda foto bekerja

berdasarkan intensitas cahaya, jika terkena cahaya maka dioda foto bekerja

seperti dioda pada umumnya, tetapi jika tidak mendapat cahaya maka dioda foto

Arus pada LED: S

LEDSRVVI

IVV

R LEDSS

(3-15)

46

akan berperan seperti resistor dengan nilai tahanan yang besar sehingga arus

listrik tidak dapat mengalir.

Dioda foto adalah jenis dioda yang berfungsi mendeteksi cahaya. Menurut

Wikipedia, cahaya yang dapat dideteksi oleh diode foto ini mulai dari cahaya infra

merah, cahaya tampak, ultra ungu sampai dengan sinar-X. Aplikasi dioda foto

mulai dari penghitung kendaraan di jalan umum secara otomatis, pengukur cahaya

pada kamera serta beberapa peralatan di bidang medis. Simbol dioda diperlihatkan

pada gambar 4.23.

(a) (b) Gambar 3.17. Simbol dioda foto dan rangkaian cara pemasangannya

Dioda foto dipasang terbalik (reverse), karena pada saat dioda dipasang

reverse maka arus tidak akan mengalir karena hambatannya sangat besar sehingga

dioda dianggap sebagai kondisi rangkaian terbuka (open circuit) jika dianalogikan

seperti sakelar. Tetapi pada photo diode, hambatan yang besar tadi bisa menjadi

kecil karena pengaruh cahaya yang masuk. Hal seperti ini bisa menyebabkan arus

mengalir sehingga kondisi seperti ini bisa dikatakan sebagai rangkaian tertutup

(Close Circuit) jika dianalogikan seperti sakelar.

Dioda foto dapat juga digunakan untuk memberikan alarm peringatan

ketika seseorang melewati daerah terlindungi. Rangkaian dibuat tetap siaga

melalui sinar laser atau sinar infra merah yang difokuskan pada dioda foto

tersebut. Ketika sinar laser atau sinar infra merah terhalangi (terputus), alarm akan

terpicu.

47

3.5 Silicon Controlled Rectifier (SCR)

Susunan SCR hampir sama dengan susunan dioda empat lapis, hanya saja

pada SCR terdapat tambahan satu terminal keluar pada basis transistor PNP yang

disebut Gate.

Gambar 3.18. Struktur, simbol dan bentuk SCR

Melalui kaki (pin) gate tersebut memungkinkan komponen ini ditrigger

atau dipicu menjadi ON, yaitu dengan memberi arus gate. Ternyata dengan

memberi arus gate Ig yang semakin besar dapat menurunkan tegangan breakover

(Vbo) sebuah SCR. Tegangan ini merupakan tegangan minimum yang diperlukan

SCR untuk menjadi ON. Pada datasheet SCR, arus trigger gate ini sering ditulis

dengan notasi IGT (gate trigger current). Satu-satunya cara untuk membuat SCR

menjadi OFF adalah dengan membuat arus anoda-katoda turun di bawah arus Ih

(holding current). Besarnya arus holding, umumnya ada di dalam datasheet SCR.

Cara membuat SCR menjadi OFF dengan menurunkan tegangan anoda-katoda ke

titik nol. Ada satu parameter penting lain dari SCR, yaitu VGT. Parameter ini

adalah tegangan trigger pada gate yang menyebabkan SCR ON.

SCR adalah salah satu thyristor yang paling sering digunakan dan dapat

melakukan penyaklaran untuk arus yang besar. SCR dapat digunakan pada

penyearah terkendali.

3.6 Karakteristik Transistor

Ada dua jenis transistor, yaitu transistor sambungan bipolar (bipolar

junction transistor, BJT, sering disebut transistor saja), dan transistor efek

medan (field effect transistor, FET) yang karakteristik kerja dan konstruksinya

berbeda.

48

B

C

E

IB

IC

IE

B

C

E

IB

IC

IE

1. Bipolar Junction Transistor (BJT)

Transistor adalah komponen aktif dengan arus, tegangan atau daya

keluarannya dikendalikan oleh arus masukan. Di dalam sistem komunikasi,

transistor digunakan sebagai penguat untuk memperkuat sinyal. Di dalam

rangkaian elektronik komputer, transistor digunakan untuk saklar elektronik laju

tinggi. Transistor adalah komponen tiga terminal. Ketiga terminal tersebut disebut

Basis (B), Kolektor (C), dan Emiter (E). Transistor mempunyai dua sambungan

(junction), satu di antara emitter (E) dan basis (B), dan lainnya antara basis (B)

dan kolektor (C).

Gambar 3.19. Konstruksi transistor (JE: sambungan emiter, JC: sambungan kolektor)

Transistor npn Transistor pnp

Gambar 3.20. Simbol transistor

Karena itu, sebuah transistor sama seperti dua buah dioda. Dioda sebelah

kiri sebagai dioda emitter-basis (disingkat dioda emitter) dan sebelah kanan

adalah dioda kolektor-basis (dioda kolektor). Untuk transistor npn, emitter

berfungsi untuk mengemisikan atau menginjeksikan elektron ke dalam basis.

Basis di-dope sedikit dan sangat tipis; basis melewatkan sebagaian besar electron

yang diinjeksikan oleh emitter ke kolektor. Kolektor mengumpulkan atau

menagkap elektron-elektron dari basis, dan merupakan bagian terbesar dari tiga

Transistor npn Transistor pnp

n p n

C E

B

JE JC

p n p

C E

B

JE JC

49

-

VCC

-VBB

IB

VBE

VCE

IC

RB

RC

bagian transistor tersebut, kolektor harus mrndisipasikan lebih banyak panas dari

pada emitter atau basis. Transistor pnp merupakan komplemen dari transistor npn.

Pembawa muatan mayoritas pada emitter adalah hole.

Untuk mempelajari karakteristik transistor maka transistor dipasang dalam

rangkaian seperti pada Gambar 3.21. Kurva karakteristik kolektor

menghubungkan IC dan VCE dengan IB sebagai parameter. Pada Gambar 3.22

terlihat bahwa kurva kolektor terbagi menjadi 3 daerah, yaitu jenuh (saturasi),

aktif, dan cut-off.

Gambar 3.21. Rangkaian yang digunakan untuk mempelajari karakteristik kolektor

Gambar 3.22. Kurva kolektor

50

a. Daerah jenuh (saturasi), adalah daerah dengan VCE kurang dari tegangan

lutut (knee) VK. Daerah jenuh terjadi bila sambungan emiter dan

sambungan basis berprategangan maju. Daerah jenuh arus kolektor tidak

tergantung pada nilai IB. Tegangan jenuh kolektor-emiter VCE(sat) untuk

transistor silikon adalah 0,2 V, sedangkan untuk transistor germanium

adalah 0,1 V.

b. Daerah aktif, adalah daerah antara tegangan lutut VK dan tegangan dadal

(break-down) VBR serta di atas IB = ICO. Daerah aktif terjadi bila

sambungan emiter diberi prategangan maju dan sambungan kolektor diberi

prategangan balik. Pada daerah aktif arus kolektor sebanding dengan arus

basis. Penguatan sinyal masukan menjadi sinyal keluaran terjadi pada

daerah aktif.

c. Daerah cut-off (putus) terletak di bawah IB = ICO. Sambungan emiter dan

sambungan kolektor berprategangan balik. Pada daerah ini IE = 0, IC = ICO

= IB.

2. Field Effect Transistor (FET)

Pada FET, hanya menggunakan satu jenis pembawa muatan, dan

dikelompokkan sebagai devais unipolar. Dibanding dengan BJT, FET memiliki

beberapa kelebihan di antaranya adalah:

a. Hambatan dalam input sangat besar.

b. Noisenya kecil, karena pembawa muatan pada FET tidak melewati

hubungan p-n sama sekali.

c. Densitas FET sangat tinggi, sehingga dapat dibentuk rangkaian integrasi

lebih padat.

d. Lebih stabil terhadap suhu.

Kekurangan FET dibandingkan dengan BJT adalah:

a. Kecepatan pensaklarannya (switching) lebih lambat.

b. Secara umum, FET tidak mampu menangani daya besar, walaupun saat ini

sudah ada yang mampu bekerja untuk daya besar.

FET memiliki 3 terminal yaitu Source (S), Drain (D), dan Gate (G). Source

adalah terminal tempat pembawa muatan mayoritas masuk ke kanal untuk

51

menyediakan arus melalui kanal. Drain adalah adalah terminal arus meninggalkan

kanal. Gate adalah elektroda yang mengontrol konduktansi antara Source dan

drain. Sinyal input diberikan pada terminal Drain. Sedangkan substrate atau bulk

umumnya dihubungkan dengan Source. Material pada substrate biasanya netral

atau didope sedikit. Konstruksi dan simbol JFET ditunjukkan pada gambar 3.23.

Gambar 3.23. Konstruksi dan simbol JFET

Umumnya sinyal input diberikan pada terminal Gate. Dalam rangkaian

input, terminal Gate dan kanal bertindak seolah-olah bagai kapasitor plat sejajar,

dan konduktivitas kanal dapat diubah oleh tegangan Gate terhadap Source. Untuk

kanal-n, tegangan positif pada Gate menginduksi muatan negatif pada kanal

sehingga ada aliran elektron dari Source ke Drain. Ada analogi yang mirip antara

JFET dan BJT. Banyak formula dalam FET mirip dengan formula pada BJT,

dengan menganalogikannya seperti pada tabel 3.1.

Tabel 3.1. Analogi terminal BJT dan FET

BJT JFET

Emiter Source

Basis Gate

Kolektor Drain

Operasi JEFT berdasarkan pada pengubahan lebar kanal untuk

mengendalikan arus drain pada saat tegangan VDS diberikan pada drain dan

source. Jika lebar kanal mengecil, maka resistans kanal bertambah dan arus drain

52

mengecil. Dengan memberikan prasikap balik ke sambungan gate-source maka

daerah deplesi pada kanal bertambah, sehigga mengakibatkan lebar kanal

mengecil.

Ada dua cara mengendalikan lebar kanal yaitu:

1. Mengubah nilai tegangan gate-source (VGS) pada tegangan drain-source

(VDS) yang konstan.

2. Mengubah VDS pada VGS konstan.

Pengaruh VGS terhadap ID pada VDS konstan terlihat pada Gambar 3.24a.

Jika VGS bertambah negatif, maka daerah deplesi bertambah dan lebar kanal

berkurang. Pengaruh VDS terhadap ID terlihat pada Gambar 3.24b.

Bertambahnya VDS pada VGS konstan, mengakibatkan ID bertambah. Hal

ini mengakibatkan daerah deplesi bertambah dan kanal menjadi sempit. Karena itu

sampai pada nilai VDS tertentu, pertambahan VDS tidak menambah nilai ID. Pada

VGS = 0, nilai VDS yang menyebabkan ID maksimum disebut tegangan pinch-off

(tegangan jepit) VP. Setelah VP tercapai VDS dan resistans kanal bertambah dengan

laju yang sama. Karena itu ID mendekati konstan dengan bertambahnya VDS.

Daerah operasi antara VP dan VBR (tegangan dadal atau breakdown), disebut

daerah arus konstan.

(a)

53

(b)

Gambar 3.24. (a). Pengaruh VGS terhadap lebar kanal pada VDS konstan, terlihat makin negatif VGS mengakibatkan kanal makin sempit.

(b). Pengaruh VDS terhadap lebar kanal pada VGS konstan, terlihat makin negatif VDS mengakibatkan kanal makin sempit.

Gambar 3.25. Kurva karakteristik drain dari JFET.

54

Ada dua jenis FET, yaitu JFET (Junction Field Effect Transistor) dan

MOSFET (Metal Oxide Semiconductor FET). Teknologi MOS (Metal Oxide

Semiconductor) telah memberikan solusi terhadap masalah yang terdapat pada

pengembangan rangkaian terpadu (Integrated Circuit). Masalah yang dimaksud

adalah disipasi panas yang dengan untai MOS menjadi sangat berkurang. Di

samping itu rangkaian MOSFET (Mental Oxide Semiconductor FET) dapat dibuat

lebih kecil dibandingkan dengan BJT.

3.7 Transistor Sebagai Penguat

Ada tiga jenis konfigurasi penguat transistor, yaitu:

a. Penguat Emiter Bersama (Common Emitter/CE).

b. Penguat Kolektor Bersama (Common Collector/CC).

c. Penguat Basis Bersama (Common Basis/CB).

Karena hampir semua rangkaian transistor, sinyal masukan diberikan ke

basis dan sinyal keluaran diambil dari kolektor maka perbandingan arus kolektor

(IC) dan arus basis (IB) disebut penguatan arus dc (dc current gain) dari transistor.

Gain arus dc ini kadang-kadang ditulis dengan dc = hFE = IC/IB.

Perbandingan karakteristik ketiga konfigurasi tersebut diperlihatkan pada tabel

5.2.

Tabel 5.2. Karakteristik tiga jenis konfigurasi penguat transistor

Item Rangkaian CE Rangkaian CB Rangkaian CC

Penguatan arus Tinggi Rendah (< 1) Tinggi (sama β)

Penguatan tegangan Tinggi Tinggi Kecil (< 1)

Penguatan daya Tinggi Sedang Sedang

Impedansi Input Sedang Rendah Tinggi

Impedansi Output Sedang Tinggi Rendah

Beda fasa output dan input

Beda fasa 180o Sefasa Sefasa

Karakteristik frekuensi tinggi

Kurang baik (cocok untuk penguat frekuensi rendah/audio)

Paling baik Baik

55

Dari ketiga konfigurasi tersebut, yang sering digunakan pada otomotif adalah

Common Emitter (CE), sehingga konfigurasi ini yang akan dijelaskan lebih lanjut.

Prinsip kerja transistor pada contoh rangkaian gambar 5.8, arus kecil pada

basis (B) yang merupakan input dikuatkan beberapa kali setelah melalui

Transistor. Arus output yang telah dikuatkan tersebut diambil dari terminal

Collector (C). Besar kecilnya penguatan atau faktor pengali ditentukan oleh

beberapa perhitungan resistor yang dihubungkan pada setiap terminal transistor

dan disesuaikan dengan tipe dan karakteristik transistor. Signal yang diperkuat

dapat berupa arus DC (searah) dan arus AC (bolak-balik) tetapi maksimal

tegangan output tidak akan lebih dari tegangan sumber (Vcc) Transistor.

Pada gambar 3.26, tegangan pada Basis dikuatkan oleh Transistor menjadi

besar. Perubahan besarnya tegangan output pada Collector akan mengikuti

perubahan tegangan input pada Basis.

Gambar 3.26. Contoh rangkaian transistor sebagai penguat

(Simulasi dengan NI Multisim 12.0)

56

Gambar 3.27. Bentuk signal input dan output penguatan

Pada gambar 3.27 terlihat bentuk gelombang tegangan input dan output. Pada saat

T2, tegangan puncak input = -99,790 mV dan tegangan puncak output = 2,754 V;

sehingga penguatan tegangan = 2,754V/-99,790mV = -27,6 (- berarti tegangan

input dan output berbeda fasa 180o).

3.8 Transistor Sebagai Saklar

Transistor bipolar adalah komponen yang bekerja berdasarkan ada-

tidaknya arus pemicuan pada kaki Basisnya. Cara yang termudah untuk

menggunakan sebuah transistor adalah sebagai sebuah switch (saklar), artinya

bahwa kita mengoperasikan transistor pada salah satu dari saturasi atau titik

sumbat, tidak pada sepanjang garis beban. Jika suatu transistor berada dalam

keadaan saturasi, transistor tersebut seperti sebuah switch yang tertutup dari

kolektor ke emitter. Jika transistor tersumbat (cut off), transistor seperti sebuah

switch yang terbuka. Rangkaian switching transistor dapat digambarkan seperti

pada Gambar 5.10a, sedangkan garis bebannya diperlihatkan pada Gambar 5.10b.

Arus basis dapat dihitung dari: IB RB + VBE – VBB = 0

IB = (VBB – VBE )/RB

57

Jika transistor terhubung-singkat antara kolektor dan emitter, maka arus kolektor:

IC = VCC/RC

Gambar 3.28. (a). Rangkaian switching transistor (b). Garis beban DC

Saat kondisi saturasi, transistor seperti sebuah saklar yg tertutup (on)

sehingga arus dapat mengalir dari kolektor menuju emitor. Sedangkan saat kondisi

cutoff, transistor seperti sebuah saklar yg terbuka (off) sehingga tidak ada arus yg

mengalir dari kolektor ke emitor.

Agar transistor dapat bekerja sebagai saklar, ada beberapa hal yg harus

diperhatikan diantaranya :

Menentukan Ic

Ic adalah arus beban yg akan mengalir dari kaki kolektor ke emitor. Besarnya

arus beban ini tidak boleh lebih besar dari Ic maksimum yang dpt dilewatkan

oleh transistor. Arus beban ini dapat dicari dengan persamaan berikut :

퐼 ( ) < 퐼 ( ) ← 푠푦푎푟푎푡

퐼 ( ) =푉푅

Menentukan hFE (penguatan) transistor

Setelah arus beban yg akan dilewatkan pada transistor diketahui maka

selanjutnya adalah menentukan transistor yg akan dipakai dgn syarat seperti

berikut.

ℎ > 5 푥 퐼 ( )

퐼 ( )

Switch tertutup

Switch terbuka

VCC/RC

VCC VCE

IC

58

Menentukan RB

Setelah transistor yg akan dipakai sebagai saklar telah ditentukan maka

selanjutnya adalah menentukan hambatan pada basis (RB). Besarnya RB ini

dapat dicari dengan persamaan berikut :

퐼 =퐼 ( )

ℎ

푅 =푉 − 푉

퐼

Gambar 3.29 memperlihatkan contoh pemakaian transistor untuk

menswitch relai 12V. Relai ini kemudian digunakan untuk mengaktifkan motor

DC 12V. Penambahan dioda D1 berfungsi sebagai proteksi transistor untuk

menghubung singkat tegangan induksi yang mungkin terjadi saat peralihan

kondisi dari on ke off.

Gambar 3.29. Contoh pemakaian transistor sebagai saklar

59

Contoh simulasi (menggunakan program NI Multisim 12.0) rangkaian transistor

sebagai saklar diperlihatkan pada gambar 3.30. Pada gambar 3.30a, tahanan R3

besar sehingga VBE lebih besar dari tegangan lutut dioda Basis-Emiter

mengakibatkan adanya arus basis (IB) dan arus kolektor (IC) mengalir. Pada

gambar 3.30b, tahanan R3 kecil, VBE kecil, IB mendekati nol, transistor off.

(a) Transistor Q1 konduksi

60

(b) Transistor Q1 tidak konduksi

Gambar 3.30. Simulasi rangkaian dasar transistor sebagai saklar

Pada aplikasi driver relay, transistor bekerja sebagai saklar yang pada saat

tidak menerima arus pemicuan, maka transistor akan berada pada posisi cut-off

dan tidak menghantarkan arus, Ic=0. Dan saat kaki basis menerima arus

pemicuan, maka transistor akan berubah ke keadaan saturasi dan menghantarkan

arus.

Gambar 3.31 adalah contoh rangkaian praktis driver relay. Komponen

aktif rangkaian tersebut adalah 2 buah transistor jenis NPN yang disusun secara

Darlington. Transistor ini berfungsi sebagai saklar elektronik yang akan

mengalirkan arus jika terdapat arus bias pada kaki basisnya, dan akan menyumbat

arus jika tidak terdapat arus bias pada kaki basisnya.

61

Gambar 3.31. Rangkaian driver relay dengan transistor

(http://telinks.files.wordpress.com/2010/04/relaydriver.jpg)

Untuk relay-relai kecil dengan tegangan kerja 5V – 24V, untuk lebih

menghemat biaya, transistor TIP31C dapat diganti dengan C828 atau NPN

sejenis. Untuk relai-relai besar, maka transistor TIP31C sudah lebih dari cukup

untuk mengaktifkan relai dengan mantap.

Contoh hasil simulasi dengan Multisim rangkaian penggerak relai (driver

relay) ditunjukkan pada gambar 3.32. Pada gambar 3.32a, saat R3 besar (dapat

diasumsikan sensor cahaya, LDR, dalam keadaan gelap), arus basis mengalir dan

mengaktifkan transistor Q1, sehingga arus mengalir pada relai K1 dan lampu

menyala (arus pada lampu, IL = 25W/12V = 2,083 A). Pada gambar 3.32b, saat

R3 kecil (dapat diasumsikan keadaan terang), arus basis tidak mengalir dan

transistor Q1 off, sehingga arus tidak mengalir pada relai K1 dan lampu tidak

menyala.

62

(a) Transistor Q1 on, relai K1 aktif, lampu nyala

(b) Transistor Q1 off, relai K1 tidak aktif, lampu padam

Gambar 3.32. Simulasi dengan Multisim rangkaian penggerak relai (driver relay)

63

3.9 Penutup

A. Kesimpulan

1. Berdasarkan sifat dioda yaitu dapat menghantarkan arus pada tegangan maju

dan menghambat arus pada tegangan balik, maka dioda dapat digunakan

sebagai penyearah (mengubah tegangan AC menjadi DC), mencegah

kerusakan peralatan elektronik akibat tertukarnya polaritas sumber tegangan

DC, dan sebagai sebagai anti shock tegangan pada rangkaian relai.

2. Dioda zener merupakan tulang-punggung pengatur tegangan, yaitu rangkaian-

rangkaian yang menjaga agar tegangan beban hampir konstan/tetap, walaupun

ada perubahan yang besar pada tegangan sumber dan resistansi (tahanan)

beban.

3. LED merupakan merupakan semikonduktor yang memancarkan cahaya

monokromatik yang tidak koheren ketika diberi tegangan maju.

4. Dioda foto adalah jenis dioda yang berfungsi mendeteksi cahaya, yang dapat

diaplikasikan pada penghitung kendaraan di jalan umum secara otomatis,

pengukur cahaya pada kamera, memberikan alarm peringatan ketika

seseorang melewati daerah terlindungi, dan lain-lain.

5. Operasi SCR sama dengan operasi dioda standar kecuali bahwa SCR

memerlukan tegangan positif pada gerbang untuk menghidupkan saklar. SCR

dapat diaplikasikan pada penyearah terkendali.

6. Terminal pada transistor sambungan bipolar (bipolar junction transistor, BJT,

sering disebut transistor saja) adalah Basis (B), Kolektror (C) dan Emiter (E),

sedangkan terminal pada transistor efek medan (field effect transistor, FET)

adalah Gate (G), Drain (D) dan Source (S).

7. Transistor adalah komponen aktif dengan arus, tegangan atau daya

keluarannya dikendalikan oleh arus masukan pada basis. FET dikendalikan

oleh tegangan.

8. Kurva kolektor transistor terbagi menjadi 3 daerah, yaitu jenuh (saturasi),

aktif, dan cut-off. Transistor sebagai penguat beropersi pada daerah aktif,

sedangkan transistor sebagai saklar bekerja pada daerah jenuh (saturasi) dan

cut-off.

64

B. Soal-Soal Latihan

1. Diketahui rangkaian catu daya, seperti pada gambar 3.33.

Identifikasi komponen-komponen elektronika dalam rangkaian tersebut, dan

jelaskan fungsinya masing-masing.

Gambar 3.33.

2. Jelaskan prinsip kerja dan aplikasinya dalam otomotif dari komponen

elektronika berikut.

a. Dioda Zener b. LED c. Dioda Foto (Photo Diode) d. SCR.

3. a. Jelaskan prinsip kerja dan karakteristik BJT.

b. Jelaskan prinsip kerja dan karakteristik FET.

4. Jelaskan cara kerja transistor sebagai penguat sinyal dan sebagai saklar.

TrafoRL1000 uF

R1

LED

R2

Z

SumberAC