Pengertian

Teknik Ototronik

Teknik Ototronik

BAB 8

LISTRIK DAN ELEKTRONIKA

8.1 Atom dan Elektron

Semua atom terdiri dari proton, neutron dan elektron. Proton me-ngandung muatan listrik positif dan neutron tidak mengandung muatan sama sekali. Proton dan neutron berada di dalam inti atom atau disebut nukleus. Di luar nukleus tersebut, ada partikel yang bermuatan negatif, disebut elektron. Atom dari setiap benda yang berlainan, berbeda dengan lainnya berdasarkan per-bedaan jumlah proton, neutron dan elektronnya. Jumlah proton dan elek-tron yang sama terjadi di dalam suatu atom. Dan hal ini disebut terjadinya keseimbangan secara elektris, dimana muatan positif dan negatif saling menghilangkan satu sama lain. Ketika di dalam suatu atom terdiri dari lebih 2 elektron, maka elektron-elektron ter-sebut tersusun pada kulit atom de-ngan jarak yang bervariasi.

Semua atom terikat bersama-sama oleh kekuatan daya tarik yang besar di antara nukleus (inti atom) dan elektron atom tersebut. Elektron yang

e

berada di kulit terluar dari suatu atom tertarik oleh nukleus (inti atom) dengan daya tarik yang lebih kecil daripada elektron yang lebih dekat dengan nukleus (inti atom).

Hal ini memungkinkan atom bisa kehilangan elektron, dimana atom pada kondisi ini disebut sebagai ion, dimana sudah tidak terjadi ke-seimbangan elektris lagi, tetapi ber-muatan positif dan mampu menarik elektron dari atom lain ke dalam dirinya. Elektron yang bisa berpindah dari satu atom ke atom lainnya disebut sebagai elektron bebas seperti gerakan yang acak yang terjadi secara terus-terusan dan tak terbatas. Elektron-elektron bebas ini banyak sekali terdapat di dalam bahan-bahan konduktor. Kita dapat membuktikan dengan cara memukul besi sekeras-kerasnya, maka akan terlihat percikan-percikan api yang meloncat kesana-kemari. Misal pada rel kereta api saat direm akan tampak percikan-percikan bunga api. Per-cikan-percikan api ini tidk lain adalah elekron-elektron bebas yang sempat meninggalkan daya tarik-menarik dari ikatan atom besi, dan meloncat keluar bertumbukan dengan udara. Bagai-manapun, jika tekanan secara elektris atau tegangan (voltage) diberikan pada material manapun, maka yang terjadi adalah kecenderungan elektron untuk pindah dengan arah tertentu. Gerakan elektron bebas ini diketahui sebagai aliran, yang mendasari sebuah aliran arus listrik. Dengan begitu, arus merupakan banyak se-dikitnya perpindahan dari suatu muat-an.

Konduktor adalah bahan yang berisi elektron yang terikat secara bebas oleh nukleus (inti atom) dan dengan mudah bisa berpindah dari

satu atom ke atom lainnya di dalam bahan tersebut. Contoh yang ter-masuk bahan ini adalah besi, tem-baga, emas dan lain-lain.

Isolator adalah bahan, dimana berisi elektron yang terikat dengan kuatnya oleh nukleusnya, sehingga dapat dipastikan bahwa bahan-bahan isolator hampir-hampir tidak dapat dapat mengalirkan aliran listrik. Contoh yang termasuk bahan ini adalah kertas, karet, plastik, gelas, lilin, aspal dan lain-lain.

Semikonduktor adalah bahan, dimana elektron-elektron bebas yang berada di dalam bahan ini sukar dan tidak bebas bergerak, tetapi karena kondisi atau faktor-faktor tertentu maka beberapa elektron yang berada di kulit/orbit luarnya dapat berpindah ke atom lainnya. Kondisi atau faktor-faktor tersebut misalnya adalah pengaruh suhu, cahaya, getaran dan lain-lain. Karena hal inilah maka bahan-bahan yang termasuk semi-konduktor dapat menghantarkan alir-an listrik. Contoh yang termasuk bahan-bahan ini adalah germanium

Gambar 8.2 Gerak Elektron Takberaturan

murni dan silikon. Bahan-bahan ini sangat besar manfaatnya bagi dunia elektronika, karena komponen-komponen elektronika (dioda dan

transistor) yang ada dan kita kenal

sekarang ini ada yang memakai bahan dasar ini. Komponen-kompo-nen ini akan kita pelajari di bab ini.

8.2 tentang dasar elektronika.

Satuan yang dipakai untuk mengukur banyak sedikitnya muatan listrik (Q) adalah Coulomb (dimana 1 Coulomb = 6.24 x 1018 elektron). Jika aliran elektron pada suatu konduktor berlangsung sebanyak 1 Coulomb setiap 1 detik , maka arus yang dihasilkan ini disebut arus 1 Ampere.

Dimana 1 Ampere = 1 Coulomb per detik atau 1 A = 1 C/s, maka 1 Coulomb = a Ampere detik atau 1 C = 1 As. Secara umum, jika I adalah arus dalam ampere dan t adalah waktu dalam detik selama terjadinya aliran arus, maka I x t merepresentasikan jumlah muatan listrik dalam Coulomb.

Dengan kata lain, jumlah muatan listrik adalah jumlah muatan elektron yang berpindah dari satu tempat ke tempat lain. Muatan listrik disimbolkan dengan huruf Q berasal dari bahasa inggris Quantum yang artinya banyaknya, dan diukur dengan satuan Coulomb.

Gambar 8.3 Gerak Elektron Beraturan

Jumlah muatan 1 Coulomb ditetapkan sebagai berikut : jumlah

muatan listrik yang dipindahkan sebanyak 1 Coulomb adalah bila aliran listrik mengalir sebesar 1 Ampere dalam waktu 1 detik. Pene-tapan ini disebut sebagai HUKUM COULOMB, dan dirumuskan seperti di bawah ini.

f

Dimana :

Q= jumlah muatan listrik (diukur

dengan satuan Coulomb)

I=aliran listrik (diukur dengan

satuan Ampere)

t=waktu (diukur dengan satuan

detik)

1 Coulomb= 1 Ampere x 1 detik atau

1 Coulomb= 1 Ampere detik.

Diketahui bahwa

It

Q

=

, maka

=

=

=

-

=

=

15

240

15

3

0.24x10

3

15x10

0.24

t

Q

I

16A

Muatan listrik,

It

Q

=

Coulombs

s

x

t

A

I

240

60

4

;

10

=

=

=

maka

=

=

240

10

x

Q

2400 C

8.2 Dasar Listrik

Pada bagian ini akan dipelajari tentang besaran listrik, pengukuran besaran listrik, hukum ohm dan hukum daya, rangkaian listrik dan kemagnetan.

8.2.1 Besaran Listrik

Untuk mempelajari tentang materi keteknikan khususnya listrik dan elektronika, pertama harus dide-finisikan besaran yang ada, me-nyangkut standar satuan, lambang dan singkatan. Tentunya standar yang digunakan merupakan sistem satuan internasional. Dalam suatu rekayasa, gejala fisis harus dapat diungkap secara kuantitatif dan dimengerti secara sama oleh setiap orang. Untuk itu diperlukan seperangkat satuan baku (standar) yang konsisten dan berlaku dimanapun di dunia ini.

Untuk teknik listrik dipakai sistem SI (Sistem internasional) yang me-makai meter sebagai satuan panjang, kilogram sebagai satuan massa, second/detik sebagai satuan waktu. Besaran dasar lainnya adalah suhu / temperatur, yang dalam sistem SI diukur dalam Kelvin. Untuk men-definisikan besaran-besaran listrik, diperlukan satuan tambahan dan ampere sebagai satuan arus listrik memenuhi keperluan tersebut. Kandela diperlukan untuk menyata-kan besaran intensitas cahaya.

Besaran listrik yang dipelajari pada bagian ini menyangkut apa itu arus listrik (I), tegangan listrik (V), hambatan listrik (R), daya listrik (P) dan energi listrik (E).

8.2.1.1 Tegangan Listrik

Agar setiap rangkaian elektronik bisa bekerja, kita harus memberikan sumber energi kepadanya. Sumber

energi ini berupa sumber tegangan. Besaran tegangan disimbolkan de-ngan huruf U/V, berasal dari bahasa jerman yaitu Ursache yang berarti penyebab. Tegangan merupakan pe-nyebab mengalirnya elektron-elektron, yang diukur dengan satuan Volt (V).

Kutub yang kekurangan elektron disebut kutub positf, sebaliknya kutub yang kelebihan elektron disebut kutub negatif. Perbedaan potensial yang besar antara kedua kutub tersebut menghasilkan tegangan tinggi. Contoh sumber tegangan adalah aki, baterai, dinamo, generator dan lain sebagainya.

Definisi setiap tegangan haruslah mencakup sepasang tanda plus-minus. Yang perlu disadari adalah bahwa pemberian tanda plus-minus ini merupakan tanda aljabar, bukan menunjukkan kekutubannya (polarity)

tegangan sesungguhnya, tetapi hanya sekedar perjanjian (konvensi) yang membolehkan kita berbicara dengan pasti mengenai beda te-gangan antara 2 titik ujung suatu rangkaian.

Sumber tegangan bisa berupa sumber tegangan ideal dan sumber tegangan riil. Suatu sumber tegangan yang ideal atau sempurna meng-hasikan tegangan output yang tidak bergantung pada nilai tahanan beban. Contoh yang paling seder-hana dari sumber ideal adalah se-buah baterai yang sempurna, yang tahanan dalamnya sama dengan nol.

Gambar 8.4 Tegangan Listrik sebagai akibat dari Jumlah Elektron

Sumber tegangan yang ideal akan selalu menghasilkan tegangan

12 Volt (apabila sumber tegangannya = 12 Volt) pada tahanan beban, tidak peduli pada nilai berapa tahanan beban yang di atur.

Sumber tegangan ideal tidak pernah bisa dijumpai di dalam praktek. Ia hanya ada dalam angan-angan kita sebagai sesuatu yang sifatnya teoritis. Sumber tegangan riillah yang bisa kita jumpai di dalam kenyataan. Sebagai contoh, jika baterai dengan tegangan 12 Volt diberikan tahanan beban lampu dengan kebutuhan daya yang besar,

maka tegangan beban jika kita ukur tidak sama persis 12 Volt. Bisa jadi berkurang sampai 11.99 Volt atau bahkan bisa di bawahnya, seolah-olah terjadi drop tegangan.

8.2.1.2 Arus Listrik

Dari penjelasan di atas dikatakan bahwa bila keadaan seimbangnya atom tidak berubah, ini berarti elektron-elektron bebas dari atom itu tidak menimbulkan suatu hal yang berguna karena sifatnya tersebut. Dimana sifat dari elektron-elektron bebas adalah selalu bergerak, loncat-meloncat kesana-kemari, dan saling mengisi tempat-tempat kosong yang ditinggalkan atau meninggalkan satu sama lainnya. Dapat disimpulkan bahwa gerakan elektron bebas pada suatu atom tersebut tidak beraturan dan tidak karuan.

Akan tetapi keadaan ini akan lain jika gerakan elektron-elektron bebas itu secara beraturan menuju ke satu arah tertentu, seperti terlihat pada gambar 8.3. Gerakan elektron-elektron ini terjadi secara teratur menuju satu arah. Mereka bergerak dari satu atom ke atom lainnya yang ada disebelahnya. Dan berpindah lagi ke atom yang ada disebelahnya. Gerakan elektron-elektron bebas semacam ini dinamakan Gerakan elektron bebas beraturan secara rapi menuju satu arah atau satu jurusan, atau disebut juga aliran elektron atau aliran listrik (arus listrik).

Pada gambar 8.3, kita dapat melihat gerakan elektron bebas yang beraturan dan rapi menuju satu arah atau satu jurusan, yakni bergerak dari satu atom ke atom lainnya yang berada dekat dengan atom pertama itu. Dan elektron bebas ini siap

diterima oleh atom yang kedua. Dan pada saat itu, elektron-elektron bebas yang bergerak di orbit/kulit terluar dari atom yang kedua ini, akan terdorong keluar oleh elektron-elektron bebas yang baru datang tadi. Elektron bebas dari atom yang kedua ini berpindah ke atom yang ketiga dan begitu terjadi seterusnya.

Demikianlah gerakan-gerakan elektron beba itu pergi dari satu atom ke atom lainnya lagi secara sambung-menyambung menempuh suatu jarak yang sangat pendek. Jadi jelaslah gerakan elektron bebas itu bukanlah mengalir dari satu ujung kawat ke ujung kawat yang lain lagi. Maka sebenarnya perkataan aliran elektron sungguh-sungguh tidaklah tepat. Menurut suatu penyelidikan, aliran listrik itu bergerak dengan kecepatan sekitar 300.000 km dalam satu detiknya atau sama dengan kecepatan cahaya.

Gambar 8.6 Arah Arus Listrik dan Arah Elektron

Secara umum arus listrik di definisikan sebagai perubahan mu-atan listrik per satuan waktu (dq/dt). Satuan arus adalah ampere (A), yang menyatakan banyaknya muatan yang mengalir dengan laju 1 C/s. Nama ampere diambil dari nama A.M. Ampere, seorang ahli fisika Perancis pada permulaan abad ke sembilan belas. Sering juga arus tersebut dinamai 1amp, tetapi nama ini tidak formal dan tidak resmi.

Sekarang yang menjadi per-tanyaan adalah bagaimana arah arus listrik ? Akan memudahkan kita untuk memikirkan arus sebagai pergerakan muatan positif, meskipun diketahui bahwa aliran arus di dalam suatu konduktor logam dihasilkan oleh elektron. Perlu kita sadari bahwa panah arus tidaklah menunjukkan arah aliran arus yang sesungguhnya, tetapi hanya se-kedar perjanjian (konvensi) untuk memperkenankan kita berbicara me-ngenai arus di dalam kawat dengan cara yang jelas. Panah tersebut adalah bagian fundamental dari de-finisi arus. Jadi, berbicara mengenai nilai sebuah arus tanpa menentukan panah adalah sama dengan mem-bicarakansesuatu yang tidak ter-definisi.

Arus listrik disimbolkan dengan huruf (I) berasal dari bahasa jerman, yaitu Intensitaet yang berarti Intensitas atau disebut besar arus = kuat arus.

Adanya aliran elektron tentunya ada penyebabnya. Contoh pada gambar 4.6 di atas yaitu aki, me-rupakan salah satu komponen yang bisa menimbulkan aliran elektron. Aki merupakan salah satu dari sumber aliran. Contoh yang lainnya adalah baterai, dinamo, generator, selalu terdapat 2 buah tempat penyam-bungan kawat-kawat luar. Tempat-tempat penyambungan ini disebut juga kutub-kutub dan diberi tanda positif (+) dan negatif (-). Tanda-tanda ini perlu karena pada kutub-kutub tersebut terdapat muatan listrik yang tidak sama sifatnya. Lebih jelasnya ada pada pembahasan mengenai apa itu tegangan (Volt). Pada kutub positif (+) terdapat atom-atom yang sangat kekurangan elektron, sehingga sudah jelas bahwa pada kutub ini tidak seimbang lagi muatannya. Karena kekurangan jum-lah elektron-elektron, maka kekuatan tenaga penyimpanan listrik positif dari proton merasakan lebih kuat daripada muatan tenaga penyimpanan listrik negatif dari elektron. Oleh sebab itu, pada kutub tersebut muatannya jelas POSITIF.

Demikian juga pada kutub negatif (-), terdapat atom-atom yang ke-kurangan tenaga penyimpanan listrik positif dari proton, sehingga pada kutub ini jelaslah sudah tidak seimbang lagi muatannya. Karena kekurangan jumlah tenaga pe-nyimpanan listrik positif dari proton, maka kekuatan tenaga penyimpanan listrik negatif dari elektron merasakan lebih kuat daripada muatan tenaga penyimpanan listrik positif dari proton. Oleh sebab itu maka pasa kutub ini muatannya jelas NEGATIF.

Dengan demikian berarti bahwa di antara kutub-kutub POSITIF dan NEGATIF muncul suatu perbedaan kekuatan yang tersembunyi di dalamnya, yang selalu ingin me-ngembalikan keseimbangannya lagi bila ada kesempatan. Hal ini akan tercapai jika antara kutub-kutub ter-sebut dipasangkan sepotong kawat (berbahan konduktor). Dengan cara seperti ini, maka terjadilah suatu gerakan elektron bebas yang be-raturan secara rapi dan menuju satu arah atau satu jurusan (terjadi aliran listrik) di dalam kawat tersebut. Jelasnya adalah adanya pemindahan sejumlah elektron dari kutub negatif ke kawat tersebut. Sedangkan dari kutub yang merasakan kekurangan jumlah muatan negatif (kekurangan elektron-elektron), akan menambah-kan pada dirinya sejumlah elektron-elektron pada dirinya (kutub positif tersebut).

Gerakan elektron bebas yang beraturan secara rapi menuju satu arah (disebut terjadi aliran listrik) ini akan berlangsung terus nenerus selama perbedaan kekuatan antara kutub positif dan negatif yang ter-sembunyi di dalam sumber te-gangan tersebut masih ada dan kawat untuk mengalirkan arus listrik tersebut masih tersambung.

Yang menjadi pertanyaan beri-kutnya adalah bagaimana hubungan antara tegangan (sumber teganga) dengan arus listrik ? jawaban dari pertanyaan ini bisa dilihat pada ilustrasi pada gambar 8.7 (Ilustrasi Hubungan antara Tegangan dan Arus Listrik). Pada gambar tersebut ter-dapat 2 buah penampung air dengan ketinggian yang berbeda. Sehingga karena adanya perbedaan ketinggian inilah maka terdapat energi potensial yang lebih besar pada penampung air yang lebih tinggi (disimbolkan dengan huruf U besar) dibandingkan dengan penampung air dengan ketinggian yang rendah (disimbolkan dengan huruf U kecil).

Dari kedua penampung air itu disambungkan pipa dengan diameter, panjang dan bentuk yang sama. Sehingga faktor penghambat dari pipa tersebut adalah sama. Apa yang kemudian terjadi jika kedua orang yang berada di masing-masing penampung air tadi membuka kran secaa bersamaan ? tentunya jawa-bannya sudah pasti bahwa akan terjadi pancaran air yang deras dari ujung pipa dengan penampung air yang lebih tinggi dibandingkan pancaran air dengan penampung air yang rendah. Dalam hal ini arus listrik diilustrasikan dalam bentuk pancaran air tersebut. Sedangkan tegangan diilustrasikan dalam bentuk penam-

pung yang berisi air dengan ke-tinggian yang berbeda. Dari ilustrasi di atas dapat disimpulkan bahwa hubungan antara tegangan dan arus adalah sebanding. Semakin besar tegangan yang diberikan pada suatu beban maka arus listrik yang mengalir pada beban tersebut adalah semakin besar pula, sebaliknya semakin kecil tegangan yang diberikan pada suatu beban, maka arus listrik yang mengalir pada beban tersebut akan semakin kecil pula.

8.2.1.3 Hambatan/Tahanan Listrik

Tahanan disimbolkan dengan huruf R, berasal dari bahasa jerman Resistanz yang berarti tahanan atau hambatan., diukur dengan satuan Ohm (

W

). Tahanan merupakan hambatan-hambatan yang di alami oleh elektron-elektron selama perpindahannya dari satu tempat ke tempat lainnya.

Benda-benda yang sedang ber-gerak, selalu akan menemui ham-batan-hambatan atas gerakan-gera-kannya. Seperti halnya sewaktu kita menaiki sepeda motor. Dengan mem-bungkukan badan sewaktu menyetir, maka laju sepeda motor akan lebih kencang jika dibandingkan sewaktu kita menyetir dengan posisi badan yang tegak, pada kondisi jalan yang sama datarnya dan bukaan katup gas yang sama. Tentunya yang menjadi hambatan ini adalah udara atau angin.

Demikian juga pada aliran air pada pipa tertentu (lihat gambar 8.8 dan gambar 8.9). Jika penahannya besar maka gerakannya jadi per-lahan-lahan atau sama sekali ber-henti, dan jika penahannya kecil, maka gerakannya akan semakin cepat (volume tiap satuan waktu dari air yang berpindah semakin besar). Di dalam pipa tersebut dipasangkan sebuah katup (klep) yang me-nyebabkan air hanya dapat mengalir dari a ke b saja dengan tidak mendapatkan perlawanan yang berarti. Oleh tekanan air dari a ke b, katup itu terbuka hingga air mengalir (lihat arahnya sesuai arah anak panah), tahanan sangat kecil sekali. Tetapi jika katupnya ditutup, maka tidaklah mungkin air bisa mengalir dari a ke b (lihat gambar 8.9). Hal ini berarti air mendapatkan penahanan yang besar. Besar penahanan yang diberikan ke air yang mengalir tergantung dari tiga hal, yaitu :

a. Besar kecilnya garis tengah pipa

b. Jenis dan bentuknya pipa

c. Panjang dan pendeknya pipa.

Jika pipa tersebut mempunyai garis tengah (diameter) besar, maka penahanan terhadap pengaliran air itu adalah kecil. Sebaliknya jika pipa itu berdiameter kecil maka pena-hanan terhadap pegaliran air itu

adalah besar, sehingga aliran air mendapatkan kesulitan untuk me-ngalir (aliran/debit air kecil).

Gambar 8.9 Ilustrasi hambatan dengan Aliran Air yang terhambat sama sekali

Sesuai jenis atau macamnya yaitu jika didalam pipa tersebut dibuat licin dan lurus-lurus, maka pena-hanan pengaliran air adalah kecil dan hal ini menyebabkan air mudah mengalir. Sebaliknya jika di bagian dalam dari pipa tersebut dibuat kasar dan bengkok-bengkok, maka pena-hana terhadap pengaliran air tersebut adalah besar. Hal ini berarti bahwa air tersebut susah menga-lirnya.

A

l

R

.

r

=

Jika pipa tersebut dibuat panjang ataukah pendek, maka penahanan terhadap pengaliran air itu akan itu akan mempengaruhinya juga. Se-makin panjang berarti semakin be-sarlah penahannya terhadap penga-liran air itu. Jika pipa berukuran pendek, maka penahanan terhadap pengaliran itu adalah kecil. Sehingga semakin pendek ukuran dari sebuah pipa, maka enahanan terhadap pengaliran air adalah kecil. Ilustrasi ini berlaku pula pada arus listrik (i) dan tahanan/hambatan listrik (R). Untuk itu besar tahanan listrik pada suatu konduktor tergantung pada :

a. Panjang penghantar.

b. Hambatan jenis penghantar.

c. Diameter penghantar.

Besarnya tahanan atau ham-batan listrik dari tiap jenis logam telah ditetapkan sebagai berikut : jika bentuk dari logam itu sebagai kawat yang panjangnya 1 meter dengan luas irisan 1 m2 pada 15o Celcius, maka tahanan atau hambatan listrik (Ohm/

W

) yang diukur pada kondisi ini dinamakan hambatan jenis dari logam yang bersangkutan. Hambatan jenis disingkat dengan huruf Yunani

r

(baca rho). Lihat pada tabel 8.3 yang berisi hambatan-hambatan jenis dari berbagai logam dan logam cam-puran yang penting pada suhu 15o Celcius.

Dari sekian banyaknya logam dan logam campuran, maka perak dan tembagalah yang memiliki ham-batan jenis yang paling kecil. Untuk alat-alat kontak yang harus dilalui aliran listrik yang besar selalu dipakai dari logam-logam perak atau platina. Untuk pembuatan kabel-kabel yang menghubungkan antara komponen elektronika satu dengan yang lainnya dipakai tembaga sebagai bahannya. Sedangkan logam-logam campuran seperti nickelinne, konstantaan, kruppine, manganine, yang ke-semuanya merupakan logam dengan nilai tahanan yang besar, dipakai untuk pembuatan lampu-lampu listrik, seterika listrik, solder listrik, alat pe-manas listrik dan lain sebagainya.

Di atas sudah dijelaskan bah-wa besarnya penghantar listrik dari sepotong kawat penghantar diten-tukan oleh :

l=panjang kawat penhantar

A=luas penampang kawat penghantar

r

=hambatan jenis (dibaca rho) kawat penghantar

Hubungan antara p, A dan

r

diatur sebagai berikut :

1. Besarnya hambatan listrik adalah sebanding dengan panjangnya ka-wat penghantar. Artinya semakin besar panjangnya maka hambatan listrik juga semakin besar pula.

2. Besarnya hambatan listrik adalah sebanding dengan hambatan jenis kawat penghantar. Artinya semakin besar hambatan jenisnya, maka hambatan listrik juga semakin besar pula.

3. Besarnya hambatan istrik adalah berbanding terbalik dengan luas penampang kawat penghantar. Artinya semakin besar luas pe-nampangnya, maka hambatan listrik akan semakin kecil.

Gambar 8.10 Ketergantungan Hambatan listrik pada Penghantar

Sehingga dari hubungan di atas, bisa dirumuskan sebagai berikut :

W

dimana : R=hambatan listrik (Ohm =

W

)

l=panjang kawat penghantar(meter)

r

=hambatan jenis (

W

mm2/m)

A=luas penapang kawat

Penghantar (m2)

a

Diketahui dari tabel 8.3 bahwa

r

tembaga adalah 0.0175

W

mm2/m.

A

l

R

.

r

=

= (0.0175

W

mm2/m x 10000 m )/5 mm2

= 35

W

Diketahui bahwa A =

2

r

p

, dimana

14

.

3

=

p

, r = jari-jari kawat, r = d/2 =

2

2

mm

= 1 mm. Maka A = 3.14 x (1 mm)2 = 3.14 mm2. Sehingga

A

l

R

.

r

=

= (0.063

W

mm2/m x 1200 m )/3.14 mm2

= 24.5

W

Panas yang terjadi di dalam ataupun di luar tahanan, akan mem-pengaruhi besar suatu hambatan pada sebuah penghantar.Panas yang terjadi di dalam suatu penghantar bisa terjadi karena adanya aliran-aliran listrik yang mengalir di dalamnya. Sedangkan panas yang terjadi di luar penghantar tersebut, disebabkan karena penghantar ter-sebut memamng berada di dekat sumber panas dari luar. Semakin dekat penghantar tersebut dengan sumber panas dari luar, maka akan menyebabkan penghantar tersebut semakin mempunya habatan/tahanan yang besar. Secara ringkas, dapat dikatakan bahwa besarnya hambatan atau tahanan sebuah penghantar dipengaruhi oleh suhu pada peng-hantar tersebut.

D

Semakin besar suhunya, maka semakin besar pula hambatan / - tahanan penghantar tersebut. Peru-bahan besarnya hambatan tiap Ohm dari suatu jenis logam yang dise-babkan karena adanya perubahan suhu sebesar 1o Celcius, dinamakan konstanta pemuaian panas atau koe-fisien panas , disimbolkan

a

(alpha).

Logam mempunyai koefisien pa-nas positif, sedangkan arang gas dan zat cair mempunya nilai koefien panas negatif. Pada tabel 4.3 dimuat besarnya koefisien panas untuk logam-logam yang penting. Sebagai misal, jika suhu naik sebesar 1o Celcius, maka tiap-tiap 1 Ohm hambatan yang berbahan tembaga akan bertambah sebanyak 0.004

W

. Ini berarti bahwa koefisien panas dari tembaga adalah 0.004. Umpamanya sepotong kawat tembaga mempunyai hambatan sebesar 100

W

, dan suhu dinaikkan sebesar 1o C, maka

hambatan akan menjadi :

Rt = R + (R x

a

x

D

t)

= 100 + (100 x 0.004 x 1)

= 100.4 C

Jika suhu dinaikkan sebesar 10o C, maka hambatan akan menjadi :

Rt = R + (R x

a

x

D

t)

= 100 + (100 x 0.004 x 10)

= 104 C

Rumus yang menyatakan bahwa hambatan dipengaruhi oleh suhu ada-lah sebagai berikut :

Dimana : Rt=hambatan setelah ter-jadi

perubahan suhu (

W

).

R =hambatan sebelum terjadi perubahan suhu (

W

).

Tabel 8.3 Hambatan Jenis dan Konstanta Bahan dari Penghantar

Bahan

r

pada 15o C (

W

mm2/m)

Koefisien Panas (

a

)

Logam :

Tembaga

0.0175

0.004

Besi

0.12

0.0045

Perak

0.016

0.0036

Seng

0.061

0.0037

Wolfram

0.055

0.004

Aluminium

0.03

0.0039

Platina

0.095

0.0024

Logam Campuran :

Nickeline

0.42

0.0002

Manganine

0.42

0.00001

Kuningan

0.08

0.0015

Rheotaan

0.47

0.00023

Brons

0.03

0.001

Kruppine

0.85

0.00077

Perak-berlin

0.3

0.0002

Arang (grafit)

100 - 1000

-0.0003 0.0007

a

=koefisien panas (bisa

bernilai positif atau negatif)

D

t=perubahan suhu (oC)

Sesuai tabel 8.3, koefisien panas (

a

) untuk wolfram adalah 0.004 dan

r

= 0.055

W

mm2 pada suhu 15 oC. Maka

D

t = 40 oC 15 oC = 25 oC. Sehingga

A

l

R

.

r

=

= (0.055

W

mm2 /mx 100m) /2 mm2 = 2.75

W

.

Sehingga hambatan kawat wolfram tersebut pada suhu 40o C adalah :

Rt=R(1 +

a

.

D

t)

=2.75(1 + 0.004 x 25)

=2.7775

W

Gambar 8.11 Ilustrasi Hubungan antara Hambatan dan Arus Listrik

Sekarang yang menjadi per-tanyaan adalah bagaimana hubungan antara arus listrik dan hambatan listrik. Pada gambar 8.11 bisa di-jelaskan bagaimana pengaruh ham-batan listrik terhadap besaran listrik lainnya, yaitu arus listrik. Pada gambar tersebut terdapat sumber tegangan yang sama besar, yaitu U besar (diilustrasikan sebagai pe-nampung air yang ketinggiannya sa-ma). Tampak juga bahwa pipa yang digunakan untuk menyalurkan air ber-beda penampangnya dengan panjang pipa yang sama. Sudah dijelaskan di atas bahwa semakin kecil penam-pang dari pipa, maka penahanan terhadap air adalah besar (simbol R besar), berbeda dengan pipa yang satunya yang berada di sebelah kanan, menggunakan luas penam-pang yang besar, sehingga terjadi penahanan air yang kecil pula (simbol R kecil). Apa yang terjadi jika kedua katup/kran di kedua pipa tersebut dibuka bersamaan ? tentunya yang terjadi adalah pipa dengan luas penampang yang besar akan me-nghasilkan debit air yang besar pula dibandingkan dengan pipa dengan luas penampang yang kecil. Dalam hal ini, jumlah debit air diilustrasikan sebagai arus listrik. Dapat disim-pulkan bahwa semakin besar tahanan listrik, maka semakin kecil arus listrik yang mengalir. Sebaliknya jika se-makin kecil tahanan listrik, maka semakin besar arus listrik yang di-hasilkan, dengan kondisi pada te-gangan yang sama pada suatu be-ban.

8.2.1.4 Arus searah (DC)

Muatan yang bergerak memberikan kenaikan pada arus (I). dimana memiliki karakteristik dari intensitasnya yang diukur dalam amper. Arah aliran dan besarnya dari arus searah.

Arah dari aliran arus dan pengukuran aliran arus dari kutub positif ke kutub negatif dari luar sumber arus

bisa dianggap sebagai positif (pada kenyataanya electron bergerak dari kutub negatif ke kutub positif).

Amperemeter (A) dalam rangkaian mengukur aliran arus; tegangan terukur oleh voltmeter (V) terhubung secara parallel.

Hukum Ohm

Hukum ohm didefinisikan dari hubungan antara tegangan dan arus dalam konduktor padat dan cair.

U=R x I

Konstanta kesebandingan R bisa disebut ohmic resistansi dan terukur dalam satuan ohm ((). Kebalikan dari resistansi adalah konduktansi (G)

G = 1/R

8.2.1.5 Daya Listrik

Daya listrik pada suatu rangkaian listrik merupakan hasil produk dari beda tegangan dan arus listrik. Semakin besar beda tegangan dan arus listrik yang ada pada rangkaian tersebut, maka semakin besar pula daya listrik-nya. Daya lis-trik bisa dijelaskan dengan mudah jika kita ilustrasikan seperti pada gambar 8.12. Pada gambar 8.12 sebelah kiri, dengan tekanan aliran air yang kecil (aliran air kecil) maka putaran kincir yang disambungkan dengan peralatan untuk memutar dalam proses pembuatan barang-barang yang berbahan tanah liat. Tampak bahwa di gambar tersebut, aliran air yang kecil hanya mampu untuk memutar 1 peralatan pem-buatan barang-barang yang berbahan tanah liat. Berbeda dengan gambar sebelah kanan, dengan tekanan air yang besar (aliran air besar) maka tenyata mampu untuk

menggerakkan peralatan tersebut le-bih banyak. Sehingga dengan kata lain, semakin besar tekanan air yang diberikan, maka daya yang dihasilkan akan semakin besar pula. Sebaliknya jika semakin kecil tekanan air yang diberikan, maka akan semakin kecil pula daya yang dihasilkan.

8.2.2 Rangkaian Listrik

Rangkaian listrik yang umum ada adalah rangkaian seri dan paralel ataupun campuran keduanya berupa rangkaian campuran.

8.2.2.1 Rangkaian Seri

Rangkaian seri atau rangkaian berderet dapat dilihat seperti pada gambar dibawah :

Gambar 8.13 Gambar Rangkaian Seri

Pada hambatan yang dirangkai secara seri bila ditinjau dari hukum ohm maka menjadi :

Rt = R1 + R2 + ... + Rn

Sehingga nilai hambatan total adalah penjumlahan dari semua nilai ham-batan yang ada.

8.2.2.2 Rangkaian Paralel

Namum untuk rangkaian paralel bisa dilihat gambar 8.14 berikut

Gambar 8.14 Gambar Rangkaian Paralel

Nah pada gambar diatas adalah hambatan yang dirangkai secara paralel dimana bila ditinjau dari hu-kum ohm maka akan menjadi :

Rt =

Rn

R

R

1

...

2

1

1

1

+

+

+

8.2.2.3 Pembagi tegangan dan arus

Pada rangkaian seri dan paralel juga dikenal rumus pembagi tega-ngan dan rumus pembagi arus. Perlu diingat dan dipahami pada rangkaian seri yang berlaku adalah rumus pem-bagi tegangan karena pada rangkaian seri tegangan akan terbagi sebanyak hambatan yang terpasang sedangkan arus yang melewati rangkaian adalah sama disetiap titik rangkaian.atau berlaku sebagai berikut :

Vt = VR1 + VR2 + ... + VRn

dan It = I1 = I2 = ... = In

Sedangkan pada rangkaian para-lel berlaku kebalikan dari rangkaian seri dimana yang berlaku adalah rumus pembagi arus, dimana arus akan terbagi pada tiap titik pe-ngukuran sedangkan tegangan yang melalui semua hambatan adalah sa-ma atau berlaku sebagai berikut :

Vt = V1 = V2 = ... = Vn dan

It = I1 + I2 + ... + In

Rumus pembagi tegangan :

xVt

Rn

R

R

Rx

Vx

+

+

+

=

...

2

1

Dimana Vx adalah tegangan yang dicari pada hambatan (Rx) yang ingin diketahui tegangannya.

Rumus pembagi arus :

Ix =

xIt

Rn

Rn

R

R

Rn

R

R

+

+

+

+

+

+

+

...

2

1

...

2

1

Dimana Ix adalah arus yang dicari yang mengalis pada hambatan (Rx) yang ingin diketahui arusnya.

Nah dari kedua rangkaian tersebut dapat digabungkan menjadi rangkaian campuran. Contoh rang-kaian campuran seperti gambar 8.15.

Gambar 8.15 Gambar Rangkaian Campuran

Dari gambar 8.15 karena me-rupakan rangkaian campuran maka perlu disederhanakan untuk menge-tahui nilai Rt (total) dimana seperti dalam rangkaian tersebut terdapat 2 hambatan yang diparalel kmudian di seri dengan 1 buah hambatan makan untuk penyelesaiannya dicari dulu R12 dengan rumus :

R12 =

2

1

1

1

R

R

+

Setelah itu dapat dicari Rt dengan rumus:

Rt = R12 + R3

Untuk menyederhanakan rangkaian campuran perlu disederhanakan terlebih dahulu bisa di seri dahulu ataupun di parallel dulu.

Gambar 8.16 Contoh Gambar Model Rangkaian Campuran yang lain.

Berapakah Rt dari rangkaian diatas?

8.2.3 Kemagnetan

Magnet alam adalah senyawa logam Fe3O4 yang dapat menarik beberapa jenis logam lain yang mengandung logam besi. Sifat dari magnet tersebut bersifat permanen.

Gambar 8.17 Gambar Magnet alam masih berbentuk batuan

Magnet jenis yang lainnya adalah magnet buatan lihat gambar 8.18. Magnet buatan dibuat dari bahan besi baja yang dibuat menjadi magnet, cara pembuatanya bisa dengan

menggunakan besi baja yang digosokan pada magnet alam sehingga besi baja tersebut ikut memiliki daya kemagnetan yang tidak permanen atau bisa hilang.

Nah magnet yang ketiga adalah magnet listrik yang mana dibuat dari besi baja yang dililit dengan kawat tembaga dan diberi aliran listrik sehingga besi baja tersebut memiliki daya kemagnetan yang tidak permanen atau bisa hilang.

Namun perlu diingat arus listrik yang diberikan harus arus listrik searah atau DC (Direct Current) agar bisa terbentuk medan magnet yang memiliki dua kutub. Kutub utara dan kutub selatan.

Gambar 8.18 Gambar Magnet buatan mulai dari sebelah kiri magnet batang, magnet U

Gambar 8.19 Gambar Magnet listrik

Baik magnet alam, magnet bu-atan dan magnet listrik semuanya memiliki dua kutub utara dan selatan. Apabila dua kutub yang sama di-dekatkan maka akan saling tolak menolak,

Gambar 8.20 Gambar Magnet yang sama kutub

Sedangkan bila dua kutub yang berbeda didekatkan maka akan saling tarik menarik.

Gambar 8.21 Gambar Magnet yang berbeda kutub

Gambar 8.22 Kutub yang sama bila berhimpitan maka akan memperkuat medan magnet

Dari gambar 8.22 diatas dapat di-simpulkan apabila dua buah magnet didekatkan dengan posisi kedua ku-tub magnet yang sama berhimpitan maka kedua magnet tersebut akan saling memperkuat medan magnet yang dihasilkan.

Gambar 8.23 Kutub yang beda bila berhimpitan maka akan memperlemah medan magnet

Sedangkan dari gambar 8.23 bila kedua kutub yang berbeda dihim-pitkan maka akan saling memper-lemah medan magnet yang dihasil-kan.

Perlu diperhatikan magnet buat-an dan magnet listrik daya magnet-nya dapat hilang. Hal-hal yang dapat merusak kemagnetan adalah :

Jika magnet batang dipanaskan, maka kemagnetannya berkurang atau hilang

Jika magnet dipukul maka kemagnetannya akan menjadi rusak (hilang)

Gambar 8.24 Perlakuan yang tidak boleh pada magnet

Pada magnet medan yang ter-kuat adalah pada ujung-ujung dari magnet tersebut.

Gambar 8.25 Medan magnet dari

magnet U

Gambar 8.26 Medan magnet dari magnet batang

Garis garis gaya menunjukkan arah kerja gaya magnet dan luas yang digambarkan oleh garis garis gaya menunjukkan medan gaya mag-net sehingga makin kuat gaya kemagnetan, maka akan makin padat

garis-garis gayanya

8.2.3.1 Magnet Listrik

Magnet listrik pada dasarnya logam yang dialiri arus listrik sehing-ga membangkitkan medan magnet.

Gambar 8.27 Gambar arah garis gaya magnet

Arah dari garis gaya magnet dapat dijabarkan dengan kaidah tangan kiri seperti gambar dibawah :

Gambar 8.28 Gambar kaidah tangan kiri

Pada aturan kaidah tangan kiri ibu jari menunjuk keatas dimana merupakan arah arus listrik sedangkan keempat jari yang lainnya menunjukkan arah garis gaya magnet.

Gambar 8.29 Gambar Arah elektron

Seperti dapat dilihat pada gambar 8.29 garis garis gaya mag-net merupakan lingkaran - lingkaran yang berpusat pada penghantar dan arahnya tergantung pada arah arus listrik.

Ada beberapa cara untuk memperkuat medan magnet yang dihasilkan yaitu penghantar yang digunakan digulung menjadi kumparan semakin banyak kumparan maka semakin besar medan magnet yang dihasilkan semakin kuat, memperbesar arus yang dialirkan pada kumparan atau dapat juga pada inti atau pusat kumparanya diisi dengan besi.

Gambar 8.30 Gambar kaidah tangan kiri

Gambar 8.30 menjelaskan bah-wa jika tangan kiri menggenggam kumparan, jari jari menunjukkan arah aliran elektron, maka ibu jari menunjukkan arah ujung kutub utara. Dari beberapa pen-jelasan diatas penggunaan magnet listrik pada dunia otomotif banyak sekali contohnya relay, motor starter, altenator all.

8.2.3.2 Relay

Relay adalah komponen elek-tronika berupa saklar elektronik yang digerakkan oleh arus listrik. Secara prinsip, relai merupakan tuas saklar dengan lilitan kawat pada batang besi (solenoid) di dekatnya. Ketika solenoid dialiri arus listrik, tuas akan tertarik karena adanya gaya magnet yang terjadi pada solenoid sehingga kontak saklar akan menutup. Pada saat arus dihentikan, gaya magnet akan hilang, tuas akan kembali ke posisi semula dan kontak saklar kembali terbuka.

Gambar 8.31 Gambar contoh dari relay

Relay biasanya digunakan untuk menggerakkan arus/tegangan yang besar (misalnya peralatan listrik

4 ampere AC 220 V) dengan memakai arus/tegangan yang kecil (misalnya 0.1 ampere 12 Volt DC). Dalam pemakaiannya biasanya relay yang digerakkan dengan arus DC dilengkapi dengan sebuah dioda yang di-paralel dengan lilitannya dan dipasang terbalik yaitu anoda pada tegangan (-) dan katoda pada tegangan (+). Ini bertujuan untuk mengantisipasi sentakan listrik yang terjadi pada saat relay berganti posisi dari on ke off agar tidak merusak komponen di sekitarnya.

Penggunaan relay perlu mem-perhatikan tegangan pengontrolnya serta kekuatan relay menswitch arus/tegangan. Biasanya ukurannya tertera pada body relay. Misalnya relay 12VDC/4 A 220V, artinya tegangan yang diperlukan sebagai pengontrolnya adalah 12Volt DC dan mampu men-switch arus listrik (maksimal) sebesar 4 ampere pada tegangan 220 Volt. Sebaiknya relay difungsikan 80% saja dari kemampuan maksimalnya agar aman, lebih rendah lagi lebih aman.

DIODE

RELAY

SWITCH

TRANSISTOR

RESISTOR

RESISTOR

+12V

INPUT

Gambar 8.32 Contoh gambar penerapan relay

Pada gambar 8.32 terlihat ada sebuah dioda sebagai pengaman tegangan tinggi dan sebuah transistor sebagai penggerak relay.

8.2.3.3 Transformator

Transformator atau sering juga disebut trafo adalah komponen yang berfungsi untuk mengubah (menaikkan/menurunkan/melewatkan) tegangan listrik bolak-balik (AC).

Bentuk dasar transformator adalah sepasang ujung pada bagian primer dan sepasang ujung pada bagian sekunder. Bagian primer dan sekunder adalah merupakan lilitan kawat email yang tidak berhubungan secara elektris. Kedua lilitan kawat ini dililitkan pada sebuah inti yang dinamakan inti trafo.

Pada penggunaannya trafo juga digunakan untuk mengubah impe-dansi.

Untuk penggunaan pada umum-nya trafo frekuensi rendah contohnya adalah trafo penurun tegangan (Step Down Trafo) yang digunakan pada peralatan - peralatan elektronik te-gangan rendah, adaptor, pengisi battery dsb. Trafo jenis ini jika pada bagian primernya kita hubungkan dengan tegangan AC misalnya 220 volt maka pada bagian skundernya akan mengeluarkan tegangan yang lebih rendah. Pada rangkaian tersebut trafo berfungsi untuk menurunkan tegangan AC dari jala-jala PLN yang 220 volt menjadi sebesar tegangan yang dibutuhkan peralatan tersebut agar dapat bekerja normal, misalnya 3 volt, 6 volt atau 12 volt dsb.

Sementara itu trafo penaik tegangan (Step Up Trafo) adalah kebalikan dari step down trafo yaitu untuk menaikkan tegangan listrik AC. Sebuah trafo penurun tegangan bisa juga kita gunakan untuk menaikkan

tegangan dengan membalik bagian primernya menjadi sekunder dan bagian sekunder menjadi primer, tentu dengan memperhatikan te-gangan kerja trafo tersebut.

Dari contoh pada gambar 8.33 didapat persamaan :

Ip

Is

Ns

Np

Us

U

=

=

Prinsip trafo penurun tegangan adalah jumlah lilitan primernya lebih banyak dari pada jumlah lilitan sekundernya. Sedangkan

Trafo penaik tegangan memiliki jumlah lilitan primer lebih sedikit dari pada jumlah lilitan sekundernya. Jika dilihat dari besarnya ukuran kawat email yang digunakan, trafo penurun tegangan memiliki ukuran kawat yang lebih kecil pada lilitan primernya. Sebaliknya trafo penaik tegangan memiliki ukuran kawat yang lebih besar pada lilitan primernya. Hal ini dikarenakan pada trafo penurun te-gangan output (keluaran) arus listriknya lebih besar, sedangkan trafo penaik tegangan memiliki output arus yang lebih kecil.

Sementara itu frekuensi te-gangan pada input dan outputnya tetap (tidak ada perubahan). Parameter lain adalah efisiensi daya trafo. Da-lam kinerjanya trafo yang bagus memiliki efisiensi daya yang besar (sekitar 70-80%). Daya yang hilang biasanya keluar menjadi kalor/panas yang timbul pada saat trafo bekerja. Trafo yang memiliki efisiensi tinggi dibuat dengan teknik tertentu dengan memperhatikan bahan inti trafo, kerapatan lilitannya serta faktor2 lainnya.

Gambar 8.33 Gambar prinsip transformator

Gambar 8.34 Gambar prinsip koil pengapian.

Contoh penggunaan trafo dalam kendaraan adalah pada rangkaian koil pengapian seperti pada gambar 8.34. Namun prinsip kerjanyanya berbeda dari transformator biasa dimana tegangan DC (searah) yang berasal dari battery diberikan pada lilitan primer yang kemudian di-putuskan secara cepat sehingga timbul induksi melalui lilitan sekunder yang menaikkan tegangan menjadi sekitar kurang lebih 25.000 volt se-hingga mampu memercikkan bunga api pada busi.

Perubahan medan magnet pada lilitan sekunder (perlu untuk mem-peroleh induksi) tercapai dengan cara menghubungkan dan memutuskan arus pada lilitan primer. Pada saat arus primer diputus, secara tiba - tiba perubahan medan magnet jatuh sampai nol akibatnya timbul tegangan induksi yang tinggi pada kumparan sekunder (hanya selama perubahan tersebut). Karena tegangan induksi

yang tinggi maka timbul bunga api. Waktu bakar bunga api yang timbul hanya sekitar ( 2 ms (milli detik).

8.2.3.4 Motor Listrik

Motor listrik adalah alat untuk mengubah energi listrik menjadi energi mekanik. Alat yang berfungsi sebaliknya, mengubah energi mekanik menjadi energi listrik disebut generator atau dinamo. Motor listrik dapat ditemukan pada peralatan rumah tangga seperti kipas angin, mesin cuci, pompa air dan penyedot debu.

Motor listrik dibedakan menjadi dua kategori yang berbeda: DC(Direct Current) dan AC(Alternatif Current).

Motor listrik AC mempunyai keuntungan desain yang simple, harga

yang relatif murah, bentuk yang ber-variasi dan mudah dicari penggantinya sedangkan kerugiannya adalah memerlukan alat yang rumit untuk

melakukan pengendalian kecepatan,

sangat susah untuk bekerja pada kecepatan rendah dan sulit untuk digunakan pada kebutuhan yang membutuhkan kepresisian tinggi.

Sedangkan motor DC sendiri mempunyai keuntungan yaitu desain yang simple, mudah dikendalikan

baik kecepatan maupun torsinya namun kerugianya motor listrik DC relatif lebih mahal dan secara fisik lebih besar bila dibandingkan dengan motor listrik AC.

Motor listrik sendiri ada bermacam macam jenisnya seperti Motor DC Medan lilitan (Wound Field), Motor lilitan seri (Series Wound), Motor lilitan parallel (Shunt Wound), Motor gabungan (Compound) Motor dengan magnet permanen.

Prinsip kerja motor listrik didasarkan pada prinsip magnet listrik dimana apabila konduktor yang dialiri arus akan mendapatkan gaya apabila berada didalam medan magnet. Arah arus, medan magnet dan gaya yang dihasilkan adalah saling tegak lurus seperti ditunjukkan pada gambar 8.35

Gambar 8.35 Teori motor listrik

Dari gambar diatas didapatkan rumus

F = B x i x L

F = Gaya yang dihasilkan

i = Arus listrik yang mengalir

B = Medan magnet

L = Panjang penghantar

Pada Motor listrik terdapat juga parameter yang disebut torsi (T) atau

gaya putar yang dihasilkan oleh motor. Dari kesemua parameter ter-sebut didapat kesebandingan yaitu:

T ( F sedangkan F ( B dan F ( i

Gambar 8.36 Gambar bentuk sesungguhnya rotor (armature)

Motor listrik yang digunakan pada kendaraan adalah motor listrik DC contohnya motor starter atau ada juga motor listrik yang digunakan sebagai powertrain (mesin peng-gerak) seperti pada mobil listrik ataupun mobil yang sudah meng-gunakan system hibrida (meng-gunakan motor bakar dan motor listrik).

8.2.3.5 Generator / Alternator

Generator merupakan kebalikan dari sistem motor listrik. Bila pada motor listrik yang terjadi adalah perubahan dari energi listrik menjadi gaya / gerak mekanik, tetapi pada generator adalah sebaliknya yaitu dari gerak mekanik atau gaya / gerak mekanik menjadi energi listrik.

Gambar 8.37 Prinsip generator

Prinsip kerja suatu generator berdasarkan hukum Faraday :

e = - N df/ dt

dimana :

N = jumlah lilitan

f = fluksi magnet

e = Tegangan induksi

Dengan perkataan lain apabila suatu konduktor memotong garis-garis fluksi magnetik yang berubah-ubah, maka tegangan induksi akan dibangkitkan dalam konduktor ter-sebut.

Jadi syarat untuk dapat dibang-kitkan tegangan induksi adalah:

harus ada konduktor ( hantaran kawat )

harus ada medan magnetik

harus ada gerak atau perputaran dari konduktor dalam medan, atau ada fluksi yang berubah yang memotong konduktor itu.

Tegangan induksi akan semakin besar jika :

Penghantar semakin cepat me-motong garis garis gaya magnet

Garis garis gaya magnet semakin padat (medan magnet kuat)

Panjang penghantar yang aktif di dalam penghantar semakin besar

Gambar 8.38 Prinsip generator menggunakan sikat (brush)

Hasil tegangan yang dibang-kitkan pada penghantar yang ber-gerak dalam medan magnet adalah tegangan bolak-balik. Bentuk ge-lombang yang berubah-ubah tersebut harus disearahkan bila diinginkan pembangkitan tegangan searah atau DC maka perlu diguna-kan :

Komutator

Sikat (brush)

Diode

Untuk penggunaan pada kendaraan yang digunakan adalah alternator dinama secara prinsip sama dengan generator tetapi terdapat beberapa perbedaan antara alternator dan generator antara lain :

Kumparan pembangkit pada alternator adalah bagian yang tidak bergerak atau diam sedangkan pada generator adalah sebaliknya atau berputar

Kumparan medan pada alternator adalah bagian yang berputar tetapi pada generator merupakan bagian yang statis atau diam.

Pada alternator menggunakan dioda sebagai penyearah sedangkan pada generator menggunakan komutator.

Produksi arus pada alternator tidak perlu diregulasi sedang-kan pada generator perlu diregulasi.

Keuntungan dari alternator adalah pada putaran rendah tegangan yang dihasilkan sudah mencukupi kebutuhan sedangkan Generator sendiri tidak bisa dipakai pada pu-taran rendah karena hasil tegangan outputnya nantinya juga akan rendah / kecil.

Alternator tidak memerlukan tempat yang luas sedangkan generator perlu ruangan yang relatif luas.

Kerugian dari alternator ada-lah bila terjadi hubung singkat maka alternator akan rusak sedangkan pada generator jika terjadi hubung singkat maka generator tetap aman.

Gambar 8.39 Kumparan medan pada alternator

1. Kumparan medan

2. Poros rotor

Gambar 8.40 Konstruksi rotor pada alternator

1. Kuku kuku magnet

2. Kumparan magnet

3. Poros rotor

8.3 Dasar Elektronika

Dalam dunia elektronika kom-ponen ada beraneka ragam dan jenis, namun dari kesemuanya itu dapat dibagi menjadi dua kelompok yaitu komponen aktif dan komponen pasif. Sebagai contoh untuk komponen pasif adalah : resistor, induktor, kapasitor sedangkan untuk kom-ponen aktif adalah : diode, transistor, tyristor, opamp dan IC. Perbedaan yang mencolok antara keduanya adalah pada komponen pasif tidak mengubah bentuk gelombang sinyal ac yang diberikan kepadanya se-dangkan komponen aktif dapat me-nyearahkan, menguatkan, dan me-ngubah bentuk gelombang sinyal AC yang diberikan kepadanya.

8.3.1 Tahanan (Resistor)

Resistor dapat disebut juga sebagai tahanan atau hambatan di-mana resistor digunakan untuk meng-hambat aliran dari arus listrik yang diberikan. Resistor memiliki nilai yang disebut resistansi dalam satuan ohm dengan lambang omega (). Dengan simbol seperti gambar 8.41 dibawah.

RESISTORPOTENSIOMETERVARIABEL

RESISTOR

TRIMPOTTHERMISTORLIGHT DEPENDENT

RESISTOR

Gambar 8.41 Simbol macam macam resistor

Gambar 8.42. Berbagai macam bentuk resistor

Resistor memiliki bentuk, jenis dan kapasitas bermacam-macam. Seperti pada Gambar 8.42. terdapat berbagai macam jenis resistor dan juga dalam berbagai kemampuan disipasi daya biasanya ditentukan dalam satuan Watt. Macam-macam resistor dapat dibedakan sebagai berikut :

Resistor biasa atau biasanya nilai resistansinya dikodekan pada warna gelangnya deng-an nilai resistansi tetap atau tidak dapat diubah.

Variabel resistor atau dapat disebut juga resistor yang nilai resistansinya dapat diubah-ubah sesuai spesifikasinya (Contohnya : potensiometer, trimpot).

Thermistor atau resistor yang dipengaruhi oleh perubahan suhu atau temperatur (Con-tohnya : NTC dan PTC).

Tabel 8.4. Kode warna resistor

LDR (Light Dependent Re-sistor) adalah resistor yang dipengaruhi oleh perubahan cahaya.

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 ma-nufaktur yang dikeluarkan oleh EIA (Electronic Industries Association) seperti yang ditunjukkan pada Tabel 8.4.

Biasanya warna gelang toleransi berada pada badan resistor yang paling pojok atau juga dengan lebar yang lebih menonjol, sedangkan warna gelang yang pertama agak sedikit ke dalam.

Gambar 8.43. Bentuk dan urutan gelang warna resistor

Jumlah gelang yang melingkar pada resistor umumnya sesuai de-ngan 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 sa-tuan, dan gelang terakhir adalah faktor pengalinya.

Spesifikasi lain yang perlu diper-hatikan dalam memilih resitor selain besar resistansi adalah besar watt-nya. Karena resistor bekerja dengan dialiri arus listrik, maka akan

Umumnya di pasar tersedia ukuran 1/8, 1/4, 1, 2, 5, 10 dan 20 watt. Resistor yang memiliki disipasi daya 5, 10 dan 20 watt umumnya berbentuk kubus memanjang persegi empat berwarna putih, namun ada juga yang berbentuk silinder. Tetapi biasanya untuk resistor ukuran besar ini nilai resistansi dicetak langsung dibadannya, misalnya 100/5W.

Terjadi disipasi daya berupa panas sebesar W=I2R watt. Semakin besar ukuran fisik suatu resistor bisa menunjukkan semakin besar kemam-puan disipasi daya resistor tersebut.

8.3.2 Kondensator (Capasitor)

Kapasitor adalah komponen elektronika yang dapat menyimpan muatan listrik. Struktur sebuah kappa-sitor terbuat dari 2 buah plat metal yang dipisahkan oleh suatu bahan dielektrik. 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.Untuk simbol dari Kapasitor dapat dilihat gambar dibawah :

Kapasitor

non polar

Kapasitor

bipolar

Kapasitor

Variable

Gambar 8.44. Simbol Kapasitor

Kapasitansi didefenisikan sebagai kemampuan dari suatu kapasitor untuk dapat menampung muatan elektron. Dapat dihitung bahwa 1 coulomb = 6.25 x 1018 elektron. Dan juga dapat didefinisikan 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 x V

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)

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

Tabel 8.5 Nilai Konstanta bahan dielektrikum

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).

Gambar 8.45. Berbagai macam bentuk Kapasitor.

Pada Gambar 8.45. ditunjukkan berbagai macam bentuk dan jenis kapasitor. Namun dari berbagai ma-cam kapasitor tersebut ada juga ka-

pasitor yang dapat diubah-ubah nilai kapasitansinya tergantung sesuai dengan spesifikasinya dan dinama-kan kapasitor variabel atau VARCO.

Kapasitor sendiri terdiri dari beberapa tipe, tergantung dari bahan dielektriknya. Untuk lebih sederhana dapat dibagi menjadi 3 bagian, yaitu :

1. Kapasitor Electrostatic

Kapasitor electrostatic ada-lah kelompok kapasitor yang di-buat dengan bahan dielektrik da-ri keramik, film dan mika. Kera-mik dan mika adalah bahan yang popular serta murah untuk membuat kapasitor yang kapasi-tansinya 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 se-perti polyester (polyethylene te-rephthalate atau dikenal dengan sebutan mylar), polystyrene, polyprophylene, polycarbonate, metalized paper dan lainya .Mylar, MKM, MKT adalah beberapa contoh sebutan merek dagang untuk kapasitor dengan bahan-bahan dielektrik film. Umumnya kapasitor kelompok ini adalah non-polar. Konstruksinya ditunjukkan pada Gambar 8.46.

Gambar 8.46. Konstruksi dari kapasitor

2. Kapasitor Electrolytic

Kelompok kapasitor elec-trolytic terdiri dari kapasitor-ka-pasitor yang bahan dielektriknya adalah lapisan metal-oksida. Umumnya kapasitor yang ter-masuk kelompok ini adalah ka-pasitor polar dengan tanda + dan - di badannya. Mengapa ka-pasitor ini dapat memiliki pola-ritas, adalah karena proses pem-buatannya menggunakan elek-trolisa sehingga terbentuk kutup positif anoda dan kutup negatif katoda.

Beberapa metal seperti tan-talum, aluminium, magne-sium, titanium, niobium, zirconium dan seng (zinc) per-mukaannya dapat dioksidasi sehingga membentuk lapisan metal-oksida (oxide film). Lapisan oksidasi ini terbentuk melalui proses elektrolisa, seper-ti pada proses penyepuhan emas. Elektroda metal yang dicelup kedalam larutan electrolit (sodium borate) lalu diberi te-gangan positif (anoda) dan la-rutan electrolit diberi tegangan negatif (katoda). Oksigen pada larutan electrolyte terlepas dan mengoksidai permukaan plat me-tal. Contohnya, jika digunakan Aluminium, maka akan terbentuk lapisan Aluminium-oksida (Al2O3) pada permukaannya.

Dengan demikian berturut-turut plat metal (anoda), lapisan-metal-oksidadan electrolyte (ka-toda) membentuk kapasitor. Dalam hal ini lapisan-metal-oksida sebagai 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 men-dapatkan permukaan yang luas, bahan plat Aluminium ini biasanya digulung radial. Sehingga dengan cara itu dapat diperoleh kapasitor yang kapasitansinya besar.

Gambar 8.47. Konstruksi dari

kapasitor electrolytic

Bahan electrolyte pada kapasitor Tantalum ada yang cair tetapi ada juga yang padat. Disebut electrolyte padat, tetapi sebenarnya bukan larutan electrolit yang menjadi elektroda negatif-nya, 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.

3. Kapasitor Electrochemical

Satu jenis kapasitor lain ada-lah kapasitor electrochemical. Termasuk kapasitor jenis ini ada-lah batere dan accu. Pada kenyataanya batere dan accu adalah kapasitor yang sangat baik, ka-rena memiliki kapasitansi yang besar dan arus bocor (leakage current) yang sangat kecil. Tipe kapasitor jenis ini juga masih dalam pengembangan untuk mendapatkan kapa-sitansi yang besar namun kecil dan ringan.

Pada kapasitor yang ber-ukuran besar, nilai kapasitansi umumnya ditulis dengan angka yang jelas. Lengkap dengan nilai tegangan maksimum dan pola-ritasnya.Kapasitor yang ukuran fisiknya mungil dan kecil biasa-nya hanya bertuliskan 2 (dua) atau 3 (tiga) angka saja. Jika hanya ada dua angka satuannya adalah pF (pico farads). Jika ada 3 digit, angka pertama dan kedua menunjukkan nilai nominal, se-dangkan angka ke-3 adalah fak-tor pengali. Faktor pengali sesuai dengan angka nominalnya, berturut-turut 1 = 10, 2 = 100, 3 = 1.000, 4 = 10.000 dan sete-rusnya.

Pada kapasitor terdapat yang dinamakan tegangan kerja atau tegangan maksimum yang

diijinkan sehingga kapasitor ma-sih dapat bekerja dengan baik. Sehingga tegangan yang diberi-kan pada kapasitor tidak boleh melebihi dari yang tertera atau tercantum. Umumnya kapasitor-kapasitor polar bekerja pada tegangan DC dan kapasitor non-polar bekerja pada tegangan AC.

8.3.3 Dioda

Dioda termasuk komponen elektronika yang terbuat dari bahan semikonduktor. Diode merupakan semikonduktor yang pertama ditemukan. Dioda memiliki fungsi yang unik yaitu hanya dapat mengalirkan arus satu arah saja, itulah mengapa diode disebut sebagai semikonduktor atau

setengah penghantar. 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 8.48. Gambar symbol dan penampang diode

Gambar ilustrasi di atas menunjukkan sambungan PN dengan sedikit porsi kecil yang disebut lapisan deplesi (depletion 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 yang siap untuk bebas merdeka. Lalu 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 8.49. Gambar diode dengan bias maju (forward)

Sebalikya 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 8.50 Gambar diode dengan bias mundur (backward)

Tentu jawabanya adalah 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 lapi-san deplesi (depletion layer) semakin besar dan menghalangi terjadinya arus.

Gambar 8.51. Gambar macam macam dioda

Dengan demikian dioda hanya dapat mengalirkan arus satu arah saja. Pada tegangan bias maju yang kecil saja dioda sudah menjadi konduktor. Hanya diperlukan bebe-rapa volt diatas nol saja pada diode bisa terjadi konduksi. Ini disebabkan ka-rena 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.

Gambar 8.52 Grafik arus diode

Sebaliknya untuk bias negatif dioda tidak dapat mengalirkan arus, namun memang ada batasnya. Sam-pai beberapa puluh bahkan ratusan volt baru terjadi breakdown, dimana dioda tidak lagi dapat menahan aliran elektron yang terbentuk di lapisan deplesi.

Fenomena tegangan breakdown dioda ini mengilhami pembuatan komponen aktif lainnya yang di-namakan zener. 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 bisa makin cepat tercapai. Jika pada dioda biasanya baru terjadi breakdown pada tegangan ratusan volt, pada zener bisa terjadi pada angka puluhan dan satuan volt.

Gambar 8.53 Gambar diode zener

Ini adalah karakteristik zener yang unik. Jika dioda bekerja pada bias maju maka zener biasanya berguna pada bias negatif (reverse bias).

Jenis diode yang lain adalah LED atau singkatan dari Light Emiting Dioda, merupakan komponen yang dapat mengeluarkan emisi cahaya. Struktur LED 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.

Gambar 8.54 Bentuk simbol dan penampang LED

Pada saat ini warna-warna cahaya LED yang banyak ada adalah warna merah, kuning, hijau dan biru. 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. Umumnya LED bisa bekerja pada tegangan 1,2 sampai 1,5 volt namun saat ini ada juga yang dinamakan LED super bright dengan cahaya yang lebih terang namun diperlukan juga tegangan kerja dan arus yang lebih besar juga. Bentuk LED juga bermacam-macam, ada yang persegi empat, bulat dan lonjong.

8.3.4 THYRISTOR

Thyristor berakar kata dari bahasa Yunani yang berarti pintu'. Dinamakan demikian barangkali kare-na sifat dari komponen ini yang mirip

dengan pintu yang dapat dibuka dan ditutup untuk melewatkan arus listrik.

Ada beberapa komponen yang termasuk thyristor antara lain adalah komponen-komponen thyristor yang dikenal dengan sebutan SCR (silicon controlled rectifier), TRIAC dan DIAC.

Ciri-ciri utama dari sebuah thy-ristor adalah komponen yang terbuat dari bahan semikonduktor silicon. Walaupun bahannya sama, tetapi struktur P-N junction yang dimilikinya lebih kompleks dibanding transistor bipolar atau MOS. Kom-ponen thyristor lebih digunakan sebagai saklar (switch) ketimbang sebagai penguat arus atau tegangan seperti halnya transistor.

Gambar 8.55 struktur thyristor

8.3.4.1 SCR

Untuk membuat thyristor menjadi ON adalah dengan memberi arus trigger lapisan P yang dekat dengan katoda. Yaitu dengan membuat kaki gate pada thyristor PNPN seperti pada Gambar 8.56. Karena letaknya yang dekat dengan katoda, bisa juga pin gate ini disebut pin gate katoda (cathode gate). Beginilah SCR dibuat dan simbol SCR digambarkan seperti Gambar 8.56.SCR dalam banyak literatur disebut Thyristor saja.

Gambar 8.56 Struktur dan symbol SCR

Melalui kaki (pin) gate tersebut memungkinkan komponen ini di trigger menjadi ON, yaitu dengan mem-beri arus gate. Ternyata dengan memberi arus gate Ig yang semakin besar dapat menurunkan tegangan breakover (Vbo) sebuah SCR. Dimana tegangan ini adalah tegangan minimum yang diperlukan SCR untuk menjadi ON. Sampai pada suatu besar arus gate tertentu, ternyata akan sangat mudah membuat SCR menjadi ON. Bahkan dengan tegangan forward yang kecil sekalipun. Misalnya 1 volt saja atau lebih kecil lagi. Kurva tegangan dan arus dari sebuah SCR adalah seperti yang ada pada Gambar 8.57. yang berikut ini.

Gambar 8.57 Karakteristik kurva I-V SCR

Pada Gambar 8.57. tertera te-gangan breakover Vbo, yang jika tegangan forward SCR mencapai titik

ini, maka SCR akan ON. Lebih penting lagi adalah arus Ig yang dapat menyebabkan tegangan Vbo turun menjadi lebih kecil. Pada gambar ditunjukkan beberapa arus Ig dan korelasinya terhadap tegangan break-over. Pada datasheet SCR, arus trigger gate ini sering ditulis dengan notasi IGT (gate trigger current). Pada gambar ada ditun-jukkan juga arus Ih yaitu arus holding yang mempertahankan SCR tetap ON. Jadi agar SCR tetap ON maka arus forward dari anoda menuju katoda harus berada di atas parameter ini.

Sejauh ini yang dikemukakan adalah bagaimana membuat SCR menjadi ON. Pada kenyataannya, sekali SCR mencapai keadaan ON maka selamanya akan ON, walaupun tegangan gate dilepas atau di short ke katoda. Satu-satunya cara untuk membuat SCR menjadi OFF adalah dengan membuat arus anoda-katoda turun dibawah arus Ih (holding current). Pada Gambar 8.57. kurva I-V SCR, jika arus forward berada dibawah titik Ih, maka SCR kembali pada keadaan OFF. Berapa besar arus holding ini, umumnya ada di dalam datasheet SCR.

Cara membuat SCR menjadi OFF tersebut adalah sama saja deng-an menurunkan tegangan anoda-katoda ke titik nol. Karena inilah SCR atau thyristor pada umumnya tidak cocok digunakan untuk aplikasi DC. Komponen ini lebih banyak digunakan untuk aplikasi-aplikasi tegangan AC, dimana SCR bisa OFF pada saat gelombang tegangan AC berada di titik nol.

Ada satu parameter penting lain dari SCR, yaitu VGT. Parameter ini adalah tegangan trigger pada gate yang menyebabkab SCR ON.

8.3.5 TRANSISTOR

Transistor merupakan dioda de-ngan dua sambungan (junction). Sambungan itu membentuk tran-sistor PNP maupun NPN. Ujung-ujung terminalnya berturut-turut di-sebut emitor, base dan kolektor. Base selalu berada di tengah, di antara emitor dan kolektor.

Gambar 8.58 Bentuk simbol dan penampang transistor

Transistor seperti gambar diatas dapat disebut juga transistor bipolar atau transistor BJT (Bipolar Junction Transistor). 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 di-gunakan 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.

Transistor bipolar memiliki 2 junction yang dapat disamakan dengan penggabungan 2 buah dioda. Emiter-Base adalah satu junction dan Base-Kolektor junction lainnya itulah kenapa disebut (Bipolar Junction Tran-

sistor). Seperti pada dioda, arus hanya akan mengalir hanya 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, junction base-emiter diberi bias positif sedangkan base-colector mendapat bias negatif (reverse bias).

Gambar 8.59 Rangkaian bias transistor dan arus Elektron

Karena base-emiter mendapat bias positif maka seperti pada dioda, elektron mengalir dari emiter menuju base. 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 base seperti pada dioda. Tetapi karena lebar base yang sangat tipis, hanya sebagian elektron yang dapat bergabung dengan hole yang ada

pada base. Sebagian besar akan menembus lapisan base menuju ko-lektor. Inilah alasannya mengapa jika dua dioda digabungkan tidak dapat menjadi sebuah transistor, karena persyaratannya adalah lebar base harus sangat tipis sehingga dapat diterjang oleh elektron.

Gambar 8.60 Macam-macam bentuk transistor

Jika misalnya tegangan base-emitor dibalik (reverse bias), maka tidak akan terjadi aliran elektron dari emitor menuju kolektor. Jika pelan-pelan 'keran' base diberi bias maju (forward bias), elektron mengalir menuju kolektor dan besarnya se-banding dengan besar arus bias base yang diberikan. Dengan kata lain, arus base mengatur banyaknya elektron yang mengalir dari emiter menuju kolektor. Ini yang dinamakan efek penguatan transistor, karena arus base yang kecil menghasilkan arus emiter-colector yang lebih besar. Istilah amplifier (penguatan) sebenarnya bukanlah penguatan dalam arti sebenarnya, karena dengan penjelasan di atas sebenarnya yang terjadi bukan penguatan, melainkan arus yang lebih kecil mengontrol aliran arus yang lebih besar. Juga dapat dijelaskan bahwa base mengatur membuka dan menutup aliran arus emiter-kolektor (switch on/off).

Pada transistor PNP, fenomena yang sama dapat dijelaskan dengan memberikan bias seperti pada gam

bar berikut. Dalam hal ini yang di-sebut perpindahan arus adalah arus hole.

Gambar 8.61 Arus Hole transistor PNP

Perlu diingat, walaupun tidak ada perbedaan pada doping bahan pembuat emitor dan kolektor, namun pada prakteknya emitor dan kolektor tidak dapat dibalik.

Gambar 8.62 Penampang transistor bipolar

Dari satu bahan silikon (monolitic), emitor dibuat terlebih dahulu, kemudian base 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.

Untuk memudahkan pembaha-san prinsip bias transistor lebih lanjut, berikut adalah terminologi parameter transistor. Dalam hal ini arah arus adalah dari potensial yang lebih besar ke potensial yang lebih kecil.

Gambar 8.63 Arus potensial

Parameter-paramater yang perlu diperhatikan :

IC : arus kolektor

IB : arus base

IE : arus emitor

VC : tegangan kolektor

VB : tegangan base

VE : tegangan emitor

VCC : tegangan pada kolektor

VCE : tegangan jepit kolektor-emitor

VEE : tegangan pada emitor

VBE : tegangan jepit base-emitor (umumnya 0,6 0,7 volt untuk transistor silikon)

ICBO : arus base-kolektor

VCB : tegangan jepit kolektor-base

Pada tabel data transistor (databook) beberapa hal perlu diperhatikan antara lain spesifikasi dc (alpha dc) yang tidak lain adalah :

dc = IC/IE

Defenisinya adalah perbandingan arus kolektor terhadap arus emitor. Karena besar arus kolektor umumnya hampir sama dengan besar arus emiter maka idealnya besar dc adalah = 1 (satu). Namun umumnya transistor yang ada memiliki dc kurang lebih antara 0.95 sampai 0.99.

Pada tabel data transistor (databook) juga dapat dijumpai spesifikasi dc (beta dc) atau hfe didefenisikan sebagai besar perbandingan antara arus kolektor dengan arus base.

dc = IC/IB

Dengan kata lain, dc adalah parameter yang menunjukkan ke-mampuan penguatan arus (current gain) dari suatu transistor. Parameter ini ada tertera di databook transistor dan sangat membantu para perancang rangkaian elektronika dalam merencanakan rangkaiannya.

Sebelumnya ada beberapa spesifikasi transistor yang perlu diperhatikan, seperti tegangan VCEmax dan PD max. Sering juga dicantumkan di datasheet keterangan lain tentang arus ICmax VCBmax dan VEBmax. Ada juga PDmax pada TA = 25o dan PDmax pada TC = 25o

8.3.5.1 Kurva Base

Hubungan antara IB dan VBE tentu saja akan berupa kurva dioda. Karena memang telah diketahui bah-wa junction base-emitor tidak lain adalah sebuah dioda. Jika hukum Ohm diterapkan pada loop base di-ketahui adalah :

IB = (VBB - VBE) / RB

VBE adalah tegangan jepit dioda junction base-emitor. Arus hanya akan mengalir jika tegangan antara base-emitor lebih besar dari VBE. Sehingga arus IB mulai aktif mengalir pada saat nilai VBE tertentu.

Gambar 8.64 kurva IB -VBE

Besar VBE umumnya tercantum di dalam databook. Tetapi untuk penyerdehanaan umumnya diketahui VBE = 0.7 volt untuk transistor silikon dan VBE = 0.3 volt untuk transistor germanium.

8.3.5.2 Kurva Kolektor

Sekarang sudah diketahui konsep arus base dan arus kolektor. Satu hal lain yang menarik adalah bagaimana hubungan antara arus base 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.

Gambar 8.65 kurva kolektor

Dari kurva kolektor diatas terlihat ada beberapa region yang menunjukkan daerah kerja transistor. Dari bawah adalah daerah saturasi, lalu daerah cut-off, kemudian daerah aktif dan seterusnya hingga paling atas adalah daerah breakdown.

8.3.5.3 Daerah Aktif

Daerah kerja transistor yang normal adalah pada daerah aktif, dimana arus IC konstans terhadap berapapun nilai VCE. Dari kurva ini diperlihatkan bahwa arus IC hanya ter-gantung dari besar arus IB. Daerah kerja ini biasa juga disebut daerah linear (linear region).

Dari hubungan tegangan dan arus pada loop kolektor, maka dapat diperoleh hubungan :

VCE = VCC - ICRC

Dapat dihitung dissipasi daya transistor adalah :

PD = VCE.IC

Rumus ini mengatakan jumlah dissipasi daya transistor adalah te-gangan kolektor-emitor dikali jumlah arus yang melewatinya. Dissipasi daya ini berupa panas yang menyebabkan naiknya temperatur transistor. Umumnya untuk transistor power sangat perlu untuk mengetahui spesifikasi PDmax. Spesifikasi ini menunjukkan temperatur kerja maksimum yang diperbolehkan agar transistor masih bekerja normal. Sebab jika transistor bekerja melebihi kapasitas daya PDmax, maka transistor dapat rusak atau terbakar.

8.3.5.4 Daerah Cut-off

Daerah saturasi adalah mulai dari VBE = 0 volt sampai kira-kira 0.7 volt (transistor silikon), yaitu akibat dari efek dioda kolektor-base yang mana tegangan VCE belum mencukupi untuk dapat menyebabkan aliran elektron.

8.3.5.5 Daerah Saturasi

Jika kemudian tegangan VBE dinaikkan perlahan-lahan, sampai

tegangan VCE tertentu tiba-tiba arus IC mulai konstan. Pada saat pe-rubahan ini, daerah kerja transistor berada pada daerah saturasi yaitu dari keadaan cut off (OFF) lalu menjadi aktif (ON). Perubahan ini dipakai pada system digital yang hanya mengenal angka biner 1 dan 0

8.3.5.6 Daerah Breakdown

Dari kurva kolektor, terlihat jika tegangan VCE lebih dari 40V, arus IC menanjak naik dengan cepat. Transistor pada daerah ini disebut berada pada daerah breakdown. Seharusnya transistor tidak boleh bekerja pada daerah ini, karena akan dapat merusak transistor tersebut. Untuk berbagai jenis transistor nilai tegangan VCEmax yang diperbolehkan sebelum breakdown bervariasi. VCEmax pada databook transistor selalu dicantumkan juga.

8.3.5 TRANSISTOR FET

Transistor Bipolar dinamakan demikian karena bekerja dengan 2 (bi) muatan yang berbeda yaitu elektron sebagai pembawa muatan negatif dan hole sebagai pembawa muatan positif. Ada satu jenis transistor lain yang dinamakan FET (Field Efect Transistor). Berbeda dengan prinsip kerja transistor bipolar, transistor FET bekerja bergantung dari satu pembawa muatan, apakah itu elektron atau hole. Karena hanya bergantung pada satu pembawa muatan saja, transistor ini disebut komponen unipolar.

Umumnya untuk aplikasi linear, transistor bipolar lebih disukai, namun transistor FET sering digunakan juga karena memiliki impedansi input (in

put impedance) yang sangat besar. Terutama jika digunakan sebagai

switch, FET lebih baik karena re-sistansi dan disipasi dayanya yang kecil.

Ada dua jenis transistor FET yaitu JFET (junction FET) dan MOSFET (metal-oxide semiconductor FET). Pada dasarnya kedua jenis transistor memiliki prinsip kerja yang sama, namun tetap ada perbedaan yang mendasar pada struktur dan karakteristiknya. Namun dari kedua-nya yg sering banyak dipakai adalah jenis MOSFET makanya yang akan dibahas disini adalah jenis MOSFET.

Mirip seperti JFET, transistor MOSFET (Metal oxide FET) memiliki drain, source dan gate. Namun perbedaannya gate terisolasi oleh suatu bahan oksida. Gate sendiri terbuat

dari bahan metal seperti aluminium. Oleh karena itulah transistor ini dinamakan metal-oxide. Karena gate yang terisolasi, sering jenis transistor ini disebut juga IGFET yaitu insulated-gate FET.

Ada dua jenis MOSFET, yang pertama jenis depletion-mode dan yang kedua jenis enhancement-mode. Jenis MOSFET yang kedua adalah komponen utama dari gerbang logika dalam bentuk IC (integrated circuit), uC (micro controller) dan uP (micro processor) yang tidak lain adalah komponen utama dari komputer modern saat ini.

8.3.6.1 MOSFET Depletion-mode

Gambar berikut menunjukkan struktur dari transistor jenis ini. Pada sebuah kanal semikonduktor tipe n terdapat semikonduktor tipe p dengan menyisakan sedikit celah. Dengan demikian diharapkan elektron akan mengalir dari source menuju drain melalui celah sempit ini. Gate terbuat dari metal (seperti aluminium) dan terisolasi oleh bahan oksida tipis SiO2 yang tidak lain adalah kaca.

Gambar 8.66 struktur MOSFET depletion-mode

Semikonduktor tipe p di sini disebut subtrat p dan biasanya dihubung singkat dengan source.

Ingat seperti pada transistor JFET lapisan deplesi mulai membuka jika VGS = 0.

Dengan menghubung singkat subtrat p dengan source diharapkan ketebalan lapisan deplesi yang ter-bentuk antara subtrat dengan kanal adalah maksimum. Sehingga ketebalan lapisan deplesi selanjutnya hanya akan ditentukan oleh tegangan gate terhadap source. Pada gambar, lapisan deplesi yang dimaksud ditunjukkan pada daerah yang berwarna kuning.

Semakin negatif tegangan gate terhadap source, akan semakin kecil arus drain yang bisa lewat atau bahkan menjadi 0 pada tegangan negatif tertentu. Karena lapisan de-plesi telah menutup kanal. Selanjutnya jika tegangan gate dinaikkan sama dengan tegangan source, arus akan mengalir. Karena lapisan de-plesi muali membuka. Sampai di sini prinsip kerja transistor MOSFET depletion-mode tidak berbeda dengan transistor JFET.

Karena gate yang terisolasi, te-gangan kerja VGS boleh positif. Jika VGS semakin positif, arus elektron yang mengalir dapat semakin besar. Di sini letak perbedaannya dengan JFET, transistor MOSFET depletion-mode bisa bekerja sampai tegangan gate positif.

Gambar 8.67 Penampang D-MOSFET (depletion-mode)

Struktur ini adalah penampang MOSFET depletion-mode yang dibuat di atas sebuah lempengan semikonduktor tipe p. Implant semikonduktor tipe n dibuat sedemikian rupa sehingga terdapat celah kanal tipe n. Kanal ini menghubungkan drain dengan source dan tepat berada di bawah gate. Gate terbuat dari metal aluminium yang diisolasi dengan lapisan SiO2 (kaca). Dalam beberapa buku, transistor MOSFET depletion-mode disebut juga dengan nama D-MOSFET.

Analisa kurva drain dilakukan dengan mencoba beberapa tegangan gate VGS konstan, lalu dibuat grafik hubungan antara arus drain ID terhadap tegangan VDS.

Gambar 8.68 Kurva drain transistor MOSFET depletion-mode

Dari kurva ini terlihat jelas bahwa transistor MOSFET depletion-mode dapat bekerja (ON) mulai dari tegangan VGS negatif sampai positif. Terdapat dua daerah kerja, yang pertama adalah daerah ohmic dimana resistansi drain-source adalah fungsi dari :

RDS(on) = VDS/IDS

Jika tegangan VGS tetap dan VDS terus dinaikkan, transistor selanjutnya akan berada pada daerah saturasi. Jika keadaan ini tercapai, arus IDS adalah konstan.Tentu saja ada tegangan VGS(max), yang diperbolehkan. Karena jika lebih dari tegangan ini akan dapat merusak isolasi gate yang tipis alias merusak transistor itu sendiri.

8.3.6.2 MOSFET Enhancement-mode

Jenis transistor MOSFET yang kedua adalah MOSFET enhan-cement-mode. Transistor ini adalah pengembangan dari MOSFET depletion-mode. Gate terbuat dari metal aluminium dan terisolasi oleh lapisan SiO2 sama seperti transistor MOSFET depletion-mode. Perbedaan struktur yang mendasar adalah, subtrat pada transistor MOSFET enhancement-mode sekarang dibuat sampai menyentuh gate, seperti terlihat pada gambar 8.69. Pada transistor MOSFET enhancement mode kanal n, Jika tegangan gate VGS dibuat negatif, tentu saja arus elektron tidak dapat mengalir. Juga ketika VGS=0 ternyata arus belum juga bisa mengalir, karena tidak ada lapisan deplesi maupun celah yang bisa dialiri elektron.

Gambar 8.69. Struktur MOSFET enhancement-mode

Gambar diatas adalah Satu-satunya jalan adalah dengan memberi tegangan VGS positif. Karena subtrat terhubung dengan source, maka jika tegangan gate positif berarti tegangan gate terhadap subtrat juga positif.

Tegangan positif ini akan menyebabkan elektron tertarik ke arah subtrat p. Elektron-elektron akan bergabung dengan hole yang ada pada subtrat p. Karena potensial gate lebih positif, maka elektron terlebih dahulu tertarik dan menumpuk di sisi subtrat yang berbatasan dengan gate. Elektron akan terus menumpuk dan tidak dapat mengalir menuju gate karena terisolasi oleh bahan insulator SiO2 (kaca).

Jika tegangan gate cukup positif, maka tumpukan elektron akan menyebabkan terbentuknya semacam lapisan n yang negatif dan seketika itulah arus drain dan source dapat mengalir. Lapisan yang terbentuk ini disebut dengan istilah inversion layer. Kira-kira terjemahannya adalah lapisan dengan tipe yang berbalikan. Di sini karena subtratnya tipe p, maka lapisan inversion yang terbentuk adalah bermuatan negatif atau tipe n. Tentu ada tegangan minimum dimana lapisan inversion n mulai terbentuk. Tegangan minimun ini disebut te-gangan threshold VGS(th). Tegangan VGS(th) oleh pabrik pembuat tertera di dalam datasheet.

Di sini letak perbedaan utama prinsip kerja transitor MOSFET enhancement-mode dibandingkan dengan JFET. Jika pada tegangan VGS = 0, transistor JFET sudah bekerja atau ON, maka transistor MOSFET enhancement-mode masih OFF. Dikatakan bahwa JFET adalah komponen normally ON dan MOSFET adalah komponen normally OFF.

Transistor MOSFET enhacement mode dalam beberapa literatur disebut juga dengan nama E-MOSFET.

Gambar 8.70 Penampang E-MOSFET (enhancement-mode)

Gambar diatas adalah bagaimana transistor MOSFET enhancement-mode dibuat. Sama se-perti MOSFET depletion-mode, te-tapi perbedaannya disini tidak ada kanal yang menghubungkan drain dengan source. Kanal n akan ter-bentuk (enhanced) dengan memberi te-gangan VGS diatas tegangan threshold tertentu. Inilah struktur transistor yang paling banyak di terapkan dalam IC digital.

Mirip seperti kurva D-MOSFET, kurva drain transistor E-MOSFET adalah seperti yang ditunjukkan pada gambar berikut. Namun di sini VGS semua bernilai positif. Garis kurva paling bawah adalah garis kurva di-mana transistor mulai ON. Tegangan

VGS pada garis kurva ini disebut

tegangan threshold VGS(th). Pada titik saturasi MOSFET mulai jenuh atau saturasi hingga benar-benar ON atau memiliki hambatan yg sangat kecil.

Gambar 8.71 Kurva drain E-MOSFET

Karena transistor MOSFET umumnya digunakan sebagai saklar (switch), parameter yang penting pada transistor E-MOSFET adalah resistansi drain-source. Biasanya yang tercantum pada datasheet ada-lah resistansi pada saat transistor ON. Resistansi ini dinamakan RDS(on). Besar resistansi bervariasi mulai dari 0.3 Ohm sampai puluhan Ohm. Untuk aplikasi power switching, semakin kecil resistansi RDS(on) maka semakin baik transistor tersebut. Karena akan memperkecil rugi-rugi disipasi daya dalam bentuk panas. Juga penting diketahui parameter arus drain maksimum ID(max) dan disipasi daya maksimum PD(max).

8.3.6.3 Simbol transistor MOSFET

Garis putus-putus pada simbol transistor MOSFET menunjukkan struktur transistor yang terdiri drain, source dan subtrat serta gate yang terisolasi. Arah panah pada subtrat menunjukkan type lapisan yang terbentuk pada subtrat ketika transistor ON sekaligus menunjukkan type ka-nal transistor tersebut.

Gambar 8.72 Simbol MOSFET, (a) kanal-n (b) kanal-p

Kedua simbol di atas dapat digunakan untuk mengambarkan D-MOSFET maupun E-MOSFET.

Transistor FET termasuk perangkat yang disebut voltage-controlled device yang mana tegangan masukan (input) mengatur arus keluaran

(output). Pada transistor FET, besar tegangan gate-source (VGS) menentukan jumlah arus yang dapat mengalir antara drain dan source.

Transistor MOSFET yang dikenal dengan sebutan transistor MOS umumnya gampang rusak. Ada kala-nya karena tegangan gate yang melebihi tegangan VGS(max). Karena lapisan oksida yang amat tipis, transistor MOS rentan terhadap tegangan statik (static voltage) yang bisa mencapai ribuan volt. Untuk itulah biasanya MOS dalam bentuk transistor maupun IC selalu dikemas menggunakan anti static. Terminal atau kaki-kakinya di hubung singkat untuk menghindari tegangan statik ini. Transistor MOS yang mahal karena RDS(on) yang kecil, biasanya dilengkapi dengan zener didalamnya. Zener diantara gate dan source ini berfungsi sebagai proteksi tegangan yang berlebih. Walapun zener ini sebenarnya akan

menurunkan impedansi input gate, namun cukup seimbang antara performance dan harganya itu.

8.3.7 OPERASIONAL AMPLIFIER

Penguat operasi (Operational Amplifier) atau sering disingkat dengan OP-AMP yaitu merupakan komponen-komponen linear yang terdiri dari beberapa komponen diskrit yang terintegrasi dalam bentuk chip (IC : Intregated Circuits) . OP-AMP biasanya mempunyai 2 (dua) buah input yaitu input Inverting dan input Non Inverting serta satu output. Lebih jelasnya dapat dilihat pada gambar simbol OP-AMP berikut ini :

+

-

Gambar 8.73 Simbol OP-AMP

Input OP-AMP bisa berupa tegangan searah maupun tegangan bolak-balik. Sedangkan output OP-AMP tergantung input yang diberikan. Jika input OP-AMP diberi tegangan searah dengan input Non Inverting lebih besar dari pada input inverting (), maka pada output OP-AMP akan positip (+). Sebaliknya jika input Non Inverting (+) lebih kecil dari pada input inverting (-), maka output OP-AMP akan negatip (-).

Jika input OP-AMP diberi tegangan bolak-balik dengan input Non Inverting (+), maka pada output OP-AMP akan sephasa dengan inputnya tersebut. Sebaliknya jika input Invert-

ing (-) diberi sinyal / tegangan bolak balik sinus, maka pada output OP-AMP akan berbalik phasa terhadap inputnya.

8.3.7.1 Penguat Inverting

OP-AMP dengan metoda input pembalik (inverting) seperti gambar 8.74. ini adalah mempunyai input pada terminal inverting (-) dan terminal non inverting dihubungkan ke ground (sebagai common) dan terminal output diukur terhadap ground. Tegangan (Au) untuk penguat inverting

1

R

R

U

U

A

F

i

o

U

-

=

=

+

-

U

o

+

-

U

i

d

i

i

d

R

1

R

f

O

P

-

A

M

P

i

i

U

i

+

-

-

+

i

f

Gambar 8.74. Rangkaian penguat inverting

8.3.7.2 Penguat Non Inverting

Rangkaian OP-AMP dengan input bukan pembalik (non inverting) dengan sistem pengali penguatan yang konstan. Untuk menentukan penguatan tegangan dari rangkaian OP-AMP ini terlebih d