Komponen Elektronika
1. PENDAHULUAN
Dalam dunia elektronika komponen 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 komponen aktif adalah : diode, transistor, tyristor, opamp dan IC. Perbedaan yang mencolok antara keduanya adalah pada komponen pasif tidak mengubah mengubah bentuk gelombang sinyal ac yang diberikan kepadanya sedangkan komponen aktif dapat menyearahkan, menguatkan, dan mengubah bentuk gelombang sinyal AC yang diberikan kepadanya.
2. KOMPONEN PASIF a. RESISTOR
Resistor dapat disebut juga sebagai tahanan atau hambatan dimana resistor digunakan untuk menghambat aliran dari arus listrik yang diberikan. Resistor memiliki nilai yang disebut resistansi dalam satuan ohm dengan lambang omega (). Dengan simbol seperti gambar dibawah
TRIM TRIMPO POT T
THER THERMI MIST STOR OR
LIGH LIGHT T DEPE DEPEND NDEN ENT T RESISTOR
RESI RESIST STOR OR
POTE POTENS NSIO IOME METE TER R
VARI VARIAB ABEL EL RESISTOR
Gambar 1. Simbol berbagai macam resistor
Gambar 2.Berbagai macam bentuk resistor
Resistor memiliki bentuk, jenis dan kapasitas bermacam-macam. Seperti pada Gambar 2. 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 dengan nilai resistansi resistansi tetap atau tidak dapat diubah.
•
Variabel resistor atau dapat disebut juga resistor yang nilai resistansinya dapat diubah-ubah sesuai spesifikasinya (Contohnya : potensiometer, trimpot).
VR linier atau perubahan sudut putar p utar linier terhadap nilai resistansi (Contoh penerapan digunakan untuk sensor).
VR logaritmis atau perubahan sudut putar logaritmis terhadap nilai resistansi. (Contoh penerapan pada audio)
•
Thermistor atau resistor yang dipengaruhi oleh perubahan suhu atau temperatur (Contohnya : NTC dan PTC)
NTC adalah Negative Temperature Coefisien dimana perubahan suhu berbanding terbalik terhadap perubahan resistansi.
PTC adalah Positive Temperature Coefisien dimana perubahan suhu berbanding lurus terhadap perubahan resistansi.
•
LDR (Light Dependent Resistor) 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 manufaktur yang dikeluarkan oleh EIA (Electronic Industries Association) seperti yang ditunjukkan pada Tabel1
Tabel 1. Tabel kode warna resistor
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 3. Bentuk dan urutan gelang warna resistor
Jumlah gelang yang melingkar pada resistor umumnya sesuai dengan besar toleransinya. Biasanya resistor resistor dengan toleransi 5%, 10% atau 20% memiliki 3 gelang (tidak termasuk gelang toleransi). Tetapi resistor dengan toleransi 1% atau 2% (toleransi kecil) memiliki 4 gelang (tidak termasuk gelang toleransi). Gelang pertama dan seterusnya berturut-turut menunjukkan besar nilai satuan, dan gelang terakhir adalah faktor pengalinya. Spesifikasi lain yang perlu diperhatikan dalam memilih resitor selain besar resistansi adalah besar watt-nya. Karena resistor bekerja den gan dialiri arus listrik, 2
maka akan terjadi disipasi daya berupa panas sebesar W=I R watt. Semakin besar besar ukuran fisik suatu resistor bisa menunjukkan semakin besar kemampuan disipasi daya resistor tersebut. Umumnya di pasar tersedia ukuran 1/8, 1/4, 1, 2, 5, 10 dan 20 watt. Resistor yang memiliki 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.
b. KAPASITOR
Kapasitor adalah komponen elektronika yang dapat menyimpan muatan listrik. Struktur sebuah kapasitor 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 d ibawah :
Gambar 4. Simbol Kapasitor
Kapasitansi didefenisikan sebagai kemampuan dari suatu kapasitor untuk dapat menampung muatan elektron. Dapat dihitung bahwa 1 coulomb = 6.25 x 10
18
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 = CV …………….(1)
Q = muatan elektron dalam C (coulombs) C = nilai kapasitansi dalam F (farads) V = besar 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 :
-12
C = (8.85 x 10 ) (k A/t) ...(2)
Berikut adalah tabel contoh konstanta (k) dari beberapa bahan dielektrik yang disederhanakan.
Udara vakum
k=1
Aluminium oksida
k=8
Keramik
k = 100 - 1000
Gelas
k=8
Polyethylene
k=3
Tabel 2. Tabel nilai konstanta bahan dielektrikum
Untuk rangkaian elektronik praktis, satuan farads adalah san gat besar -6
sekali. Umumnya kapasitor yang ada di pasar memiliki satuan uF (10 F), nF -9
(10 F) dan pF (10
-12
F).
Gambar 5. Berbagai macam bentuk kapasitor
Pada Gambar 6. ditunjukkan berbagai macam bentuk dan jenis kapasitor. Namun dari berbagai macam kapasitor tersebut ada juga kapasitor yang dapat
diubah-ubah nilai kapasitansinya tergantung sesuai dengan spesifikasinya dan dinamakan 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 adalah kelompok kapasitor yang dibuat dengan bahan dielektrik dari keramik, film film dan mika. Keramik dan mika adalah bahan yang popular serta murah untuk membuat kapasitor yang kapasitansinya kecil. Tersedia dari besaran pF sampai beberapa uF, yang yang biasanya untuk aplikasi rangkaian yang berkenaan dengan frekuensi tinggi. Termasuk kelompok bahan dielektrik film film adalah bahan-bahan material seperti polyester (polyethylene (polyethylene terephthalate atau dikenal dengan sebutan mylar), polystyrene, polyprophylene, polycarbonate, metalized paper dan lainnya. Mylar, MKM, MKT adalah beberapa contoh sebutan merek dagang untuk kapasitor dengan bahan-bahan dielektrik film. Umumnya kapasitor kelompok ini adalah non-polar. Konstruksinya ditunjukkan pada Gambar 6.
Gambar 6. Konstruksi dari kapasitor 2. Kapasitor Electrolytic Kelompok kapasitor electrolytic terdiri dari kapasitor-kapasitor yang bahan dielektriknya adalah lapisan metal-oksida. Umumnya
kapasitor yang termasuk kelompok ini adalah kapasitor polar dengan tanda + dan - di badannya. Mengapa kapasitor ini dapat memiliki polaritas, adalah karena proses pembuatannya menggunakan elektrolisa sehingga terbentuk kutup positif anoda dan kutup negatif katoda. Beberapa metal seperti tantalum, aluminium, magnesium, titanium, niobium, zirconium dan seng (zinc) permukaannya dapat dioksidasi sehingga membentuk lapisan metal-oksida (oxide film). film). Lapisan oksidasi ini terbentuk melalui proses elektrolisa, elektrolisa, seperti pada proses penyepuhan emas. Elektroda metal yang dicelup kedalam larutan electrolit (sodium borate) lalu diberi tegangan positif (anoda) dan larutan electrolit diberi tegangan negatif (katoda). Oksigen pada larutan electrolyte terlepas dan mengoksidai
permukaan
plat
metal.
Contohnya,
jika
digunakan
Aluminium, maka akan terbentuk lapisan Aluminium-oksida (Al2O3) pada permukaannya.
Gambar 7. Konstruksi dari kapasitor elektrolit
Dengan demikian berturut-turut plat metal (anoda), lapisan-metaloksida dan electrolyte(katoda) 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 umumnya bahan metal yang banyak digunakan adalah aluminium dan tantalum. Bahan yang paling banyak dan murah adalah Aluminium. Untuk mendapatkan permukaan yang luas, bahan plat Aluminium ini biasanya digulung radial. Sehingga dengan cara itu dapat diperoleh kapasitor yang kapasitansinya besar. 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 kap asitor Tantalum menjadi relatif mahal.
3. Kapasitor Electrochemical Satu jenis kapasitor lain adalah kapasitor electrochemical. Termasuk kapasitor jenis ini adalah batere dan accu. Pada kenyataanya batere dan accu adalah kapasitor yang sangat baik, karena memiliki kapasitansi yang besar dan arus bocor (leakage current) yang sangat kecil. Tipe kapasitor jenis ini juga masih dalam pengembangan untuk mendapatkan kapasitansi yang besar namun kecil dan ringan.
Pada kapasitor yang berukuran besar, nilai kapasitansi umumnya ditulis dengan angka yang jelas. Lengkap dengan nilai tegangan maksimum dan polaritasnya.Kapasitor yang ukuran fisiknya mungil dan kecil biasanya hanya bertuliskan 2 (dua) atau 3 (tiga) angka saja. Jika hanya ada dua angka satuannya adalah pF adalah pF (pico farads). farads). Jika ada 3 digit, angka pertama dan kedua menunjukkan nilai nominal, sedangkan angka ke-3 adalah faktor pengali. Faktor pengali sesuai dengan angka nominalnya, berturut-turut 1 = 10, 2 = 100, 3 = 1.000, 4 = 10.000
dan seterusnya. Pada kapasitor terdapat yang dinamakan tegangan kerja atau tegangan maksimum yang diijinkan sehingga kapasitor masih dapat bekerja dengan baik. Sehingga tegangan yang diberikan 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.
c. INDUKTOR
Induktor adalah komponen yang dapat menyimpan energi magnetik. Energi ini direpresentasikan dengan adanya tegangan emf (electromotive force) force) jika induktor dialiri listrik. Tegangan emf akan menjadi penting saat perubahan arusnya fluktuatif. Efek emf menjadi signifikan pada sebuah induktor, karena perubahan arus yang melewati tiap lilitan akan saling menginduksi. Ini yang dimaksud dengan selfinduced . Secara matematis induktansi pada suatu induktor dengan jumlah lilitan sebanyak N adalah akumulasi flux magnet untuk tiap arus yang melewatinya :
L =
N Φ I
Gambar 8. Bentuk dari induktor Fungsi utama dari induktor di dalam suatu rangkaian adalah untuk melawan fluktuasi arus yang melewatinya. Aplikasinya pada rangkaian dc salah satunya adalah untuk menghasilkan tegangan dc yang konstan terhadap fluktuasi beban arus. Pada aplikasi rangkaian ac, salah satu gunanya adalah bisa untuk meredam perubahan fluktuasi arus yang tidak dinginkan. Akan lebih banyak lagi fungsi dari induktor yang bisa diaplikasikan pada rangkaian filter, tuner dan
sebagainya. Untuk mencari nilai induktansi dari sebuah inductor dapat dicari melalui rumus :
L : induktansi dalam H (Henry) µ : permeability inti ( core) µo : permeability udara vakum µo : 4π x 10-7 N : jumlah lilitan induktor A : luas penampang induktor (m2) l : panjang induktor (m)
2
L =
µµ o N A
l
Gambar 9. Bentuk penampang induktor
Ada satu jenis induktor yang dikenal dengan nama toroid. Jika biasanya induktor berbentuk silinder memanjang, maka toroid berbentuk lingkaran. Biasanya selalu menggunakan inti besi (core (core)) yang juga berbentuk lingkaran seperti kue donat.
Gambar 10. Berbagai macam bentuk induktor
Gambar 11. Bentuk induktor model toroida Untuk mencari nilai induktansi dari sebuah inductor toroida dapat dicari melalui rumus : L : induktansi dalam H (Henry) µ : permeability inti ( core) µo : permeability udara vakum µo : 4π x 10-7 N : jumlah lilitan induktor A : luas penampang induktor (m2) r : jari-jari toroid (m)
2
L =
µµ o N A
2π r
Salah satu keuntungan induktor berbentuk toroid, didapatkan induktor
dengan induktansi yang lebih besar dan dimensi yang relatif lebih kecil dibandingkan dengan induktor berbentuk silinder. Juga karena toroid umumnya menggunakan inti (core (core)) yang melingkar, maka medan induksinya tertutup dan relatif tidak menginduksi komponen lain yang berdekatan di dalam satu pcb. Untuk rangkaian elektronik praktis, satuan Henry adalah sangat besar sekali. Umumnya inductor memiliki satuan uH (10-6 H), mH (10-3 H)
3. KOMPONEN AKTIF a. DIODE
Dioda
termasuk komponen
semikonduktor.
elektronika
yang
terbuat terbuat
dari
bahan
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 12. Gambar symbol dan penampang diode
Gambar ilustrasi di atas menunjukkan sambungan PN dengan sedikit porsi kecil
yang
disebut
lapisan
deplesi
(depletion (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 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 13. Gambar diode dengan den gan bias maju (forward)
Sebalikya apakah yang terjadi jika polaritas tegangan dibalik yaitu dengan bias). Dalam hal ini, sisi N mendapat polaritas memberikan bias negatif (reverse bias). tegangan lebih besar dari sisi P.
Gambar 14. 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 masingmasing tertarik ke arah kutup berlawanan. Bahkan lapisan deplesi (depletion (depletion layer ) semakin besar dan menghalangi terjadinya terjadin ya arus.
Gambar 15. Berbagai macam bentuk diode
Dengan demikian dioda hanya dapat mengalirkan arus satu arah saja. Pada tegangan bias maju yang kecil saja dioda sudah menjadi konduktor. Hanya diperlukan beberapa volt diatas nol saja pada diode bisa terjadi konduksi. Ini disebabkan karena adanya dinding deplesi (deplesion (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 16. Grafik arus diode
Sebaliknya untuk bias negatif dioda tidak dapat mengalirkan arus, namun memang ada batasnya. Sampai beberapa puluh bahkan ratusan volt baru terjadi breakdown, 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 dinamakan 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 terjadi breakdown pada tegangan ratusan volt, pada zener bisa terjadi pada angka puluhan dan satuan volt.
Gambar 17. Simbol diode zener
Ini adalah karakteristik zener yang unik. Jika dioda bekerja pada bias maju maka zener biasanya berguna pada bias negatif (reverse (reverse bias). bias). Jenis diode yang lain adalah LED atau singkatan dari Light dari Light Emiting Dioda, 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 18. 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.
b. THYRISTOR
Thyristor berakar kata dari bahasa Yunani yang berarti ‘pintu'. Dinamakan demikian barangkali karena sifat dari komponen ini yang mirip dengan pintu yang dapat dibuka dan ditutup untuk melewatkan arus listrik. Ada beberapa komponen yang termasuk thyristor thyristor antara lain adalah adalah komponen-komponen thyristor yang dikenal dengan sebutan SCR ( silicon silicon controlled rectifier ), ), TRIAC dan DIAC. Ciri-ciri utama dari sebuah thyristor 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. Komponen thyristor lebih digunakan sebagai saklar ( switch) switch) ketimbang sebagai penguat arus atau tegangan seperti haln ya transistor.
Gambar 19. struktur thyristor
3.b.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 Gambar20. Karena letaknya yang dekat dengan katoda, bisa juga pin gate ini disebut pin gate katoda (cathode ( cathode gate). gate). Beginilah SCR dibuat dan simbol SCR digambarkan seperti Gambar20. SCR dalam banyak literatur disebut Thyristor saja.
Gambar 20. Struktur dan symbol SCR Melalui kaki (pin) gate tersebut memungkinkan komponen ini di trigger menjadi ON, yaitu dengan memberi 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 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 Gambar21 yang berikut ini.
Gambar 21. Karakteristik kurva I-V SCR Pada Gambar 21 tertera tegangan 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 breakover. Pada datasheet SCR, arus trigger gate ini sering ditulis dengan notasi IGT ( gate trigger current ). Pada gambar ada ditunjukkan juga arus Ih yaitu arus
holding yang holding yang mempertahankan SCR tetap ON. Jadi agar SCR tetap ON maka arus forward dari 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 short ke katoda. Satu-satunya cara ON, walaupun tegangan gate dilepas atau di short ke untuk membuat SCR menjadi OFF adalah dengan membuat arus anoda-katoda turun dibawah arus Ih (holding current ). ). Pada Gambar21 kurva I-V SCR, jika arus forward berada dibawah titik Ih, maka SCR kembali pada keadaan OFF. Berapa holding ini, umumnya ada di dalam datasheet SCR. besar arus holding ini,
Cara membuat SCR menjadi OFF tersebut adalah sama saja dengan 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.
3.b.2. TRIAC
Boleh dikatakan SCR adalah thyristor yang uni-directional, karena ketika ON hanya bisa melewatkan arus satu arah saja yaitu dari anoda menuju katoda. Struktur TRIAC sebenarnya adalah sama dengan dua buah SCR yang arahnya bolak-balik dan kedua gate-nya disatukan. Simbol TRIAC ditunjukkan pada Gambar22. TRIAC biasa juga disebut thyristor bi-directional thyristor bi-directional .
Gambar 22.Simbol TRIAC
TRIAC bekerja mirip seperti SCR yang paralel bolak-balik, sehingga dapat melewatkan arus dua arah. Kurva karakteristik dari TRIAC adalah seperti pada Gambar23 berikut ini.
Gambar 23. Karakteristik kurva I-V TRIAC Pada datasheet akan lebih detail diberikan besar parameter-parameter seperti Vbo dan -Vbo, lalu IGT dan -IGT, Ih serta -Ih dan sebagainya. Umumnya besar parameter ini simetris antara yang plus dan yang minus. Dalam perhitungan desain, bisa dianggap parameter ini simetris sehingga lebih mudah di hitung.
3.b.3. DIAC
Kalau dilihat strukturnya seperti Gambar 24, DIAC bukanlah termasuk keluarga thyristor, namun prisip kerjanya membuat ia digolongkan sebagai thyristor. DIAC dibuat dengan struktur PNP mirip seperti transistor. Lapisan N pada transistor dibuat sangat tipis sehingga elektron dengan mudah dapat menyeberang menembus lapisan ini. Sedangkan pada DIAC, lapisan N di buat cukup tebal sehingga elektron cukup sukar untuk menembusnya. Struktur DIAC yang demikian dapat juga dipandang sebagai dua buah dioda PN dan NP, sehingga dalam beberapa literatur DIAC digolongkan sebagai dioda.
Gambar 24. Struktur dan simbol DIAC
Sukar dilewati oleh arus dua arah, DIAC memang dimaksudkan untuk tujuan ini. Hanya dengan tegangan breakdown tertentu barulah DIAC dapat menghantarkan arus. Arus yang dihantarkan tentu saja bisa bolak-balik dari anoda menuju katoda dan sebaliknya. Kurva karakteristik DIAC sama seperti TRIAC, tetapi yang hanya perlu diketahui adalah berapa tegangan breakdown-nya. breakdown-nya. Simbol dari DIAC adalah seperti yang ditunjukkan pada Gambar 32. DIAC umumnya dipakai sebagai pemicu TRIAC agar ON pada tegangan input tertentu yang relatif tinggi.
c. TRANSISTOR
Transistor Sambungan itu
merupakan
dioda
dengan
dua
sambungan
junction). ( junction).
membentuk transistor PNP maupun NPN. Ujung-ujung
terminalnya berturut-turut berturut-turut disebut emitor, base dan kolektor. Base selalu berada di tengah, di antara emitor dan kolektor.
Gambar 25. 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 (vacum tube). tube). Selain dimensi transistor bipolar yang relatif lebih kecil, disipasi dayanya juga lebih kecil sehingga dapat bekerja pada suhu yang lebih dingin. Dalam beberapa aplikasi, transistor tabung masih digunakan terutama pada aplikasi audio, untuk mendapatkan kualitas suara yang baik, namun konsumsi dayanya sangat besar. Sebab untuk dapat melepaskan elektron, teknik yang digunakan adalah pemanasan filamen seperti pada lampu pijar. 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 Transistor). Seperti pada dioda, arus hanya akan mengalir hanya jika diberi bias positif, yaitu hanya jika bias). Pada tegangan pada material P lebih positif daripada material N ( forward bias). gambar ilustrasi transistor NPN berikut ini, junction b ase-emiter diberi bias positif bias). sedangkan base-colector mendapat bias negatif (reverse (reverse bias).
Gambar 26. 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 kolektor. 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 27. Macam-macam bentuk transistor
Jika misalnya tegangan base-emitor dibalik (reverse (reverse bias), 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 sebanding 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 aliran arus emiteremiterkolektor ( switch switch on/off ). ). Pada transistor PNP, fenomena yang sama dapat dijelaskan dengan memberikan bias seperti pada gambar berikut. Dalam hal ini yang disebut perpindahan arus adalah arus hole.
Gambar 28. 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 29. Penampang transistor bipolar
Dari satu bahan silikon (monolitic (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 pembahasan 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 30. 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 (databook ) beberapa hal perlu diperhatikan antara lain spesifikasi αdc (alpha dc) yang yang tidak lain adalah : αdc = IC/IE Defenisinya adalah perbandingan arus kolektor terhadap arus emitor. Karena besar arus kolektor umumnya hampir sama dengan besar arus emiter maka idealnya besar αdc adalah = 1 (satu). Namun umumnya transistor yang ada memiliki αdc kurang lebih antara 0.95 sampai 0.99. Pada tabel data transistor (databook (databook ) juga dapat dijumpai spesifikasi βdc (beta dc) atau hfe didefenisikan sebagai besar perbandingan antara arus kolektor dengan arus base. βdc = IC/IB Dengan kata lain, βdc adalah parameter yang menunjukkan kemampuan 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 o
o
TA = 25 dan PDmax pada TC = 25
3.c.1. Kurva Base
Hubungan antara IB dan VBE tentu saja akan berupa kurva dioda. Karena memang telah diketahui bahwa junction base-emitor tidak lain adalah sebuah dioda. Jika hukum Ohm diterapkan pada loop base diketahui adalah : IB = (VBB - VBE) / R B 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 31. 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.
3.c.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 rangkaian-01, tegangan dan tegangan kolektor-emiter VCE. Dengan mengunakan rangkaian-01, 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 32. kurva kolektor Dari kurva ini terlihat ada beberapa region yang menunjukkan daerah kerja
transistor. Pertama adalah daerah saturasi, saturasi, lalu daerah cut-off , kemudian daerah aktif dan aktif dan seterusnya daerah breakdown. breakdown. 3.c.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 tergantung dari besar arus IB. Daerah kerja ini biasa juga disebut daerah region). linear (linear (linear region). Dari hubungan tegangan dan arus pada loop kolektor, maka dapat diperoleh hubungan : VCE = VCC - ICR C Dapat dihitung dissipasi daya transistor adalah : PD = VCE.IC Rumus ini mengatakan jumlah dissipasi daya transistor adalah tegangan kolektoremitor 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 P Dmax, maka transistor dapat rusak atau terbakar.
3.c.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.
3.c.5. Daerah Saturasi
Jika kemudian tegangan VBE dinaikkan perlahan-lahan, sampai tegangan VCE tertentu tiba-tiba arus IC mulai konstan. Pada saat perubahan 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
3.c.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.
d. 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 (input switch, FET impedance) yang sangat besar. Terutama jika digunakan sebagai switch, lebih baik karena resistansi 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 keduanya 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. 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 (integrated circuit ), ), uC (micro (micro controller ) dan uP (micro (micro processor ) yang tidak lain adalah komponen utama dari komputer modern saat ini.
3.d.1. MOSFET Depletion-mode Gambar berikut menunjukkan struktur dari transistor jenis ini. Pad a 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 33. 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 terbentuk 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 semakin kecil arus drain yang bisa lewat atau bahkan menjadi 0 pada tegangan negatif tertentu. Karena lapisan deplesi telah menutup kanal. Selanjutnya jika tegangan gate dinaikkan sama dengan tegangan source, arus akan mengalir. Karena lapisan deplesi muali membuka. Sampai di sini prinsip kerja transistor MOSFET depletion-mode tidak berbeda dengan transistor JFET. Karena gate yang terisolasi, tegangan 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. Pabrikasi MOSFET depletion-mode
Gambar 34. 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 DMOSFET.
3.d.2. Kurva drain MOSFET depeletion mode Analisa kurva drain dilakukan dengan mencoba beberapa tegangan gate VGS konstan, lalu dibuat grafik hubungan antara arus drain ID terhadap tegangan
VDS.
Gambar 35. 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 : R DS(on) DS(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.
3.d.3. MOSFET Enhancement-mode Jenis transistor MOSFET yang kedua adalah MOSFET enhancementmode. mode. Transistor ini adalah pengembangan dari MOSFET depletion-mode. depletion-mode. Gate terbuat dari metal aluminium dan terisolasi oleh lapisan SiO 2 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 berikut ini.
Gambar 36. Struktur MOSFET enhancement-mode Gambar diatas adalah 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. 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 p ositif. 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 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 tegangan 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 enhancementmode masih OFF. Dikatakan bahwa JFET adalah komponen normally ON dan MOSFET adalah komponen normally OFF.
3.d.4. Pabrikasi MOSFET enhancement-mode Transistor MOSFET enhacement mode dalam beberapa literatur disebut juga dengan nama E-MOSFET.
Gambar 37. Penampang E-MOSFET (enhancement-mode)
Gambar diatas adalah bagaimana transistor MOSFET enhancement-mode depletion-mode, tetapi perbedaannya disini tidak dibuat. Sama seperti MOSFET depletion-mode, ada kanal yang menghubungkan drain dengan source. Kanal n akan terbentuk (enhanced) dengan memberi tegangan VGS diatas tegangan threshold tertentu. Inilah struktur transistor yang paling banyak di terapkan dalam IC digital.
3.d.5. Kurva Drain MOSFET enhacement-mode 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 dimana transistor mulai ON. Tegangan VGS pada garis kurva ini disebut tegangan threshold VGS(th).
Gambar 38. Kurva drain E-MOSFET
Karena transistor MOSFET umumnya digunakan sebagai saklar ( switch), switch), parameter yang penting pada transistor E-MOSFET ad alah resistansi drain-source. Biasanya yang tercantum pada datasheet adalah resistansi pada saat transistor ON. Resistansi ini dinamakan R DS(on) DS(on). Besar resistansi bervariasi mulai dari 0.3 Ohm sampai puluhan Ohm. Untuk aplikasi power switching , semakin kecil resistansi R DS(on) DS(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).
3.d.6. 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 kanal transistor tersebut.
Gambar 39. Simbol MOSFET, (a) kanal-n (b) ka nal-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) (input) mengatur arus keluaran 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 kalanya 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 R DS(on) DS(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.
e. OP-AMP (Penguat Operasi)
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 :
+
Gambar40. 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 OPAMP 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 “Inverting“ (-) diberi sinyal / tegangan bolak – balik sinus, maka pada output OP-AMP akan berbalik phasa terhadap inputnya.
3.e.1. Penguat Inverting OP-AMP dengan metoda input pembalik (inverting) seperti gambar41 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”
AU
=
U o U i
=−
RF R1 if ii
+
R1
+ Ui
-
iid
Uid
-
Rf
OP-AMP
+ Uo
+
-
Gambar41. Rangkaian penguat inverting
3.e.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 dahulu direpresentasikan dalam bentuk rangkaian ekivalen, lihat Gambar42
+ Op Amp
Ui
Uo
Rf
R1
Gambar42. Rangkaian penguat Non-inverting
Karena penguatan tegangan AU
Au
=
U O U I
=
U O U I
, maka
R = 1 + F R1
3.e.3. Penguat Penjumlah (Summing amplifier) Salah satu penggunaan rangkaian OP-AMP adalah pada penguat penjumlah (summing amplifier). Rangkaian penguat ini penguatan tegangan ditentukan oleh resistor (tahanan) pada masing-masing input dan tahanan umpan baliknya.
Gambar
berikut
(Gambar43)
menunjukkan
rangkaian
penguat
penjumlah (summing amplifier). Rangkaian ini dianalisis dalam bentuk operasi fungsi linear.
R1
U1
R2
U2
-
R3
U3
Uid
Uo
Op Amp +
Gambar43. Rangkaian penguat penjumlah (summing)
Besarnya tegangan output (Uo) tergantung pada tahanan depan (R 1, R 2, dan R 3) pada masing-masing tegangan input (U1,U2,dan U3) serta tergantung pada tahanan umpan balik (RF). Sehingga besarnya Uo adalah : U O
R R R = − .U 1 + .U 2 + .U 3 R 1 R 2 R F
F
F
R 3
U O
U U U = − 1 + 2 + 3 R R 1 R 2 R 3
F
3.e.4. Penyangga Tegangan (Voltage Buffer) Rangkaian penyangga tegangan (voltage buffer) adalah suatu pemisahan sinyal input terhadap beban dengan menggunakan suatu tingkat unit penguat tegangan yang tidak membalik polaritas dan atau phasanya. Disamping itu biasanya menggunakan OP-AMP yang mempunyai impedansi input yang sangat tinggi dan impedansi output yang sangat rendah. Gambar 4-9 berikut rangkaian “unity gain amplifier“ atau buffer
Uo Ui
+
Gambar44. Rangkaian OP-AMP sebagai “Buffer“
Besarnya tegangan output ( Uo ) U O
= U
i
Jadi besarnya penguatan tegangannya adalah 1 dan oleh karena itu biasanya disebut “unity follower amplifier“ atau “voltage follower” 3.f.4. Rangkaian Pengurang ( Subtractor circuit ) Rangkaian pengurang yang menggunakan OP-AMP pada dasarnya adalah saling mengurangkan dari 2 ( dua ) buah inputnya. Gambar berikut (Gambar 45) menunjukkan rangkaian OP-AMP sebagai pengurang (“subtractor”), atau kadangkadang disebut juga sebagai penguat p enguat beda (Differential Amplifier)
if i1
R1
Ui 1
U1
R2
OP-AMP
Ui2
i2
R3
U2
+
R4
Gambar 45 Rangkaian “ Subtractor “
Besarnya tegangan output ( Uo ) adalah :
Uo