SMK 10 Teknik Otomasi Industri_Agus Html

Agus Putranto dkk
TEKNIK OTOMASI
INDUSTRI
SMK
JILID 1
Direktorat Pembinaan Sekolah Menengah Kejuruan
Direktorat Jenderal Manajemen Pendidikan Dasar dan Menengah
Departemen Pendidikan Nasional
Hak Cipta pada Departemen Pendidikan Nasional
Dilindungi Undang-undang
TEKNIK OTOMASI
INDUSTRI
Untuk SMK
JILID 1
Penulis : Agus Putranto
Abdul Mukti
Djoko Sugiono
Syaiful Karim
Arie Eric Rawung
Sodikin Susa’at
Sugiono
Perancang Kulit : TIM
Ukuran Buku : 17,6 x 25 cm
Diterbitkan oleh
Direktorat Pembinaan Sekolah Menengah Kejuruan
Direktorat Jenderal Manajemen Pendidikan Dasar dan Menengah
Departemen Pendidikan Nasional
Tahun 2008
PUT PUTRANTO, Agus
t Teknik Otomasi Industri untuk SMK Jilid 1 /oleh Agus
Putranto, Abdul Mukti, Djoko Sugiono, Syaiful Karim, Arie Eric
Rawung, Sodikin Susa’at, Sugiono ---- Jakarta : Direktorat
Pembinaan Sekolah Menengah Kejuruan, Direktorat Jenderal
Manajemen Pendidikan Dasar dan Menengah, Departemen
Pendidikan Nasional, 2008.
xii, 330 hlm
Daftar Pustaka : LAMPIRAN A.
Glosarium : LAMPIRAN B.
ISBN : 978-979-060-089-8
ISBN : 978-979-060-090-4
KATA SAMBUTAN
Puji syukur kami panjatkan kehadirat Allah SWT, berkat rahmat
dan karunia Nya, Pemerintah, dalam hal ini, Direktorat
Pembinaan Sekolah Menengah Kejuruan Direktorat Jenderal
Manajemen Pendidikan Dasar dan Menengah Departemen
Pendidikan Nasional, telah melaksanakan kegiatan penulisan
buku kejuruan sebagai bentuk dari kegiatan pembelian hak cipta
buku teks pelajaran kejuruan bagi siswa SMK. Karena buku-buku
pelajaran kejuruan sangat sulit di dapatkan di pasaran.
Buku teks pelajaran ini telah melalui proses penilaian oleh Badan
Standar Nasional Pendidikan sebagai buku teks pelajaran untuk
SMK dan telah dinyatakan memenuhi syarat kelayakan untuk
digunakan dalam proses pembelajaran melalui Peraturan Menteri
Pendidikan Nasional Nomor 45 Tahun 2008 tanggal 15 Agustus
2008.
Kami menyampaikan penghargaan yang setinggi-tingginya
kepada seluruh penulis yang telah berkenan mengalihkan hak
cipta karyanya kepada Departemen Pendidikan Nasional untuk
digunakan secara luas oleh para pendidik dan peserta didik SMK.
Buku teks pelajaran yang telah dialihkan hak ciptanya kepada
Departemen Pendidikan Nasional ini, dapat diunduh (download),
digandakan, dicetak, dialihmediakan, atau difotokopi oleh
masyarakat. Namun untuk penggandaan yang bersifat komersial
harga penjualannya harus memenuhi ketentuan yang ditetapkan
oleh Pemerintah. Dengan ditayangkan soft copy ini diharapkan
akan lebih memudahkan bagi masyarakat khsusnya para
pendidik dan peserta didik SMK di seluruh Indonesia maupun
sekolah Indonesia yang berada di luar negeri untuk mengakses
dan memanfaatkannya sebagai sumber belajar.
Kami berharap, semua pihak dapat mendukung kebijakan ini.
Kepada para peserta didik kami ucapkan selamat belajar dan
semoga dapat memanfaatkan buku ini sebaik-baiknya. Kami
menyadari bahwa buku ini masih perlu ditingkatkan mutunya.
Oleh karena itu, saran dan kritik sangat kami harapkan.
Jakarta, 17 Agustus 2008
Direktur Pembinaan SMK
iv
v
KATA PENGANTAR
Puji syukur kehadirat Alloh, dengan tersusunnya buku Teknik
Otomasi Industri ini semoga dapat menambah khasanah referensi
khususnya di bidang tekologi industri yang akhir-akhir ini mulai
berkembang di Indonesia.
Isi buku ini sengaja disajikan secara praktis dan lengkap sehingga
dapat membantu para siswa Sekolah Menengah Kejuruan (SMK),
mahasiswa, guru serta para praktisi industri. Teknik Otomasi Industri
yang selama ini dideskripsikan secara variatif dan adaptif terhadap
perkembangan serta kebutuhan berbagai kalangan praktisi industri.
Penekanan dan cakupan bidang yang dibahas dalam buku ini sangat
membantu dan berperan sebagai sumbangsih pemikiran dalam
mendukung pemecahan permasalahan yang selalu muncul didalam
disain, pengendalian / pemgontrolan suatu sistem.
Oleh karena itu, buku ini disusun secara integratif antar disiplin
ilmu yaitu teknik elektronika analog, elektronika daya,teknik digital,
pemrograman dan elektronika daya yang saling mendukung sehingga
skill yang diperlukan terkait satu dengan lainnya. Secara tuntas, kualitas
maupun manajemen proses control standar yang berlaku di tingkat
internasional termasuk didalam wilayah pembahasan.
Tim penulis mengucapkan terima kasih kepada berbagai pihak
yang telah membantu materi naskah serta dorongan semangat dalam
penyelesaian buku ini. Kami sangat berharap dan terbuka untuk
masukan serta kritik konstruktif dari para pembaca sehingga dimasa
datang buku ini lebih sempurna dan implementatif.
Tim Penulis
vi
vii
DAFTAR ISI
KATA SAMBUTAN iii
KATA PENGANTAR v
DAFTAR ISI vii
BAB I PENDAHULUAN
1.1 PENGANTAR OTOMASI 1
1.2 SISTIM OTOMASI 4
1.3 ARSITEKTUR SISTEM 5
1.4 INDUSTRI PEMAKAI 8
1.5 SISTEM KONTROL INDUSTRI 8
BAB II PENGETAHUAN DASAR OTOMASI INDUSTRI
2.1 PENGETAHUAN LISTRIK DAN ELEKTRONIKA
2.1.1 BESARAN DAN SATUAN 11
2.1.1.1. SISTIM SATUAN 11
2.1.1.2. SATUAN – SATUAN 11
2.1.1.3. AWALAN SATUAN 11
2.1.1.4. DAFTAR AWALAN SATUAN 12
2.1.1.5. SATUAN DASAR : 13
2.1.1.6. SATUAN TAMBAHAN 13
2.1.1.7. SATUAN TURUNAN 13
2.1.1.8. SATUAN-SATUAN DALAM TEKNIK LISTRIK 14
2.1.2. STRUKTUR BAHAN 16
2.1.2.1. ATOM DAN MUATAN LISTRIK Q 16
2.1.2.2. MUATAN ELEKTRON 16
2.1.2.3. PENGHANTAR ARUS DALAM LOGAM 17
2.1.2.4. PENGHANTAR ARUS DALAM ZAT CAIR 18
2.1.2.5. PERISTIWA ATOM: 18
2.1.2.6. PEMBENTUKAN ION DALAM LARUTAN ENCER 20
2.1.2.7. PENGHANTAR ARUS DALAM GAS 20
2.1.2.8. IONISASI 21
2.1.2.9. PELEPASAN GAS 21
2.1.3. SUMBER LISTRIK 22
2.1.3.1. TEGANGAN LISTRIK 22
2.1.3.2. ARUS LISTRIK 23
2.1.3.3. KESEIMBANGAN MUATAN LISTRIK 24
2.1.4. PEMBANGKIT TEGANGAN 26
2.1.4.1. PEMBANGKIT TEGANGAN DENGAN INDUKSI 26
2.1.4.2. PEMBANGKIT TEGANGAN DENGAN TENAGA KIMIA 26
2.1.4.3. PEMBANGKIT TEGANGAN DENGAN TENAGA PANAS 27
2.1.4.4. PEMBANGKIT TEGANGAN DENGAN TENAGA CAHAYA 27
2.1.4.5. PEMBANGKIT TEGANGAN DENGAN PIEZO ELEKTRIK 27
2.1.5. RANGKAIAN LISTRIK 28
2.1.5.1. TENAGA LISTRIK 28
2.1.5.2. LISTRIK DALAM RANGKAIAN TERTUTUP 28
viii
2.1.5.3. USAHA ARUS LISTRIK 30
2.1.6. ELEKTROLISA 31
2.1.6.1. PERISTIWA KIMIA LISTRIK 31
2.1.6.2. PELAPISAN BAHAN 31
2.1.6.3. USAHA LISTRIK DALAM PROSES ELEKTROLISA 32
2.1.6.4. DAYA MEKANIK DALAM PROSES ELEKTROLISA 34
2.1.6.5. KONVERSI DAYA MEKANIK 34
2.1.6.6. PROSES PENYEPUHAN LOGAM 36
2.1.6.7. TUJUAN PENYEPUHAN 36
2.1.6.8. CARA MENDAPATKAN LOGAM MURNI 36
2.1.6.9. DAYA LARUTAN 38
2.1.6.10. URUTAN TEGANGAN KIMIA LISTRIK 38
2.1.6.11. POLARISASI ELEKTROLISA 40
2.1.7. ELEMEN GALVANIS 41
2.1.7.1. PASANGAN GALVANIS 41
2.1.7.2. SISTIM ELEKTROKIMIA 44
2.1.7.3. PERBANDINGAN SIFAT 44
2.1.7.4. PENGISIAN DAN PENGOSONGAN LISTRIK 45
2.1.7.5. DAYA GUNA AKKUMULATOR 46
2.1.7.6. KOROSI 46
2.1.8. TAHANAN LISTRIK ( R ) 47
2.1.8.1. TAHANAN DAN NILAI HANTAR 47
2.1.8.2. TAHAN JENIS r 48
2.1.8.3. KODE WARNA TAHANAN 49
2.1.8.4. TAHANAN STANDARD IEC 51
2.1.8.5. JENIS TAHANAN 52
2.1.8.6. TAHANAN FUNGSI SUHU DAN FUNGSI CAHAYA 54
2.1.8.7. PERUBAHAN TAHANAN 56
2.1.8.8. FAKTOR PERUBAHAN TAHANAN 57
2.1.8.9. TOLERANSI TAHANAN 58
2.1.9. PEMBAGI ARUS DAN TEGANGAN 59
2.1.9.1. HUKUM OHM 59
2.1.9.2. HUKUM KIRCHOFF 63
2.1.9.3. HUKUM KIRCHOF II 66
2.1.9.4. ANALISA PERCABANGAN ARUS 68
2.1.9.5. ANALISA ARUS LOOP 69
2.1.9.6. HUBUNGAN SERI 69
2.1.9.7. PEMBAGIAN TEGANGAN 70
2.1.9.8. RUGI TEGANGAN DALAM PENGHANTAR 73
2.1.9.9. PEMBEBANAN SUMBER 74
2.1.9.10. HUBUNGAN JAJAR. 75
2.1.10. PENGUKURAN RANGKAIAN 78
2.1.10.1. HUBUNGAN JEMBATAN 79
2.1.10.2. HUBUNGAN CAMPURAN 80
2.1.10.3. HUBUNGAN JEMBATAN ARUS SEARAH 81
2.1.10.4. JEMBATAN BERSETIMBANG 82
2.1.10.5. PEMBAGI TEGANGAN BERBEBAN 83
2.1.10.6. HUBUNGAN CAMPURAN BERBEBAN 83
2.1.10.7. HUBUNGAN DENGAN POTENSIOMETER 85
2.1.10.8. PARAREL SUMBER BERBEBAN 86
ix
2.1.10.9. RANGKAIAN SUMBER CAMPURAN 86
2.1.10.10. DAYA LISTRIK 88
2.1.11.11. DAYA GUNA(EFISIENSI) 90
2.1.11. PANAS LISTRIK 91
2.1.11.1. TEMPERATUR 91
2.1.11.2. PENGUKURAN TEMPERATUR 92
2.1.11.3. SKALA TERMOMETER 92
2.1.11.4. KWALITAS DAN KAPASITAS PANAS 93
2.1.11.5. KONVERSI BESARAN DAN SATUAN USAHA 97
2.1.11.6. KONVERSI BESARAN DAN SATUAN DAYA 97
2.1.11.7. DAYA GUNA EFISIENSI 99
2.1.11.8. PERPINDAHAN PANAS 100
2.2 KOMPONEN LISTRIK DAN ELEKTRONIKA
2.2.1. KONDENSATOR 104
2.2.1.1. KUAT MEDAN LISTRIK 105
2.2.1.2. DIELEKTRIKUM 106
2.2.1.3. PERMITIFITAS LISTRIK 107
2.2.1.4. PENGARUH ELEKTROSTATIK 111
2.2.1.5. KAPASITAS KONDENSATOR / KAPASITOR 114
2.2.1.6. ENERGI TERSIMPAN PADA KONDENSATOR 115
2.2.1.7. SIFAT HUBUNGAN KONDENSATOR 117
2.2.1.8. RANGKAIAN PARAREL : 118
2.2.1.9. RANGKAIAN SERI ( DERET ) 118
2.2.2 KEMAGNETAN 119
2.2.2.1. KEKUATAN MAGNET 119
2.2.2.2. TEORI WEBER. 120
2.2.2.3. TEORI AMPERE. 120
2.2.2.4. SIFAT MEDAN MAGNET 121
2.2.2.5. RANGKAIAN MAGNET 121
2.2.2.6. BESARAN MAGNET 124
2.2.2.7. FLUKSI MAGNET 126
2.2.3 DIODA 141
2.2.3.1. DASAR PEMBENTUKAN DIODA 141
2.2.3.2. DIODA ZENNER 142
2.2.3.3. SIFAT DASAR ZENNER 144
2.2.3.4. KARAKTERISTIK ZENNER 146
2.2.4. DIODA VARACTOR 156
2.2.4.1. BIAS BALIK, KAPASITANSI PERSAMBUNGAN 156
2.2.4.2. BIAS MAJU , KAPASITANSI PENYIMPANAN 158
2.2.5. DIODA SCHOTTKY 159
2.2.6. DIODA TUNNEL 162
2.2.7 TRANSISTOR 164
2.2.7.1. PROSES PEMBUATAN 165
2.2.7.2. PENGARUH TEMPERATUR 167
2.2.7.3. KURVA KARAKTERISTIK 167
2.2.7.4. PENENTUAN RUGI 170
2.2.7.5. HUBUNGAN DASAR TRANSISTOR 178
2.2.8 TRANSISTOR EFEK MEDAN ( FET ) 183
x
2.2.8.1. PARAMETER JFET 191
2.2.8.2. ANALISA RANGKAIAN FET 196
2.2.8.3. KONFIGURASI-KONFIGURASI RANGKAIAN JFET 199
2.2.8.4. FET SEBAGAI PENGUAT 201
2.2.8.5. FET SEBAGAI SAKLAR DAN MULTIVIBRATOR 201
2.2.8.6. BIAS MOSFET 203
2.2.8.7. D-MOSFET 204
2.2.8.8. E MOSFET 207
2.2.9. UNI JUNCTION TRANSISTOR 225
2.2.9.1. SIFAT DASAR UJT 226
2.2.9.2. PRINSIP KERJA UJT SEBAGAI OSCILATOR 230
2.2.10. DIODA AC 231
2.2.11 OPERASIONAL AMPLIFIER 235
2.2.11.1 PENGENALAN OP-AMP 235
2.2.11.2 PENGUAT BEDA DAN KASKADE 250
2.2.11.3 INTERPRETASI DATA DAN KARAKTERISTIK OPAMP 289
2.2.11.4 RANGKAIAN APLIKASI OPAMP 288
BAB III DASAR TEKNIK DIGITAL
3.1 ALJABAR BOOLEAN 313
3.2 OPERASI LOGIKA DASAR AND, OR DAN NOT 313
3.3 OPERASI LOGIKA KOMBINASI NAND, NOR DAN
EXCLUSIVE OR 315
3.4 MULTIPLEKSER 317
3.5 DEKODER 318
3.6 FLIP -FLOP 318
3.7 MEMORY 323
3.8 REGISTER GESER 325
3.9 COUNTER 331
BAB IV DASAR ELEKTRONIKA DAYA
4.1 SEJARAH ELEKTRONIKA DAYA 335
4.2 PENGERTIAN DAN PRINSIP KERJA 335
4.3 KOMPONEN ELEKTRONIKA DAYA 339
4.4. CONTOH RANGKAIAN ELEKTRONIKA DAYA 348
BAB V PENGUKURAN, PENGENDALI (KONTROL) DAN
PENGATURAN
5.1 DEFENISI 359
5.2 SENSOR 360
5.3 PERANCANGAN KONTROLER 372
5.4 KONTROLER LOGIKA FUZZY 384
5.5 AKTUATOR 414
BAB VI SISTIM MIKROKOMPUTER
6.1 ARITMATIKA KOMPUTER 439
6.2 MODE OPERASI KOMPUTER 453
xi
BAB VII MIKROPROSESOR Z-80
7.1 MIKROPROSESSOR Z-80 475
BAB VIII MIKROKONTROLER
8.1 MIKROKONTROLLER 68HC11F1 563
8.2 MODE OPERASI DAN DESKRIPSI SINYAL 564
8.3 MEMORY, KONTROL DAN REGISTER STATUS 573
8.4 PORT INPUT/OUTPUT 577
8.5 CHIP SELECTS 581
8.6 RESET, INTERRUPTS DAN LOW POWER MODES 583
8.7 PROGRAMMABLE TIMER 587
8.8 EEPROM 591
8.9 SERIAL COMMUNICATION INTERFACE (SCI) 593
8.10 SERIAL PERIPHERAL INTERFACE (SPI) 596
8.11 ANALOG TO DIGITAL CONVERTER 597
8.12 INFORMASI PEMROGRAMAN 600
8.13 MODUL MIKROKONTROLLER VEDCLEMPS 613
8.14 SOFTWARE VEDCLEMPSWIN 625
8.15 PERMODELAN FUZZY 650
BAB IX KONTROL BERBASIS KOMPUTER
9.1 MENGENAL INTEGRATED DEVELOPMENT
ENVIRONMENT (IDE) VISUAL BASIC 6 659
9.2 PERALATAN INPUT OUTPUT 717
9.3 MENGAKSES PORT SERIAL 719
9.4 IMPLEMENTASI PEMROGRAMAN UNTUK APLIKASI
KONTROL MELALUI PORT SERIAL 734
9.5 MENGAKSES PORT PARALEL 773
9.6 IMPLEMENTASI PEMROGRAMAN UNTUK APLIKASI
KONTROL MELALUI PORT PARALEL LPT 779
LAMPIRAN A. DAFTAR PUSTAKA
LAMPIRAN B. GLOSARIUM
xii
1
BAB I. PENDAHULUAN
1.1 Pengantar Otomasi
Otomasi (bahasa Greek berarti belajar sendiri), robotisasi atau
otomasi industri atau kontrol numerik merupakan pemanfaatan sistem
kontrol seperti halnya komputer yang digunakan untuk mengendalikan
mesin-mesin industri dan kontrol proses untuk menggantikan operator
tenaga manusia. Industrialisasi itu sendiri merupakan tahapan dalam
pelaksanaan mekanisasi, dimana konsep mekanisasi tetap mesin-mesin
industri dilakukan manusia sebagai operator dengan menempatkan
mesin sebagai pembantunya sesuai dengan permintaan kerja secara
fisik, yang jelas terjadi penurunan besar-besaran kebutuhan manusia
sebagai sensor begitu juga berkaitan dengan mental kerja.
Otomasi mampu meningkatkan aturan main dalam era ekonomi
global dan meningkatkan pengalaman kerja sehari-hari, misal seorang
insinyur dapat mengembangkan penggabungan berbagai ragam devais
secara otomatisbdan dengan bantuan model matematika dan peralatan
pengorganisasi untuk membangun sistem yang sangat kompleks
sehingga mempercepat pengembangan aplikasi dan kegiatan manusia.
Walaupun demikian masih banyak pekerjaan yang harus ditangani oleh
manusia, bahkan dengan berkembangnya teknologi otomasi memberikan
banyak peluang kerja bagi manusia, yang cocok dengan pemanfaat mata
manusia untuk pekerjaan presisi dan akurasi, pemanfaatan telinga
manusia, bahkan kebutuhan mutlak tenaga manusia untuk
mengidentifikasi dan mencium wewangian yang tidak mungkin dilakukan
oleh mesin otomatis. Pengenalan patern manusia, pengenalan bahasa
dan kemampuan produksi memang seyogyanya dilakukan oleh insinyur
di bidang otomasi.
Seorang spesialis harware komputer, pengguna programmable
logic controllers (PLCs), sering menerapkan sistem sinkronisasi aliran
input dari sensor dan disesuaikan dengan keadaan aliran output untuk
menentukan kondisi aktuator. Hal ini berfungsi untuk keperluan aksi
kontrol secara presisi, yang memang menjadi keharusan terkait dengan
kontrol hampir di semua proses industri. Pengalaman nyata yang sangat
menakutkan dunia adalah saat datangnya Y2K bug dimana komputer
diprediksi akan mengalami kekacauan, akan tetapi hal itu berjalan terus
bahkan banyak temuan baru di bidang komputer sebagai alat kontrol
otomaasi industri.
2
Human-machine interfaces (HMI) atau computer human interfaces
(CHI), yang lebih dikenal dengan man-machine interfaces, biasanya
digunakan untuk berkomunikasi dengan PLC dan komputer lainnya,
seperti entering dan monitoring temperatur atau tekanan untuk kontrol
otomatis atau untuk kebutuhan respon terhadap kondisi emergensi.
Orang yang bertugas dalam pelayanan monitor dan kontrol interface
tersebut sering disebut dengan operator stasiun. Bentuk lain
pemanfaatan komputer dalam bidang otomasi adalah pada perlatan tes
otomatis, dimana otomatis kontrol komputer yang digunakan pada
peralatan tes diprogram untuk mensimulasikan pekerjaan manusia
sebagai penguji dalam tes manual biasanya dalam bentuk aplikasi.
Gambar 1.1. Otomasi Kontrol Industri
Hal ini sering merupakan bentuk penyelesaian melalui
penggunaan peralatan tes otomatis untuk menentukan urutan secara
khusus (biasanya ditulis dalam program komputer), dan sekaligus
langsung mengendalikan peralatan tes untuk menyelesaikan tugas tes.
Sebagai bentuk akhir otomasi adalah dalam bentuk otomasi software,
yaitu pemanfaatan komputer sebagai pencatat makro kegiatan harian
pekerja (mouse dan keyboard) sebagai makro pemutaraan balik pada
waktu yang akan datang.
3
Gambar 1.2. Penggunaan robot dalam otomasi proses
(pembuatan mobil)
Dalam operasional otomasi industri tidak jarang ditemui
kegagalan, kerusakan atau gangguan yang harus diantisipasi dalam
bentuk perawatan dan pemeliharaan disamping layanan prima dalam
instalasi dan setup awal penerapan otomasi industri. Dilihat secara
hardware dan software sistem otomasi banyak berhubungan dengan
komponen elektronik, program komputer, pengukuran, sensor, aktuator
dan sistem pengaturan, oleh karena itu seorang pekerja yang
memberikan layanan dan penjaminan kualitas terhadap operasional
sistem industri harus memiliki kompetensi di bidang tersebut di atas
dilandasi teori dasar dan sikap yang profesional.
4
1.2 Sistem Otomasi
Kemajuan dibidang teknologi terutama pada bidang Elektronika
dan teknologi ICT sangat pesat dan ini sangat mempengaruhi kemajuan
pada proses produksi di industri, ada tuntutan bagi industri yaitu bekerja
cepat, optimnal, jumlah produksi banyak dan ketelitian serta akurasi
produk sebagai tuntutan kualitas harus dipenuhi. Untuk memnuhi tuntutan
tersebut tidak mungkin dipenuhi apabila masih mengandalkan
kemampuan manual dan menggantungkan produksi dari kerja sumber
daya manusia yang memiliki keterbatasan ketahanan bekerja dalam
waktu yang lama, kerja malam hari, ketelitian dan kesamaan karakteristik
hasil produk. Oleh karena itu sistem otomasi elektronika saat ini
berkembang sangat pesat baik dari sisi teknologi, konfigurasi, maupun
kapasitas dan kemampuannya. Sistem ini sangat universal dan fleksibel
sehingga dapat dimanfaatkan oleh industri kecil sampai dengan industri
besar di segala bidang dengan cakupan pemakaiannya sangat luas dan
beragam.
Sistem Otomasi Industri dapat diartikan sebagai sistem dengan
mekanisme kerja dikendalikan oleh peralatan elektronik ( electronic
hardware ) berdasarkan urutan-urutan perintah dalam bentuk program
perangkat lunak (electronic software ) yang disimpan di dalam unit
memori kontroler elektronik. Dalam membangun sistem otomasi industri
antara hardware, software harus menjadi satu kesatuan dan merupakan
sekuensial (urutan) pekerjaan atau sering disebut dengan tahapan, yang
meliputi pekerjaan tahap pembangunan yaitu suatu industri dipersiapkan
sejak awal yang meliputi perencanaan, persiapan, perakitan , instalasi,
pemrograman, inspeksi, komisioning. Selanjutnya pekerjaan tahap
operasional dimana sistem otomasi industri sudah siap dioperasikan,
sehingga perlu pemeliharaan dan jika terjadi kerusakan perlu dilakukan
perbaikan. Oleh karena sistem otomasi industri perkembangan
berdasarkan tuntutan kebutuhan sangat tinggi maka sisem otomasi harus
senantiasa dikembangkan, sehingga diperlukan pekerjaan tahap
pengembangan meliputi perencanaan, persiapan, perakitan, instalasi,
pemrograman, inspeksi, komisioning.Otomasi: dapat didefmisikan
sebagai teknologi yang berlandaskan pada aplikasi sistem mekanik,
elektronik dan komputer. Sering aplikasi otomasi industri dibuat dalam
bentuk robot industri, dan robot merupakan komponen utama dalam
teknologi otomasi berfungsi sebagai pelaksana pekerjaan yang biasanya
dikerjakan oleh buruh, pekerja manusia. Oleh karena robot merupakan
mesin yang dibuat dalam pabrik maka ia memiliki kemampuan dan daya
tahan bekerja secara terus-menerus tanpa mengenal lelah. Penempatan
robot dalam aplikasi otomasi industri hingga saat ini selalu berkembang,
dalam aplikasinya robot industri dibuat mulai dari yang sederhana seperti
belt konveyer, mesin pengisi minuman, mesin las otomatis sampai
aplikasi robot modern untuk pembuatan mobil, pesawat terbang dan
pusat tenaga nuklir. Dengan demikian robot dapat diciptakan untuk
5
menggantikan posisi-posisi pekerja baik dalam bagian produksi dengan
program keahlian rendah maupun sebagai pengganti teknisi profesional
dengan program keahlian lebih komplek.
Ditinjau dari aplikasinya otomasi dapat dibedakan berdasarkan obyek
yang harus diselesaikan, yaitu:
1. Tipe tetap yaitu mesin otomatis dibuat khusus untuk
menyelesaikan pekerjaan produksi tertentu saja, dan tidak
drancang untuk meyelesaikam produk lainnya. Pada umumnya
mesin otomasi jenis ini digunakan untuk produksi dalam jumlah
banyak dan dibutuhkan waktu produksi yang cepat akan tetapi
sangat ekonomis biaya produksinya dengan efisiensi yang cukup
tinggi.
2. Tipe semi tetap: mesin dibuat untuk memproduksi atau
menangani satu macam produk atau tugas, namun dalam
beberapa parameter (ukuran, bentuk dan bagian produk) dapat
diatur secara terbatas. Investasi awal termasuk cukup tinggi,
karena mesin masih bersifat khusus. Robot yang mandiri
termasuk dalam kategori ini.
3. Tipe fleksibel, mesin dibuat agar dapat digunakan untuk banyak
ragam produknya, sistem otomasi lebih bersifat menyeluruh,
bagianbagian produk dapat diproduksi pada waktu yang
bersamaan. Yang termasuk dalam kategori ini misalnya FMS
(Flexible Automation System) dan CIM (Computer Integrated
Manufacturing). Robot adalah salah satu pendukung dalam
kelompok otomasi ini.
Sistem otomasi tidak bisa lepas dengan sistem pengaturan
ataupun sistem pengendalian, dan dalam sistem pengaturan tujuan
utamanya adalah mengatur dan mengendalikan nilai output tertentu dari
sebuah peralatan sehingga mencapai nilai yang dikehendaki. Peralatan
yang dikendalikan disebut dengan Plan, peralatan yang mengatur atau
mengendalikan disebut dengan kontroler dan nilai yang ingin dicapai
disebut dengan input atau setting point. Besaran yang dikendalikan pada
sistem pengaturan diantaranya suhu (temperatur), kecepatan, arus dan
tegangan listrik, tekanan dst.
1.3 Arsitektur Sistem
Arsitektur sistem otomasi elektronika yang dimaksud adalah DDC
(Direct Digital Control) dan DCS (Distributed Control System ) yang
diperlihatkan pada gambar 1-3 dan 1-4. Sistem akan semakin kompleks
dengan semakin besarnya jumlah variabel proses dan jumlah input /
6
output ( I/O ) yang digunakan dalam melayani kebutuhan produksi dalam
industri.
PROCESS CONTROLLER :
- Microcontroller
- Microcomputer
- PLC
PROCESS / PLANT
SERIAL / PARALEL INTERFACE
I/O INTERFACE
MONITOR
KEYBOARD
I/O INTERFACE
I/O BUS
Gambar 1-3: Sistem Otomasi Direct Digital Control ( DDC ) [1]
[1] Karl J. Astrom : Computer Controlled Systems, 2nd Ed., Prentice-Hall,
NJ, 1990.
Unit yang ada pada DDC merupakan unit peralatan elektronik meliputi :
· Peralatan Kontrol Proses (analog dan diskrit)
· Peralatan Input dan Output (sensor, aktuator)
· Peralatan Instrumentasi
· Peralatan Komunikasi Data
Disamping itu pada DDC juga dilengkapi dengan unit perangkat lunak :
· Operating System Software
· Communication Protocol
· DDC Application Software
7
PROCESS ENGINEERS
WORKSTATION
OS
PROCESS
CONTROLLER
PROCESS
CONTROLLER
LOCAL OPERATOR
STATION
I/O
INTERFACE
I/O
INTERFACE
I/O
INTERFACE
I/O
INTERFACE
I/O
INTERFACE
I/O
INTERFACE
PROCESS BUS PROCESS BUS
PROCESS
MAIN CONTROL ROOM
MIS
PROCESS CONTROL LAB
OS
LOCAL AREA NETWORK
Gambar 1-4 : Distributed Control System ( DCS ) [2]
[2] Karl J. Astrom : Computer Controlled Systems, 2nd Ed., Prentice-Hall,
NJ, 1990 ].
DCS dilengkapi dengan unit Sistem DCS, yaitu,
Unit Peralatan Elektronik :
· Peralatan Kontrol Proses
· Peralatan Input dan Output
· Peralatan Akuisisi Data
· Peralatan Instrumentasi
· Peralatan Interkoneksi
Unit Peralatan Jaringan Komputer (LAN):
· Client & Server Computer
· Peralatan Interkoneksi ( NIC, Konektor, Saluran Transmisi, HUB,
Modem )
Unit Perangkat Lunak :
· Operating System Software ( Computer & LAN )
· Communication Protocol
· DCS Application Software
· Database & Information System
8
1.4 Industri Pemakai
Pengelompokan industri yang menggunakan sistem DDC dan DCS
diperlihatkan pada tabel 1 -1, berikut ini:
Tabel 1-1 : Kelompok Industri Pemakai
SISTEM OTOMASI DCS SISTEM OTOMASI DDC
Industri Logam Dasar Industri Obat
Industri Konstruksi Logam Industri Pengolahan Makanan
Industri Minyak dan Gas Industri Pengolahan Minuman
Industri Kimia Industri Kosmetik
Industri Peralatan Elektronika Industri Pengolahan Kayu
Industri Peralatan Listrik Industri Taman Hiburan
Industri Otomotif Gedung Bertingkat
Industri Peralatan dan Mesin
Produksi
Industri Pipa
Industri Pesawat Terbang
Industri Kapal Laut
Industri Telekomunikasi
Industri Pengolahan Biji Plastik
Industri Gelas dan Keramik
Industri Plastik
Industri Kertas
1.5 Sistem Kontrol Otomasi Industri
Unsur penghubung pengukuran dan elemen kendali paling akhir
(output) adalah pengontrol, sebelum adanya penggunaan komputer,
pengontrol pada umumnya berupa pengontrol single-loop PID. Hal ini
menyebabkan banyaknya produksi pengontrol berupa pengontrol PID
dan hanya bisa melaksanakan fungsi kontrol PID, saat kini sebuah
pengontrol dapat melakukan banyak hal bagaimanapun permasalahan
yang harus diselesaikan, perkembangan terakhir 80 sampai 90%
pengontrol PID masih banyak digunakan. Sekarang sudah banyak sistem
yang menggunakan diskrit yang dalam implementasinya menggunkan
komputer, melalui bahasa pemrograman dapat dibangun sistem kontrol
Fuzzy logic, Neural Network, Knowledge base dll. Sudah tentu bahwa
sangat sukar untuk katakan pengontrol analog lebih baik daripada
pengontrol digital, yang jelas kedua pengontrol dapat bekerja sesuai
dengan fungsinya untuk mencapai pekerjaan yang diberikan. Pengontrol
9
analog didasarkan pada perubahan yang diakibatkan oleh komponen
elektrik/mekanik dan menyebabkan perubahan pada proses yaitu dari
elemen kendali yang paling akhir. Pada elemen kendali akhir inilah
merupakan bagian yang bergerak terus menerus tidak ada batasan waktu
selalu memberikarikan tanggapan pada proses, sehingga ada sedikit
perubahan selalu pasti ada perubahan pada proses. Berikut beberapa
contoh gambar industri yang telah menggunakan sistem kontrol dalam
melaksanakan proses produksinya.
Gambar 1 -5 Sistem kontrol menggunakan PLC berikut panel kontrol
otomasi
Gambar 1-6 Operator konsol Gambar 1-7 Ruang Kontrol Otomasi
Gambar 1-8 Sistem Master Kontro (ABB)l
10
11
BAB II KOMPONEN ELEKTRONIKA
2.1. PENGETAHUAN LISTRIK DAN ELEKTRONIKA
2.1.1. BESARAN DAN SATUAN
2.1.1.1. SISTIM SATUAN
- Panjang m
- Massa kg
- Waktu s
- Arus listrik A
- Suhu K
- Kuat cahaya cd
- Jumlah unsur mol
- Sudut bidang Datar rad
- Sudut ruang Sr
- Luas m2
- Isi m3
- Kecepatan
m
s
-Percepatan
m
s2
- Luas m2
- Isi m3
-Kecepatan
m
s
-Percepatan
m
s2
2.1.1.2. SATUAN - SATUAN
:
-amper
-volt
-ohm
-siemens
-watt
-joule
-Coulomb
-farad
-weber
-tesla
-henry
-hertz
2.1.1.3. AWALAN SATUAN :
exa 10 18
tera 10 12
mega 10 6
hekto 10 2
penta 1015
giga 10 9
kilo 10 3
deka 10 1
dezi 10 -1
milli 10 - 3
nano 10 - 9
femto 10 -15
centi 10 -2
mikro 10 - 6
piko 10 - 12
atto 10 - 18
SISTEM SATUAN INTERNASIONAL
SATUAN DASAR SATUAN TAMBAHAN SATUAN TURUNAN
12
2.1.1.4. DAFTAR AWALAN SATUAN
Tabel 2.1 Awalan Satuan
KELIPATAN AWALAN LAMBANG
= 1
mega
kilo
_
milli
mikro
nano
piko
M
k
_
m
m
n
p
1 kA = 1 kilo ampere = 1000 A = 10 3 A
1 mA = 1 milli ampere = 1000
1 A = 10 -3 A
1 mA = 1 mikro ampere = 1000000
1 A = 10 -6 A
1 MV = 1 megavolt = 1000000 V = 10 6 V
1 kV = 1 kilovolt = 1000 V = 10 3 V
1 mV = 1 millivolt = 1000
1 V = 10 -3 V
1 mV = 1 mikrovolt = 1000000
1 V = 10 -3 V
1 MW = 1 mega ohm = 1 000 000 W = 10 6 W
1 k W = 1 kilo ohm = 1000 W = 10 3 W
1 mW = 1milli ohm = 1000
1 W = 10 -3 W
Contoh :
Besaran Tanda Satuan Pernyataan
Kuat Arus Listrik I ampere A
Tegangan Listrik U volt V
Daya ( tenaga ) P watt W
Tahanan Listrik R ohm W
13
2.1.1.5. SATUAN DASAR :
Tabel 2.2 Satuan Dasar
Besaran
Dasar
Tanda Satuan Pernyataan
Panjang l meter m
Massa m kilogram kg
Waktu t detik s
Arus Listrik I ampere A
Suhu T kelvin K
Kuat cahaya Iv candela cd
Jumlah unsur N mol mol
2.1.1.6. SATUAN TAMBAHAN
Tabel 2.3 Satuan Tambahan
Besaran Tanda Satuan Pernyataan
Sudut Bidang datar a , b , c, radian rad
Sudut Ruang w , W steradian Sr
2.1.1.7. SATUAN TURUNAN
Tabel 2.4 Satuan Turunan
Besaran
Turunan
Tanda Satuan Pernyataan
Luas A meter persegi m2
Isi ( Volume ) V meter kubik m3
Kecepatan v meter perdetik ms -1 atau
s
m
Percepatan a
meter perdetik
kwadrat
ms-2 atau
s2
m
14
2.1.1.8. SATUAN-SATUAN DALAM TEKNIK LISTRIK
Tabel 2.5 Satuan dan Besaran Listrik
Satuan / Besaran Satuan Dasar Turunan
amper ( A ) Satuan dari
kuat arus listrik ( I ) .
1 A = 1
3
2
V. s
kg.m
volt ( V ) Satuan dari tegangan listrik ( U )
V =
A
w
1 V = 1
s .A
kg.m
3
2
ohm ( W ) Satuan dari tahanan listrik ( R )
W =
A
V 1 W = 1 3 2
2
s .A
kg. m
siemen ( S ) Satuan dari daya hantar ( G )
S =
W
1 =
V
A
1 S = 1
2
3. 2
kg m
s A
watt ( W ) Satuan dari daya listrik ( P )
W = V x A =
J
s
1 W = 1 3
2
s
kg m
joule ( J ) Satuan dari usaha listrik ( W )
1 J = 1 Nm = 1 Ws = 1 VAs
1 J = 1 2
2
s
kg m
Coulomb ( C ) Satuan kapasitasi
listrik ( C )
C = As
1 C = 1 As
15
Satuan / Besaran Satuan Dasar
Turunan
farad ( F ) Satuan dari kapasitasi listrik ( C
)
F =
V
C =
V
As 1 F = 1 2
4 2
kg m
s A
weber ( WB ) Satuan dari fluks
magnet ( Q ), Wb = vs
1 Wb = 1
s A
kg m
2
2
Tesla ( T ) Satuan dari kerapatan fluks
magnet ( B )
T = m2
Vs = m2
Wb
1 T = 1
s A
kg
2
ampere per meter ( A/m ) Satuan kuat
medan magnit ( H )
m
A m
A
henry ( H ) Satuan dari induktansi ( L )
H = = = Ws
A
Wb
A
Vs
1 H = 1 2 2
2
s A
kg m
hertz ( Hz ) Satuan dari frekuensi ( f ) Hz
1 Hz = 1
1
s
Contoh soal :
1. Rumus U = I . R ( A x W )
Jawab : U = I . R ( A . W )
U = A .
3 2
2
s .A
kg.m
U =
s .A
kg.m
3
2
2. Rumus P = I 2 . R ( A2 . W )
Pindahkan kedalam satuan dasar .
Jawab : P = I 2 . R
P = A2 .
3 2
2
s .A
kg.m = 3
2
s
kg m
16
2.1.2. STRUKTUR BAHAN
2.1.2.1. ATOM DAN MUATAN LISTRIK Q
Bagian suatu atom
Gambar 2.1 Bagian Suatu Atom
Tabel 2.6 Proton dan elektron adalah muatan listrik
Keterangan f dalam mm Massa dalam g Jenis muatan listrik
Atom lengkap d A 10-12
Inti atom d K 10-12
Proton 10-12 1,7 . 10-24 Positif
Neutron 10-12 1,7 . 10-24 Netral
Elektron 10-12 9,1 . 10-28 Negatif
2.1.2.2. MUATAN ELEKTRON
Atom terdiri dari dua bagian yaitu bagian dalam berupa inti bermuatan
positif dan pada bagian luar adalah elektron yang bermuatan negatif, dan
mengitari inti. Sedangkan inti terdiri dari proton dan neutron. Satu atom
ada yang mempunyai jumlah proton sama dengan elektron, maka pada
bagian luar bekerja listrik yang netral.
Muatan elektron yang sama jenis saling tolak menolak, muatan yang
berlawanan saling tarik menarik.
Gambar 2.2 Tarik – Menarik Antar Muatan Elektron
Lintasan 2
Lintasan 1
Elektron
Inti (Ptoton dan netron
dK
dA
17
Satuan dari muatan listrik : 1 coulomb ( IC ) atau
1 amper sekon ( 1 As ) C = 1 As 1 As Ù 6,24 . 1018 elektron.
2.1.2.3. PENGHANTAR ARUS DALAM LOGAM
Atom-atom di dalam logam tersusun menurut suatu ikatan geometris
yang sempurna ( kisi logam )
Kisi logam Kejadian elektron bebas di dalam logam
Gambar 2.3 Pergerakan Elektron Bebas dalam Logam
Elektron bebas dan muatan positif suatu penghantar
Muatan ( ion ) positif yang tidak bergerak
Gambar 2.4 Elektron Bebas dan Muatan Positif dalam Suatu Penghantar
Pada penghantar yang baik, perak atau tembaga, jumlah elektron bebas
sama dengan jumlah atom.
Contoh :
Kawat tembaga : panjang = 1 m, luas penampang = 1 mm2 berisi
kira-kira 85 . 1021 atom. mempunyai elektron bebas. Benda lain
seperti kayu, porselen dsb, memiliki elektron bebas sedikit.Bahan ini
bukan penghantar listrik, melainkan penyekat listrik.
Logam mempunyai elektron-elektron bebas, mereka di dalam penghantar
bergerak bebas.
Elektron bebas ini berlaku sebagai penghantar listrik.
18
2.1.2.4. PENGHANTAR ARUS DALAM ZAT CAIR
Pada zat cair tiap-tiap atom atau molekul dapat bergerak bebas
Percobaan :
Gambar 2.5 Percobaan Penghantar Arus dalam Zat Cair
Ketentuan :
Air destilasi ( air suling ) adalah bukan penghantar, Dia tidak
mengalirkan arus.
Dengan menambahkan garam dapur, air destilasi menjadi penghantar
dan mengalirkan arus.
2.1.2.5. PERISTIWA ATOM:
Molekul garam akan terurai dari air “Elektron - bersama” suatu molekul
Na j tinggal pada atom j ;Oleh karena itu terjadi :1 Atom NA dengan
kekurangan 1 elektron ( Ion Na positif ) 1 Atom CL dengan kelebihan 1
elektron ( ion C negatif )
Sifat kelistrikan atom yang tidak sama dinamakan ION ( berpindah )Dia
didalam zat cair bertindak sebagai penghantar listrik.
Garam dapur : Natrium + Chlor Natriumchlorida
Garam
19
Na ú
û
ù
êë
é
-
+
11
11 C1 ú
û
ù
êë
é
-
+
17
17
Gambar 2.6 NaCI ( molekul garam dapur )
Ikatan kimia melalui kerjasama elektron ( elektron valensi )
Na ú
û
ù
êë
é
-
+
10
11 C1 ú
û
ù
êë
é
-
+
18
17
Gambar 2.7 Ikatan kimia elektron ( elektron valensi ) NaCl
Penghantaran arus dalam zat cair dinamakan elektrolit
20
Tabel 2.7 Perbedaan Cairan Elektrolit dan Non-Elektrolit
Elektrolit Bukan Elektrolit
-Larutan asam
-larutan alkali ( Basa )
-larutan garam
Contoh : -Asam belerang
-Natron basa
-Air sumur
- air murni( destilasi )
- Hidrokarbon
- alkohol
Contoh --Minyak isolasi
--Aseton
Elektrolit adalah bahan, dalam
bentuk larutan penghantarkan arus
listrik, tetapi dalam bentuk padat
bukan penghantar (ini berbeda
dengan logam, yang mana juga
sebagai penghantar padat )
Elektrolit didalam air ter belah
menjadi ion positif dan negatif (
diisolasi )
Bukan elektrolit adalah bahan,
larutan encernya tidak
menghantarkan arus listrik.
Bukan elektrolit didalam air
atau media yang lain sebagai
molekul tersendiri, bermuatan
netral.
2.1.2.6. PEMBENTUKAN ION DALAM LARUTAN ENCER
Pada asam ion hidrogen positif ion sisa asam negatif
Contoh : HCI
H2SO4
H+
2H+
++CI -
SO4
- -
Pada basa :
Contoh : NaOH
Ca ( OH ) 2
ion sisa basa positifI
Na+
Ca++
++
ion hidroksida negatif
OH -
2OH -
Pada garam :
Contoh : Na j
Cu So4
ion sisa basa positif
Na +
Cu ++
++
ion sisa basa negatif
Cl -So4
- -
2.1.2.7. PENGHANTAR ARUS DALAM GAS
Gas pada suhu normal dan kuat medan listrik kecil adalah bukan
penghantar, oleh karena gas bermuatan netral.
21
Untuk mendapatkan sifat hantar listrik, atom gas harus dionisir
bersamaan dengan itu ( terutama )terbentuk ion positif. Ionisasi gas
dinamakan plasma.
2.1.2.8. IONISASI
Ionisasi memerlukan TENAGA dalam bentuk
Panas
Cahaya
Gelombang pendek,
(contoh : Sinar kosmik
yang terang, radioaktif)
Medan listrik
Tenaga tumbuk
Pada gas sebagai penghantar listrik adalah ion dan elektron.
Peristiwa terjadinya penghantaran arus dalam gas dinyatakan sebagai
pelepasan gas.
2.1.2.9. PELEPASAN GAS
Macam-macam pelepasan gas :
Pelepasan korona
( Terjadi pada medan
listrik tinggi )
Contoh :
Saat terjadi petir timbul pelepasan
muatan diikuti pancaran sinar pada benda
logam yang runcing ( Penangkap petir )
Pelepasan tidak dengan
sendirinya
( Gas hanya akan
enghantarkan, selama
diberi tenaga )
Contoh :
Tanda kebakaran otomatis,
Pelepasan dengan
sendirinya
(Gastetap menghambat
tanpa penam bahan
tenaga lebih lanjut dari
luar )
Contoh :
Lampu pelepasan gas
Pelepasan busur
( Busur cahaya )
Contoh : Tungku busur, las busur, lampu
busur.
Cahaya Gelombang
Pendek
Ion
Elektron
22
2.1.3. SUMBER LISTRIK
2.1.3.1. TEGANGAN LISTRIK
Penyebab gerakan pada elektron bebas dan ion Untuk menimbulkan
tenaga listrik, muatan positif dan negatif pada semua bahan dipisahkan
satu sama lain. Muatan yang terpisah ini berusaha menyeimbangkan
diri.Kecenderungan untuk seimbang antara muatan yang berbeda
dinamakan tegangan listrik.
Gambar 2.8 Tegangan Listrik Dari Sumber Listrik Baterai
Tegangan listrik yang berhubungan dengan tekanan elekton bebas
merupakan penyebab bergeraknya elektron tersebut.
Tegangan listrik itu terjadi :
a.Antara bagian yang kelebihan dan kekurangan elektron.
b.Antara bagian yang kelebihan elektron banyak dan sedikit.
c.Antara bagian yang kekurangan elektron banyak dan sedikit.
Tabel 2.8 Pembangkitan tegangan
Keterangan Gambar (percobaan ) Contoh
Induksi -Generator dalam kerja
tenaga
-Mesin penerangan mobil
-Dinamo sepeda
Pembangkitan -
tegangan
secara kimia
Baterai ( elemen galvanis,
akumulator ).
Korosi elektronika
Pembangkitan
titik
sambungan dua
logam yang
berbeda
Elemen panas
( Thermo elemen )
23
Sinar yang
mengenai
foto elemen
Foto cell
Sinar filem
Pengaruh
( Muatan elektro
statis )
Pemisahan atau
gesekan
bahan isolasi
Muatan statik pada bahan
plastik
Tekanan pada
kristal
Mengukur tekanan,
Piringan hitam kristal
Mikrofon kristal
Otot dan saraf Gerakan otot karena
tegangan listrik,
pembang kitan
tegangan listrik.
Elektro kardiogram
Pemanggil ikan ( getaran
)
2.1.3.2. ARUS LISTRIK
Listrik sebagai energi dapat dibangkitkan dari energi yang lain .
Energi mekanik, energi kimia dan energi panas dapat membangkitkan
energi listrik dapat mengalir melalui bahan penghantar, tetapi tidak
semua bahan dapat mengalirkan listrik . Bahan yang memiliki elektronelektron
bebas didalamnya, seperti logam, dapat mengalirkan listrik tetapi
kayu yang tidak memiliki elektron-elektron bebas tidak dapat mengalirkan
.Karena listrik merupakan bentuk energi yang amat luas penggunaannya,
maka perlu sekali dipahami sifat-sifatnya .
Penghantar yang menghubungkan kutub-kutub sebuah sumber listrik
terletak didalam medan listrik . Karena medan listrik inilah elektronelektron
bebas di dalam penghantar bergerak dan terjadilah aliran listrik .
Aliran listrik yang berasal dari elemen mempunyai arah yang tetap,
yaitu dari kutub berpotensial tinggi ke kutub berpotensial rendah, sedang
yang berasal dari dinamo arahnya dapat tetap atau tidak . Aliran listrik
yang arahnya tetap disebut aliran listrik searah ( DC = direct current )
dan yang tetap sering disebut aliran listrik bolak-balik ( AC = alternatif
current ).
Ada dua macam jenis arus
a. Arus searah
b. Arus bolak-balik
Yang dimaksud dengan arus searah bilamana elektron yang bergerak
maju secara teratur. Arus bolak balik ini suatu masa elektron yang
bergerak maju secara tidak teratur dimana saling terjadi penggantian
arah aliran maju atau mundur, selama elektron bergerak maju tegangan
akan nauik X Volt dan akan berada dalam posisi positif, dalam keadaan
24
diam, tegangan akan menunjukkan 0 Volt dan apabila elektron bergerak
mundur tegangan akan turun dan akan berada dalam posisi negatif lihat
gambar grafik tegangan.
Biasanya penggunaan arus searah untuk peralatan elektronika .
Contohnya : Radio , TV , Komputer , mesin hitung dsb.
Lain halnya dengan arus bolak balik terutama digunakan dirumah rumah,
pabrik pabrik, untuk menjalankan alat - alat rumah tangga dan lain
sebagainya.
10v
5 v
0 v
2 . B . 6 v Gerakkan air secara teratur
Gambar 2.9 Grafik tegangan
2.1.3.3. KESEIMBANGAN MUATAN LISTRIK
Keseimbangan muatan listrik dinamakan Arus Listrik
( misalnya di dalam logam : Aliran Elektron )
) A
S
AS
(
t
Q
I = = Satuan : 1 Ampere
( 1A ) :
s
As
A
1
1
=
Perbandingan aliran elektron dengan bola peluru :
SB = Lintasan sebuah bola
Gambar 2.10 Lintasan Sebuah Bola
V Impuls = besar
t
SR
= V Bola = kecil
t
SR
=
Impuls benturan elketron bebas » 300.000 km/s
25
Kecepatan sesungguhnya elektron bebas » 0,4 mm/s
Rapat Arus S
S = ]
mm
A
[
A
I
2
Contoh :
A Kawat = 1,5 mm2
SK =
mm2
A
0,2
1,5mm2
0,3A
=
Hampir tidak menimbulkan pemanasan pada penghantar
Sf = 2 mm2
A
500
0,0006mm
0,3A
=
Muatan yang tertentu pada kawat tembaga yang diisolasi menurut PUIL
Tabel 2.9 Muat Arus, Luas Penampang dan Kerapatan Arus
I
( A)
6
10
15
20
25
40
A
(mm2 )
1
1,5
2,5
46
10
S
( A / mm2 )
6
6,67
65 4,17
4
I
( A )
60
80
100
125
150
200
A
( mm2 )
16
25
35
50
70
95
S
( A / mm2 )
3,75
3,2
2,86
2,5
2,14
2,11
Kerapatan arus yang diijinkan pada penghantar disesuaikan menurut
bahan penghantar dan menurut kemungkinann pendinginannya.
26
2.1.4. PEMBANGKIT TEGANGAN
2.1.4.1. PEMBANGKIT TEGANGAN DENGAN INDUKSI
Apabila lilitan kawat digerakan didalam medan magnit ( medan
magnit ialah ruang yang berada di antara kutub utara dan kutub selatan
magnit ), atau batang magnit digerakan di dalam lilitan kawat, maka
timbul tegangan listrik induksi atau imbas; berikut dibawah ini.
Gambar 2.11 Pembangkit Tegangan dengan Induksi
Magnit batang digerakkan bolak-balik di dalam kumparan (lilitan kawat).
Di dalam kumparan itu diinduksikan tegangan ( ggl ) bolak-balik. Cara ini
digunakan di dalam generator untuk membangkitkan tegangan
(membangkitkan ggl).
2.1.4.2. PEMBANGKIT TEGANGAN DENGAN TENAGA KIMIA
Dua logam yang berlainan, misalnya tembaga dan seng,
kita rendam di dalam suatu larutan asam belerang di dalam air. Kedua
logam itu yang satu bersifat positif dan yang lain bersifat negatif, jadi
antara keduanya terdapat beda potensial. Dapat disebut juga, bahwa di
dalam alat ini, yang disebut sel volta, terdapat ggl. Lihat gambar
Gambar 2.12 Pembangkit Tegangan dengan Tenaga Kimia
Batang tembaga dan batang seng direndam di dalam larutan asam
belerang. Antara kedua logam itu terjadi beda tegangan listrik.
27
Elektroda
Kristal Piezo
Ditekan
Elektrod
a
2.1.4.3. PEMBANGKIT TEGANGAN DENGAN TENAGA PANAS
Apabila kedua ujung dua potong kawat logam yang berlainan
misalnya tembaga dan besi, kita ikatkan satu sama lain dan kita panasi,
maka terjadi penekanan elektron ke bagian kawat tembaga yang dingin.
Jadi di ikatan yang panas itu terjadi penarikan elektron dari besi ke
tembaga. Sehingga terjadi beda tegangan antara ujung besi dan ujung
tembaga yang bebas.
Gambar 2.13 Pembangkit Tegangan dengan Tenaga Panas
2.1.4.4. PEMBANGKIT TEGANGAN DENGAN TENAGA CAHAYA
Beberapa bahan, seperti sodium ( na ), selenium( Se ), potassium
( K ), apabila kena cahaya akan melepaskan sedikit elektron. Sifat ini
dimanfaatkan orang untuk membuat sel-foto( photo cell) sebagai
pembangkit tegangan listrik .Pembangkit tenaga listrik yang dipakai
disatelit Telstar, menggunakan cara ini. sel itu disebut sel matahari (solar
cell), karena menerima cahaya matahari dan mengubahnya menjadi
tenaga listrik.
2.1.4.5. PEMBANGKIT TEGANGAN DENGAN PIEZO ELEKTRIK
Beberapa kristal dapat membangkitkan arus listrik jika diberi
tekanan mekanis. Atomnya tersusun begitu rupa hingga bila mendapat
tekanan pada permukaannya, terjadi pergerakkan elektron yang arahnya
lebih mudah ke satu arah daripada arah yang lain. Hal ini menyebabkan
terjadinya muatan positif pada satu permukaan dan muatan negatif pada
permukaan lain (lihat gambar di bawah.).
Gejala listrik piezo.
kristal ditekan enimbulkan
gerakan elektron, menjadikan
satu elektroda positif
dan yang lain negatif, yang
dapat membangkitkan arus
Gambar 2.13 Pembangkit Tegangan dengan Tenaga Panas
28
2.1.5. RANGKAIAN LISTRIK
2.1.5.1. TENAGA LISTRIK
· Listrik adalah suatu bentuk tenaga, seperti tenaga panas, cahaya,
mekanik dan kimia.
· Pembangkit : misalnya generator ( tenaga mekanik )
baterai ( tenaga kimia )
solar sel ( tenaga cahaya )
· Pemakai : misalnya Kompor ( panas )
Lampu ( cahaya ) Motor
( tenaga mekanik )
· Keuntungan : Baik dalam hal transportasi tidak ada yang
terbuang dapat diubah kedalam
bentuk tenaga yang lain.
· Kerugian: Tidak ekonomis dalam penyimpanannya Tidak terlihat
gerakannya. Pembangkitannya berakibat tidak menyenangkan bagi
lingkungan
2.1.5.2. LISTRIK DALAM RANGKAIAN TERTUTUP
Gambar 2.15 Rangkaian Listrik Tertutup
Arus listrik mengalir hanya dalam rangkaian tertutup
Penghantar, semi penghantar dan bukan penghantarPercobaan 1 :
Gambar 2.16 Rangkaian Listrik Melalui Semi Penghantar
Penghantar : elektrolit, Logam, arang
Garam
29
Gambar 2.17 Rangkaian Listrik Melalui Penghantar
Semi penghantar: germanium, silizium, selenium
Bukan penghantar: porselen, gelas, udara ( bahan solasi )
Daya hantar jenis bahan isolasi, semi penghantar dan logam dimana
daya hantar jenis :
g ( baca gamma )
g =
r
1 dengan satuan
mm2
m
W
Tabel 2.10 Simbol Normalisasi Internasional IEC (International
Elektrotechnical Comission)
Keterangan Gambar Simbol
Penghantar
Persilangan
hantaran
Percabangan
hantaran
Baterai
Lampu pijar
Saklar
30
2.1.5.3. USAHA ARUS LISTRIK
Tabel 2.10 Percobaan Usaha Arus Listrik
Penunjukan G a m b a r Peristiwa C on to h
Perubahan
menjadi
panas
( Heat effect)
Terus
menerus
Pemanas,sekring,ko
mpor, solder tungku
pelebur, pelepa
-san bimetal bencana
kebakaran
Perubahan
menjadi
magnet
Terus
menerus
Magnet listrik
Motor listrik
Instrumen ukur
Perubahan
menjadi
cahaya
Lampu tabung gas
Lampu pijar
Arus
dalam
gas
melalui
panas
Lampu gas, neon
( TL)
Lampu uap sodium,
Lampu mercury
Lampu pijar
Perubahan
menjadi
proses kimia
Arus di
dalam
Zat Cair
Elektrolisa untuk
memperoleh
bahan logam dan
bahan logam dan
bahan kimia
Galvanisir
Akibat pada
manusia dan
binatang
Penghantar peng
Aman terputus
Arus
melewati
benda
hidup
Kecelakaan listrik,
Pengobatan listrik,
Pagar listrik
Orang mengenal listrik hanya dari Akibat yang timbul
31
2.1.6. ELEKTROLISA
2.1.6.1. PERISTIWA KIMIA LISTRIK
Arus searah mengalir melalaui suatu elektrolit, maka kita dapat
mengamati perubahan bahan yang terjadi pada elektroda elektroda.
Sedangkan elektrolit diuraikan secara kimia ( elekrolisa ).Pada elektrolisa
ion-ion positip ( kation ) ditarik oleh elektroda negatip ( katoda ), ion-ion
negatip( anion ) berjalan menuju elektroda positip ( anoda ).
Penggunaan elektrolisa di atas yaitu pada proses :
-Galvanisasi ( melapisi suatu logam lain yang berbentuk elektrolit )
Contoh : Melapisi dengan tembaga, melapisi dengan nickel.
-Menghasilkan logam yang lebih bersih.
Contoh : Tembaga elektrolit / tembaga katoda, seng elektrolit,
aluminium elektrolit ( electrolysis in the dry way ).
-Oksidasi anoda aluminium ( Pembentukan lapisan oksida pada
aluminium dengan bantuan arus listrik di dalam suatu elektrolit )
-Penguraian air ( Menghasilkan oksigen dan hidrogen )
2.1.6.2. PELAPISAN BAHAN
Penentuan Jumlah Bahan Yang Terpisah(Lapisan Endapan )
Jumlah bahan logam yang terpisah dan menempel pada elektroda
negatip besar.sebanding dengan arus dan waktu.
m = I . t . c ( Hukum Faraday I )
m = Jumlah bahan yang terpisah dalam = mg . g
I = arus dalam = mA . A
T = Waktu dalam = det ( jam )
C = Ekivalen kimia listrik dalam = mg / A det, g / A jam
Tabel 2.11 Ekivalen Kimia listrik.
c Logam Perak Seng Tembaga Nikel Krom
c ( mg / A det )
c ( g / A jam )
1,118
4,02
0,399
1,22
0,329
1,185
0,304
1,094
0,18
0,648
32
w = P . t
Contoh :
Pada pembuatan tembaga elektrolit, arus yang biasanya mengalir dalam
sel elektrolitis ditentukan sebesar 8 kA.
Berapa banyak tembaga yang disisihkan selama 24 jam ?.
Penyelesaian : m = I . t . c
m = 8000A. 24 jam. 1,185 g / A jam
m = 227500 g = 227,5 kg
2.1.6.3. USAHA LISTRIK DALAM PROSES ELEKTROLISA
Sebuah setrika listrik dihubungkan dengan sumber tegangan listrik.
Elemen pemanas akan membara karena dialiri arus listrik (muatan listrik)
dari sumber tegangan menuju ke elemen pemanas. Untuk memindahkan
muatan listrik diperlukan usaha listrik sebesar :
w = U . Q
w = usaha listrik ............................ Wdt (joule)
U = tegangan listrik ......................... Volt (V)
Q = jumlah muatan listrik ................ Coulomb (C)
Q = I . t
I = kuat arus listrik ....................... Amper (A)
t = waktu ........................ Detik (dt)
P = U . I
P = daya listrik ........... Watt (w)
U = I . R
I
Anod Katoda
w = U . I . T
33
R = hambatan listrik ..... Ohm (W) Sehingga :
w = I . R . I . T
Satuan usaha listrik yang lain :
1 kWh = 1000 Wh = 1000 . 3600 Wdt = 3,6 . 106 j
Konversi usaha listrik terhadap usaha panas dan usaha mekanik :
1 Wdt = 1 joule = 0,24 kal = 0,102 kgm
1 Wh = 3600 j = 864 kal = 267,2 kgm
1 kWh = 3,6 . 106 j = 864 . 103 kal = 367200 kgm
Untuk menghitung biaya energi yang harus dibayar yaitu mengalikan
usaha listrik terpakai dengan tarip listrik.
B = biaya
W = usaha listrik ............. kWh
T = tarip ...................... Rp .... / kWh
Contoh :
Sebuah motor listrik mengambil daya 500 watt, digunakan untuk
memindahkan benda seberat 100 kg selama 20 jam. Jika tarip listrik Rp.
150,- / kWh.
Hitung : a. Usaha listrik terpakai
b. Usaha mekanis
c. Biaya yang harus dibayar
Jawab :
a. w = p . t = 500 . 20 = 10000 Wh
w = 10 kWh
b. 1 kWh = 367200 kgm
w= 10 kWh = 10 . 367200 = 3672 . 103 kgm
w = 3677 . 103 kgm
c. B = w . t = 10 . Rp. 150,-
B = Rp.150,-
B = w . T
w = I2 . R . T
34
2.1.6.4. DAYA MEKANIK DALAM PROSES ELEKTROLISA
Untuk memindahkan suatu benda dari tempat satu ke tempat lainnya
memerlukan suatu usaha mekanik. Besarnya usaha mekanik tergantung
pada berat/massa benda dan jarak pemindahan.
W = usaha mekanik .................... kgm.
M = massa ................... kg.
S = jarak ................. m.
Usaha mekanik tiap satuan waktu disebut daya mekanik. Artinya
semakin besar dayanya, untuk usaha yang sama, dapat dilakukan lebih
cepat.
w
P =
t
p = daya mekanik ...................... kgm/detik.
W = usaha mekanik ..................... kgm.
T = waktu ..................... detik.
Satuan usaha mekanik yang lain :
1 tenaga kuda = 1 Horse power = 1 Hp = 75 kgm/det.
Pada pembuatan tembaga elektrolit, arus yang biasanya mengalir dalam
sel elektrolitis ditentukan sebesar 8 kA.
Berapa banyaknya tembaga yang disisihkan selama 24 jam ?.
Penyelesaian : m = I . t . c
m = 8000A. 24 jam. 1,185 g / A jam
m = 227500 g = 227,5 kg
2.1.6.5. KONVERSI DAYA MEKANIK
Yang dimaksudkan adalah konversi daya mekanik menjadi daya lain
yang sering digunakan dalam teknik kelistrikan.
1 Hp = 746 W.
75 kgm/det = 746 W.
75 kgm = 746 W det.
75 kgm = 746 joule.1 joule =
75
746
kgm = 0,102 kgm.
1 joule = 0,24 kalori.
W = m . s
35
0,24 kalori = 0,102 kgm.
1 kgm =
0 24
0 102
,
,
kalori = 2,3 kalori.
Jadi 1 kgm = 9,81 joule = 2,34 kalori.
dan
1 kgm/det = 9,81/det = 2,34 kal/det.
Contoh :
Pada plat nama motor tertulis 0,5 Hp. Motor tersebut digunakan untuk
memindahkan benda seberat 100 kg sejauh 15 meter. Hitung waktu yang
diperlukan !
Jawab :
W = m . s p =
t
m . s
t
W
=
t =
0,5 Hp
100 . 15
p
m . s
= = 40
t = 40 detik.
Elektrolisa Berpindahnya ion-ion positip ( kation ) ke katoda serta
berpindahnya ion-ion negatip ( anion ) ke anoda.
Gambar 2.18 Proses perjalanan arus yang melalui Cu SO4 (Cupri Sulfat)
Melalui penambahan keasaman, alkali atau garam maka air akan menjadi
penghantar listrik dan menguraikan larutan.
Cairan penghantar listrik disebut elektrolit. Kandungan pokok dari
elektrolit adalah ion - ion.
36
2.1.6.6. PROSES PENYEPUHAN LOGAM
Dengan elektrolisa, menggunakan suatu logam :
1. Tembaga
2. Nikel
3. Krom
4. Perak
5. Emas
Dan larutan logam itu sebagai elektrolitnya, yaitu kita dapat melapisi
logam dengan logam itu.
Misalnya :
1. Cincin, gelang disepuh dengan emas atau perak.
2. Bingkai sepeda disepuh dengan krom.
3. Piala disepuh dengan perak dan benda-benda logam lain yang
disepuh.
2.1.6.7. TUJUAN PENYEPUHAN
Agar logam tidak mudah berkarat dan menambah keindahan.
Untuk lebih jelasnya lihat gambar 2.19, menyepuh dengan tembaga.
Gambar 2.19 Penyepuhan Tembaga
Galvano Plastik
Benda yang bukan logam dapat dilapisi dengan cara elektrolisa.
Contoh :
Pembuatan matres ( matrijs ) untuk percetakan piringan hitam dari benda
itu dibuat cetakan gips. Lalau diberi grafit supaya dapat menghantarkan
arus. Dengan cara elektrolisa benda cetakan itu disepuh dengan
tembaga setelah benda cetakan disepuh baru dibuat matres yang
sesungguhnya.
2.1.6.8. CARA MENDAPATKAN LOGAM MURNI
Dalam Elektrolisa dengan larutan trusi ( sulfat tembaga), untuk
mendapatkan tembag elektrolisa yang murni sebagai anodanya adalah
tembaga kasar ( yang akan dimurnikan ) dan sebagai katoda nya adalah
sepotong tembaga murni tipis.
37
Dengan mengalirnya arus ion-ion tembaga menuju ke katoda, maka
kotoran-kotoran yang tidak dapat hancur akan mengendap didasar.
Dengan cara endapan kita dapat menghasilkan logam-logam mulia.
Gambar 2.20 Prinsip Kerja Elemen Galvanis
Ketentuan : Kita celupkan dua logam yang berbeda didalam suatu
elektrolit maka antara kedua logam terdapat tegangan listrik..
Proses :
a) Suatu logam larut/terurai elektrolit. Proses ini tergantung pada tingkat
kekuatan elektrolitnya, artinya ion-ion logam positif menuju ke dalam
larutan, akhirnya tinggalah logam yang bermuatan negatif.
Gambar 2.21 Penguraian Elektrolit
b) Pada elektrolit-elektrolit lemah, maka logam terlapisi dengan ion-ion
logam bermuatan positif yang berasal dari elektrolit.
I
Anoda Katoda
38
Gambar 2.22 Penyepuhan Logam dengan Ion-ion Elektrolit
2.1.6.9. DAYA LARUTAN
Tabel 2.12 Daya Larutan
Pelarut Logam
Air. K, Na, Ca
Air keras encer
( Hydrochlorid acid ) dingin.
Mg, Al, Mn, Be, Zn, Cr, Fe, Cd
Air keras encer
( Hydrochlorid acid ) panas.
Co, Ni, Pb, Sn
Asam sendawa ( Nitric acid ) atau
asam sulfat dengan konsentrasi
panas.
Sb, Bi, As, Cu, Hg, Ag
Air raja ( Nitrohydrochlorid acid ) (
3 bagian idrochlorida + 1 bagian
asam nitrat ).
Pt, Au
2.1.6.10. URUTAN TEGANGAN KIMIA LISTRIK
Gambar 2.23 Urutan Tegangan Kimia Listrik berdasar Bahan Elektroda
Tinggi rendahnya tegangan suatu elemen galvanis tergantung pada
bahan elektroda-elektrodanya.
39
Polaritas-polaritas elektroda ditentukan oleh urutan tegangan.
Elektrolit : Misalnya H2 SO4
Tabel 2.13 Urutan tegangan diukur berlawanan dengan Elektroda
Hidrogen normal pada 250 C.
Tegangan Simbol
M + 1, 50 V Emas Au
U + 0, 86 V Platina Pt
L + 0, 80 V Perak Ag
I + 0, 79 V Air raksa Hg
A + 0, 74 V Karbon C
+ 0, 34 V Tembaga Cu
+ 0, 28 V Bismut Bi
+ 0, 14 V Antimon Sb
0 ( Hidrogen ) H
* 0, 13 V Timbel Pb
* 0, 14
V
Timah Sn
* 0, 23
V
Nikel Ni
* 0, 29
V
Kobalt Co
* 0, 40
V
Kadmium Cd
T * 0, 44
V
Besi Fe
A * 0, 56
V
Chrom Cr
K * 0, 76
V
Seng Zn
* 0, 10
V
Mangan Mn
40
M * 1, 67
V
Aluminium Al
U * 2, 40
V
Magnesium Mg
L * 2, 71
V
Natrium Na
I * 2, 92
V
Kalium K
A * 2, 96
V
Litium Li
2.1.6.11. POLARISASI ELEKTROLISA
Gambar 2.24 Polarisasi Elektrolisa Elemen Galvanis pada Cairan
Elektrolit
Dengan mengalirnya arus listrik pada elemen galvanis maka pada anoda
akan terlampiri dengan Hidrogen, dia menghambat pembangkitan
tegangan dan membentuk suatu isolasi.
Kejadian seperti ini dinamakan polarisasi.
Untuk mencegah menempelnya hidrogen maka pada anode, maka
dibutuhkan suatu bahan cairan kimia yang dapat mengikat, bahan itu
dinamakan “depolarisator”.
Tabel 2.14 Bahan Percobaan Polarisasi Elektrolisa
Elemen Uo Kutub
+
Kutub - Elektrolit Depolarisa
tor
arang +Zn 1,5 V arang Zn bubur
salmiak
Batu coklat
( Mn O2 )
oksida air raksa 1,3 V Hg O Zn K O H Hg O
alkali dan Mn O2 1,5 V Mn Zn K O H Mn O2
41
Tabel 2.15 Sistim kimia listrik elemen primer
Elektroda
Positif
Mangan
dioksida
Mangan
dioksida
Mercur
dioksida
Perakoksi
da
Perak
cromat
Elektroda
Negatif
Seng Seng
( bulat )
Seng
( bubuk )
Seng
( bubuk)
Lithium
Elektrolit Asam lemah
(Larutan
chlorida)
alkali
( Kaium
hidroksida )
alkalis alkalis organis
Tegangan
tiap sel
1,5 V 1,5 V 1,35 V 1,55 V 3 V
Rapat
energi
0,1 Wh / cm3 0,3 Wh
cm3
0,5 Wh /
cm3
0,4Wh/
cm3
4 Wh /
cm3
2.1.7. ELEMEN GALVANIS
2.1.7.1. PASANGAN GALVANIS
Dua buah logam yang berbeda berada dalam elektrolit maka akan
terbentuk sebuah sumber tegangan, hal demikian ini disebut elemen
galvanis.
Gambar 2.25 Elemen Galvanis
Bila kedua logam ( Cu dan Zn ) dihubungkan dengan voltmeter maka
terjadi perbedaan tegangan sebesar -1,1 V. Flektron akan mengalir dari
Seng ( Zn ) melalui rangkaian luar.Dengan mengalirnya elektron dari
anoda, seng akan teroksidir seng akan terkorosi. Elektron yang mengalir
ke katoda melebihi elektron yang dilepaskan. Elektron ini akan bereaksi
dengan ion tembaga yang terdapat dalam elektrolit. Korosi hanya
terdapat dalam satu elektroda pasangan galvanis yaitu anoda.
Elemen galvanis disebut juga elemen primer.
42
BENTUK DASAR DARI ELEMEN PRIMER KERING
Gambar 2.26 Elemen Primer Kering
Bila memasang jangan langsung ! Bila rusak jangan dibuang berbahaya.
43
Tabel 2.16 Potensial elektroda ( 250C ; larutan mol )
Reaksi setengah-sel
anoda ( arah ) panah
terbalik untuk reaksi
setengah-sel katoda
Potensial
elektroda yg di
gunakan ahli
elektrokimia
dan ahli korosi
volt.
Potensial elektroda yg
digunakan oleh ahli
kima - fisika dan ahli
termodinamika
Au Au3+ + 3 e- + 1.50 - 1.50
2H20 O2 + 4H++4e- + 1.23 Katoda - 1.23
Pt Pt4+ + 4 e- + 1.20 - 1.20
Ag Ag+ + e- + 0.80 - 0.80
Fe2+ Fe3+ + e- + 0.77 - 0.77
4(0H) O2+2H2O+4e- + 0.40 - 0.40
Cu Cu2+2e- + 0.34 - 0.34
H2 2H+ + 2 e- 0.000 Referensi 0.000
Pb Pb2 + 2 e - 0.13 + 0.13
Sn Sn2 + 2 e- - 0.14 + 0.14
Ni Ni2 + 2 e- - 0.25 + 0.25
Fe Fe2 + 2 e- - 0.44 + 0.44
Cr Cr2 + 2 e- - 0.74 + 0.74
Zn Zn2+ + 2 e- - 0.76 + 0.76
Al A13+ + 3 e- - 1.66 + 1.66
Mg Mg2+ + 2 e- - 2.36 + 2.36
Na Na+ + e- - 2.71 -+ 2.71
K K+ + e- - 2.92 + 2.92
Li Li+ + e- - 2.96 + 2.96
44
2.1.7.2. SISTIM ELEKTROKIMIA
Tabel 2.17 sistem elektrokimia dari elemen primer
Elektroda
positif
Mangaan
dioxid
Mangaa
ndioxid
Ai raksa Perak
oxid
Perak
chrom
Seng Seng Seng Seng Lithium
Elektro ( Larutan
clorid)
Alkali Alkali Alkali Organis
Tegangan
antar sel
1,5 V 1,35 V 1,55 V 1,55 V 3 V
Rapat
energi
0,1 Wh
/Cm3
0,5 Wh
/Cm3
0,5 Wh/
Cm3
0,4 Wh
/ Cm3
4 Wh /
Cm3
2.1.7.3. PERBANDINGAN SIFAT
Tabel 2.18 Perbandingan sifat antara bermacam-macam Akkumulator.
Akumulatortimbel
Akumullator
besi
Akumulator
Perak - Seng
Elektrolit asam belerang
encer
Larutan Alkali
Tegangan stabil ( V ) 2,0 1,4 1,85
Tegangan pada
akhir pesian
( V ) 2,75 1,8 2,0
Tegangan pd akhir
pengosongan.
( V ) 1,8 1,0 1,3
h Ah, h Wh % 90 75 70 50 95 85
Energi per satuan
berat
Wh / Kg 22 22 100
Energi persa
tuan volume
Wh / dm3 54 55 200
Penambahan dg Air Suling Air Suling Cairan alkali = 1,4
Pemakaian
air suling
Sedikit Banyak Sedikit
Tahanan dalam MW /
Ah
80 200 Sedikit
45
Gambar 2.27 Arus Elektron Akkumulator pada Proses Pengisian-
Pengosongan dan Pemakaian
2.1.7.4. PENGISIAN DAN PENGOSONGAN LISTRIK
Tabel 2.18 Proses Pengisian dan Pengosongan
Jenis Aku
mulator
Elektroda
negatif
Elektroda
Asam
Positif
Proses
Elektroda
negatif
Caira
n
( air )
Elektroda
Positif
Timah
Hitam
Pb + 2H2SO4 +
PbO2
Pengo
songan
PbSO4 + 2H2O +
PbSO4
Elektroda
positif
Elektroda
air negatif
Elektroda
positif
Elektroda
negatif
Nikel Besi 2Ni O( OH ) + Fe +
2H2 O
Pengi
sian
2Ni ( OH ) 2 + Fe ( OH ) 2
Nikel
Cadmium
2Ni O ( OH ) + Cd +
2 H2O
2 Ni ( OH ) 2 + Cd ( OH ) 2
46
2.1.7.5. DAYA GUNA AKKUMULATOR
Tabel 2.19 Daya guna akumulator
E E E
L L L
Q I t
Q I t
= ×
= ×
L L
E E
I t
I t
Ah
×
×
=
L E L
E E E
U I t
U I t
Wh
× ×
× ×
=
QL = Kapasitas Pengisian
QE = Kapasitas Pengosongan
IL = Arus Pengisian
IE = Arus Pengosongan
tL = Waktu Pengisian
tE = Waktu Pengosongan
h AH = daya guna
ampere jam
h WH = daya guna
watt jam
2.1.7.6. KOROSI
Korosi Kimia Listrik Melalui Pembentukan Elemen
Saling bersentuhannya dua logam yang BERBEDA dan padanya terdapat
suatu elektrolit, dengan demikian maka terbentuklah suatu elemen
galvanis yang terhubung singkat. ( elemen korosi ).
Kemudian didalam elemen mengalir suatu arus. Arus ini dapat menyebab
kan korosi.
-Pada pijakan tempat keluarnya arus terjadi korosi.
-Tempat masuknya arus bebas korosi :
Gambar 2.28 Korosi Kimia Listrik
Terjadinya korosi makin lebih besar bilamana :
-Kedudukan kedua logam didalam urutan tegangan terletak semakin
juah satu sama lain.
-Elektrolitnya semakin kuat/efektif.
-Udara didalam elektrolit terpisah dengan lebih baik.
47
Usaha mengatasi terjadinya korosi kimia listrik :
- Memutuskan arus korosi.
Contoh :
- Mengisolasi antara kedua loga,.
- Menggunakan logam yang sama.
- Perlindungan korosi secara listrik ( menggunakan arus pelindung ).
- Pemilihan logam yang lebih tepat dengan perebdaan tegangan yang
lebih kecil.
Gambar 2.29 Perambatan korosi antar plat/ logam
2.1.8. TAHANAN LISTRIK ( R )
2.1.8.1. TAHANAN DAN NILAI HANTAR
- Tahanan R
Tahanan suatu kawat penghantar listrik adalah penghambat bagi
elektron-elektron pada saat pemindahannya.Tahanan ini bergantung
pada beban ( susunan atom, elektron bebas ), panjang, luas penampang
dan temperatur dari suatu kawat penghantar listrik.
Satuan 1 ohm ( 1 W ) omega
- Nilai hantar G
Suatu kawat penghantar dengan tahanan kecil, maka kawat tersebut
akan menghantar arus listrik dengan baik kawat tersebut memiliki nilai
hantar yang besar.
Nilai hantar =
1
Tahanan
G =
1
R
TAHANAN
Akan bertambah besar
Makin panjang suatu
penghantar dan makin kecil
luas penampang- nya, maka
material tersebut akan semakin
buruk sebagai penghantar
TAHANAN
Akan bertambah kecil
Makin berkurangnya panjang
suatu penghantar dan makin
besar luas penampangnya
maka material tersebut semakin
baik sebagai penghantar
48
Tahanan suatu penghantar tergantung kepada tahanan jenis suatu
material, panjang dan luas penampang.
A
R
rl
=
2.1.8.2. TAHAN JENIS r
Tahanan jenis adalah tahanan suatu penghantar pada panjang
penghantar 1 m dan luas penampang 1 mm2 dan pada keadaan
temperatur 200.
Satuan =
1 . mm
m
W 2
Perhatikan nilai r pada tabel :
r dapat bervariasi di dalam hal berikut :
Dalam jenis pengerjaan ( Giling, tarik, tuang )
Dalam keadaan murni, Dalam keadaan panas, sebelum dan sesudah
pemakaian.
Hantar jenis ( c )
Hantar jenis =
1
Tahanan
c =
1
r
Satuan :
S . m
mm
m
2 mm2 =
W
Menghitung tahanan dan nilai hantar
Tahanan Listrik suatu penghantar
Hubungan tahanan dengan : Panjang, luas penampang dan material
dengan keadaan : temperatur konstan mis : 200 C.
1
R =
c . A
c . A
G =
1
49
Gambar 2.30 Rangkaian Listrik
Jenis tahanan
Tahanan tertentu : Tahanan dengan lapisan karbon.
Tahanan dengan lapisan metaloxid.
Tahanan dengan lapisan metal.
Tahanan kawat.
2.1.8.3. KODE WARNA TAHANAN
Simbol warna pada permukaan tahanan
Warna Gelang
1
Gelang
2
Gelang
3
Gelang
4
Polos
Perak
Emas
Hitam
Coklat
Merah
Oranye
Kuning
Hijau
Biru
Ungu
Abuabu
Putih
----123456789
---0123456789
-
10-2
10-1
100
101
102
103
104
105
106
107
108
109
± 20
% ±
10
% ±
5
%- ±
1
%
± 2 %
-- ±
0,5
%--
50
Contoh:
Contoh:
Suatu tahanan dengan lapisan karbon dengan warna dari kiri ke kanan :
Kuning - Ungu - Coklat - Emas.
Berapakah Tahanan dan Toleransinya ?
Jawab : Kuning, Ungu, Coklat, Emas.
4 7 . 10 + 5 %
R = 470 W + 5
Keterangan :
Gelang 1 = 1 angka nilai tahanan
Gelang 2 = 2 angka nilai tahanan
Gelang 3 = 3 Bilangan pengali dikalikan dengan
angka bilangan dari gelang 1 dan 2
Gelang 4 = Toleransi tahanan dalam %
51
2.1.8.4. TAHANAN STANDARD IEC
Tabel berikut adalah harga-harga standar IEC.
Nilai tahanan yang ada dalam pasaran ( yang diproduksi pabrik) adalah :
kelipatan 10 dari angka yang ditunjukkan dalam tabel.
Namun harga terkecil dimulai dari nilai satuan ( 1,0 )
Sebagai contoh : E6, hanya tahanannya dimulai dari :
1,0 ; 1,5 ; 2,2 ; 3,3 ; 4,7 ; 6,8 W
Nilai tahanan berikutnya adalah perkalian nilai tahanan dasar diatas dengan 10n, dengan n sama dengan bilangan 0
sampai dengan 8.
Berikut adalah cara mengetahui urutan tahanan bila kita tidak mengingatnya.
Nilai tahanan kelompok E 12
inilah yang banyak terdapat di pasaran bebas dan harus dihafal.
Tabel 2.20 Resistor Standard IEC E6,E12 dan E 24
E6 1,0 1,5 2,2 3,3 4,7 6,8
E12 1,0 1,2 1,5 1,8 2,2 2,7 3,3 3,9 4,7 5,6 6,8 8,2
E24 1,0 1,1 1,2 1,3 1,5 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 2,7 3,0 3,3 3,6 3,9 4,3 4,7 5,1 5,6 6,2 6,8 7,5 8,2 9,1
Urutan berlaku O,kO dan MO
52
Contoh : Carilah urutan tahanan pada kelompok E 12.
Caranya
:
1. nilai awal adalah
2. nilai berikut adalah
3. 1,2 x 1,2 = 1,44
4. 1,2 x 1,5 = 1,8
5. 1,2 x 1,8 = 2,16
6. 1,2 x 2,2 = 2,64
7. 1,2 x 2,7 = 3,24
8. 1,2 x 3,3 = 3,96
9. 1,2 x 3,9 = 4,68
10. 1,2 x 4,7 = 5,64
11. 1,2 x 5,6 = 6,72
12. 1,2 x 6,8 = 8,16
1 W
12 10 = 1,21
1,0 W
1,2 W
1,5 W
1,8 W
2,2 W
2,7 W
3,3 W
3,9 W
4,7 W
5,6 W
6,8 W
8,2 W
2.1.8.5. JENIS TAHANAN
MACAM-MACAM TAHANAN, BENTUK DAN BAHANNYA
Sebagaimana kita ketahui bahwa setiap benda mempunyai nilai
hambat terhadap aliran listrik, yang besarnya tergantung pada jenis,
penampang dan kondisi temperatur.
Dengan demikian tahanan besar nilai hambat listrik tergantung dari jenis
bahannya.
Jenis tahanan yang mempunyai komposisi bahan dasar yang berbeda.
53
1. Tahanan karbon arang
Gambar 2.31 Thanan Karbon Arang
Tahanan ini banyak dijumpai dipasaran, umumnya mempunyai nilai
kepekaan yang relative rendah , mempunyai toleransi dan batasan daya
(rating daya) kecil.
Tahanan ini digunakan pada pesawat yang kurang memerlukan ketelitian
yang canggih.
Tahanan jembatan kawat metal film
Sebagai contoh, adalah tahanan hantaran kawat dengan dasar
Gambar 2.32 Tahana Gulungan Kawat
54
Tahanan gulungan kawat
Gambar 2.33 Tahanan Kawat Metal Film
2.1.8.6. TAHANAN FUNGSI SUHU DAN FUNGSI CAHAYA
Contohnya : LDR ( cahaya ), termistor ( suhu )
* LDR dibuat dari cadmium sulfida, yaitu bahan semi konduktor yang
nilai tahanannya berubah-ubah menurut intensitas cahaya yang jatuh
padanya.
* R. LDR sekitar 10 W M di tempat gelap dan menjadi 150 W ditempat
yang terang.
* Termistor atau tahanan termal adalah alat semi konduktor yang
berkelakuan sebagai tahanan dengan koefisien tahanan temperatur
yang tinggi biasanya negatif.
* Termistor ini dibuat dari campuran oksida-oksida logam yang
diendapkan, seperti : mangaan , nikel, kobalt, tembaga, besi, dan
uraium.
* Tahanan sebuah termistor pada temperatur ruang dapat berkurang
sebanyak 6 persen untuk kenaikan temparatur 10 C.
*
Gambar 2.34 Elemen dasar LDR
55
- Substrat keramik ( bahan yang dikerjakan melalui peragian / enzim ).
- Lapisan bahan foto konduktif.
- Elektroda metalik.
Gambar 2.35 Thermistor
Koefisiensi temperatur ( a )
Segala sesuatu akan mengalami perubahan bentuk, nilai dan
kemampuannya jika ada peruabahan temperatur terjadi pada suatu
zat/benda yang dipergunakan untuk teknologi rekayasa, demikian pula
terhadap nilai tahanan listriknya.
Koefisien temperatur pada perubahan tahanan diberikan dam W ( ohm ),
jika temperatur suatu tahanan pada 10 C berubah 1 W ( satu ohm ).
Satuan :
1
0
W
W C
1
C
1
0 K = =
Contoh :
Jika lilitan motor pada suhu kamar 270 C mempunyai nilai tahanan 18
, maka jika di gunakan motor akan panas, misal temperaturnya menjadi
750 C, maka nilai tahananya akan tidak lagi sebesar.
Perubahan nilai tahanan bisa naik dan bisa juga turun, tergantung dari
jenis bahan tahanan.
Pengaruh temperatur pada tahanan penghantar listrik
56
Tabel 2.21 Keadaan berbagai macam golongan bahan :
Macam Penghantar
Penghantar dingin
Seperti halnya dengan Cu, Al, Fe
dsb ( Metale )
Semi Konduktor ( PTC ) terdiri dari
Fe dan Keramik
( Mis : Bariumtitanat )
Penghantar, gulungan
Untuk penggerak-mengatur
mengarahkan
Penghantar tidak tergantung pada
“temperatur”
Tahanan dari bahan, tetap konstant
seperti halnya
Nikel, Manhan ( Campuran Cu-Ni-
Mn ).
Untuk alat-alat ukur yang
sangat teliti
Penghantar panas
Semi Konduktor ( NTC ) seperti
metaloxid, arang.
Bahan isolasi ( perhatian pada
temperatur yang
tinggi akan dapat menjadi
penghantar elektrolit.
Untuk penggerak, dan pengatur
mengarahkan
Dioda.
Transistor untuk tujuan
pengisolasian
2.1.8.7. PERUBAHAN TAHANAN
Tabel 2.22 Perhitungan dalam menentukan perubahan Tahanan
Penghantar dingin Penghantar tidak
tergantung tempat
Penghantar panas
R20 DR
RV
RV = R 20 + DR
DR = R 20 . DV . a
a harus selalu positif
( Tahanan - PTC )
R20
RV
RV » R 20
DR = R 20 .
DV . a = 0
a harus selalu kecil
R20
RV DR
RV = R20-DR
-DR = R20 . DR . a
a harus selalu
negatif
( Tahanan NTC )
57
Berlaku untuk umum
Diperoleh :
RV = R20 + R20 . DV
RV = R . ( 1 + DV . a )
Keterangan :
R 20 = Tahanan mula pada 200C
R V = Tahanan akhir
D R = Perubahan tahanan
D V = Perubahan temperatur
a = Koeffisien temperatur
( Tergantung pada faktor
bahan )
Perhatian :
Besaran perubahan tahanan metal sebanding dengan perhitungan.
Pada bahan semi konduktor hal ini tidak akan terjadi. Perubahan tahanan
adalah merupakan diagram garis.
2.1.8.8. FAKTOR PERUBAHAN TAHANAN
Faktor-faktor yang mempengaruhi besarnya tahanan
Besar kecilnya tahanan listrik suatu bahan tergantung pada besar
kecilnya hantaran jenis bahan
tersebut. Semakin tinggi hantaran jenisnya, maka semakin tinggi daya
hantarnya, atau semakin
kecil nilai tahanan bahan tersebut.
Hal ini dapat dilihat dalam rumusan :
R
1
.A
= (W)
hantar jenis dengan satuan
1
W . m
Faktor-faktor yang mempengaruhi besarnya tahanan adalah :
a). Jarak antar atom.
b). Pengaruh suhu.
c). Pengaruh larutan padat dalam bahan.
d). Pengaruh pita energi ( energi band ).
Setiap bahan selalu mempunyai nilai tahanan.
RV = R20 + DR
D R = R20 . DV
58
2.1.8.9. TOLERANSI TAHANAN
Nilai toleransi, daya, dan tegangan
a). Nilai toleransi
Nilai toleransi tahanan adalah : 0, 5 %, 1 %, 2 %, 5 %, 10 %, dan
20 %.
Untuk keperluan yang sangat khusus, ada tahanan yang
toleransinya 0,001 %.
b). Nilai daya
Nilai daya yang ada pada tahanan-tahanan berkisar 1/20 Watt
sampai 50 Watt.
Namun nilai umum yang biasa dipakai adalah 0,50 - 0,1 - 0,25 -
0,5 - 1 - 2 - 3 - 6 - 10 - 20.
c). Nilai tegangan
Nilai tegangan maksimum suatu tahanan didapatkan dengan rumus :
U max = P.R
RESISTIVITY DARI BAHAN KONDUKTOR YANG UMUM DIPAKAI
Tabel 2.23 Resistivity Konduktor
CONDUKTOR MATERIAL RESISTIVITY
( Ohm meter pada 200 C )
Silver 1,64 x 10-8
Copper ( annealed ) 1,72 x 10-8
ALuminium 2,83 x 10-8
Tungsten 5,5 x 10-8
Nickel 7,8 x 10-8
Iron ( pure ) 12,0 x 10-8
Constantan 49 x 10-8
Nichrome 110 x 10-8
Kalau daftar diatas dikonversikan ke satuan W
mm
m
2
maka W
mm
m
2
= W
10 . mm
m
m
-6 2
= W10-6
59
KOEFISIEN TEMPERATUR
Tabel 2.24 Koefisien Temperatur
CONDUKTOR MATERIAL a 200
Silver 0, 0038
Copper ( annealed ) 0, 00393
ALuminium 0, 0039
Tungsten 0, 0045
Nickel 0, 006
Iron ( pure ) 0, 0055
Nichrome II 0, 00016
Constantan 0, 000008
Carbon 0, 0005
Tabel koefisien temperature a (1/K)
Tembaga 3,9 . 10-3 Nikelin 0,15 .
10-3
Aluminium 3,8 . 10-3 Manganin 0,02 .
10-3
Ketentuan dalam suhu 20oC
2.1.9. PEMBAGI ARUS DAN TEGANGAN
2.1.9.1. HUKUM OHM
Bila diantara dua tiitk kita hubungkan dengan sepotong penghantar
maka arus listrik mengalir lewat penghantar itu. Arus ini akan
mendapatkan didalam penghantar yang disebut tahanan ( R ) dan diukur
dalam satuan ohm.
Hal ini menimbulkan pemikiran mengenai hubungan antara tegangan ;
arus dan tahanan. Telah ditentukan bahwa antara kedua tiitk diatas 1
volt dan tahanan penghantar 1 ohm, maka kuat arus yang mengalir 1
ampere. Jadi tegangan 1 volt itu ialah tinggi tegangan yang dapat
mengalirkan arus 1 ampere melalui
60
tahanan 1 ohm. Hukum ohm memperlihatkan hubungan antara tegangan
arus dan tahanan listrik.
Pada setiap rangkaian listrik hukum ohm selalu berlaku.
Bunyi hukum ohm
Pada setiap rangkaian listrik, tegangan adalah perkalian dari kuat arus
dengan tahanan.
dapat ditulis dengan rumus sbb :
atau atau
Dimana : I adalah arus dengan satuan Ampere ( A )
U adalah tegangan dengan satuan Volt ( V )
R adalah tahanan dengan satuan Ohm ( W )
Jadi besarnya arus :
a. Arus berbanding lurus dengan tegangan.
b. Arus berbanding terbalik dengan tahanan.
Percobaan 1
Keadaan arus, dengan berubahnya tegangan pada tahanan tetap.
Kesimpulan :
Perubahan keadaan arus sebanding
dengan perubahan keadaan tegangan
U = I . R I =
U
R R =
U
I
61
Kesimpulan :
Perubahan keadaan arus sebanding
dengan perubahan keadaan tegangan
I
1
2
3
4
5
6
2 4 6 8 10 12
Besaran arus
mA
Besar tegangan
V
U
Gambar 2.36 Grafik Linear Tegangan terhadap Arus
Percobaan 2
Keadaan arus, dengan berubahnya tahanan pada tegangan yang tetap.
Kesimpulan :
Perubahan keadaan arus berbanding terbalik dengan perubahan keadaan
tahanan.
62
Gambar 2.37 Grafik Non-Linear Tegangan terhadap Arus
Kalau kita perhatikan hasil percobaan 1 dan 2
1. I = Sebanding dengan U.2. I = Berbanding terbalik dengan R
= sebanding dengan
I
R
= sebanding dengan G
Maka diperoleh : Hukum ohm
Dari hukum ohm ditentukan : 1 A =
I V
1 W
Contoh :
Sebuah relai dengan tahanan 40 KW, dihubungkan tegangan 48 V,
Tentukan besar arus yang mengalir pada relai !.
Jawab : I =
U
R
48 V
= = ,0012 A = 1,2 mA
40000
0
W
Sebuah coil dengan tegangan 110 V dialiri dengan arus 25 mA.
Hitunglah tahanan coil tersebut !.
Jawab : I =
U
R
R
U
I
110 V
® = = =
0 025
4400
, A
W
= 4,4 KW,
I =
U
R
63
2.1.9.2. HUKUM KIRCHOFF
Hukum Kirchhoff I ( Mengenai arus )
Jumlah arus dalam suatu titik percabangan dalam suatu rangkaian
adalah sama dengan nol, arus yang masuk dalam titik percabangan
sama dengan arus yang meninggalkannya. Jadi jumlah listrik yang
masuk, harus sama dengan jumlah listrik yang keluar.
1. Contoh Percabangan pada titik A
Gambar 2.38 Hk Khirchoff I
I1 = I2 + I3 + I4 atau I1 - I2 - I3 - I4 = 0
Jadi rumus hukum Kirchhoff I :
å I = 0
Dengan perkataan hukum Kirchhoff berbunyi :
Jumlah aljabar semua arus dalam titik percabangan itu sama
dengan nol.
2. Contoh :
1. Perhatikan gambar dibawah, arus masuk ke tiitk percabangan A
lewat dua kawat I1 dan I2.
Dari titik A arus mengalir ke 3 lampu yaitu : I3 ; I4 ; dan I5. Maka bila I1
= 3 A ; I2 = 4 A ;
Menurut hukum Kirchhoff I : å I = 0
I4
I3
I2
I1
64
Jadi : I1 + I2 - I3 - I4 - I5 = 0
3 + 4 - 2 - 3 - I5 = 0
[ Arus yang masuk ke titk A kita sebut positif dan yang
meninggalkannya kita sebut negatif 0]
Perhitungan di atas dapat dilakukan sebagai berikut :
[ Arus yang masuk = arus yang keluar ]
I1 + I2 - I4 - I5
3 + 4 = 2 + 3 + I5
7 = I5 + 5
I5 = 7 - 5 = 2A, meninggalkan titik ercabangan
Dari rangkaian listrik di bawah ini berlaku hukum Kirchhoff I.
Apakah beberapa alat/pemakai bersama-sama dihubungkan pada satu
tegangan, maka tegangan alat-alat itu semua sama, hubungan semacam
ini di sebut “ Hubungan Jajar” Semua alat listrik pada umumnya
dihubungkan jajar pada tegangan yang tersedia.
Gambar 2.39 Hubungan Jajar Alat Listrik
Sesuai dengan hukum Kirchhoff I, dalam titik percabangan A, jumlah
angka aljabar arus sama dengan nol.
I total - I1 - I2 - I3 = 0
I total = I1 + I2 + I3
I
It
I31
I2
I1
R3
R2
R1
Us
65
Menurut hukum ohm : Arus dalam masing-masing cabang :
I1 =
U
R
1
; I2 =
U
R
2
; I3 =
U
R3
Jadi : IJ =
U
R1
+ +
U
R
2
U
R
3
Harga ketiga tahanan R1 ; R2 ; dan R3 dapat kita ganti dengan satu
tahanan pengganti : “Rp”, yang dapat memenuhi persamaan terakhir di
atas.
Jadi : IJ =
U
RP
Dengan masukan ini ke dalam persamaan terakhir di atas, kita hasilkan :
U
RP
=
U
R1
+ +
U
R
2
U
R
3
Kalau kedua ruas persamaan ini kita bagi dengan U1 akan didapatkan :
1
RP
=
1
R1
+ +
1
R
2
1
R
3
atau dapat ditulis :
1
RP
= S
1
R
Dengan kata-kata :
Dalam satuan rangkaian jajar nilai kebalikan tahanan pengganti sama
dengan jumlah nilai kebalikan tahanan-tahanan yang dihubungkan jajar.
Karena = G, yang disebut daya antar maka rumus diatas hal 1-4
sebagai berikut :
Gp = G1 + G2 + G3 atau
Gp = åG atau dengan perkataan :
Daya antar pengganti dalam rangkaian jajar itu sama dengan jumlah
daya antar masing masing cabang.
Contoh :
Bila harga tahanan dalam cabang-cabang dalam gambar diatas
adalah :
R1 = 4 ohm ; R2 = 1,5 ohm ; R3 = 2,4 ohm maka :
1
RP
1
4
1
1,5
1
2,4
= + +
66
1
RP
3
12
8
12
= + +
5
12
1
RP
16
12
=
R
1
P 12
16
= = 0,75 ohm
Dari uraian diatas dapat kita simpulkan :
Dalam rangkaian jajar tegangan tiap-tiap alat listrik yang dihubungkan
sama.
Arus jumlah sama dengan jumlah arus cabang.
Nilai tahanan jumlah (tahanan pengganti) lebih kecil daripada harga
tahanan cabang yang terkecil.
2.1.9.3. HUKUM KIRCHOF II
Hukum Kirchhoff II ( Mengenai tegangan )
Arus yang digunakan dalam rangkaian atau jalan-jalan, tersusun dari
beberapa unsur yang mempunyai ggl yang tidak sama, begitu pula
tahanan dalamnya.
Dalam jala-jala yang rumit ( complex ) kita tak dapat begitu saja
menggunakan peraturan hubungan deret dan hubungan jajar, untuk
menyelesaikan persoalan-persoalan. Untuk keperluan ini kita pakai :
HUKUM KIRCHHOFF II
Dalam rangkaian tertutup :Jumlah aljabar dari sumber tegangan dan
kerugian tegangan pada suatu rangkaian tertutup sama dengan nol atau
åU = 0”
åU = 0
U - IR1 - IR2 = 0
U = 0
U = tegangan sumber
IR1 dan IR2 = kerugian
tegangan
Pedoman untuk menentukan persamaan-persamaan dari suatu
rangkaian tertutup menurut Hukum Kirchhoff’s II adalah :
* Pada sumber tegangan arah arus dari potensial rendah ke potensial
tinggi ( - ke + ) diberi nilai atau tanda positif ( + ).
* Pada sumber tegangan arah arus dari potensial tinggi ke rendah ( +
ke - ) diberi tanda negatif ( - )
67
* Arah arus dapat dimisalkan sembarang, dan apabila didapat hasil
bertanda negatif berarti arah arus salah.
Contoh 1
Tentukan persamaan dari rangkaian di bawah ini :
Jawab : åU = O
Pada bagian abca : U1 - I1 R1 - I2 R2 + U2 - I1 R4 = 0
Pada bagian debcd : - U3 + I3 R3 - I2 R2 + U2 = 0
Catatan :
Dari sumber debcd kita anggap arah arus pada U3 dari ( + ) ke ( - )
sehingga diberi tanda negatif. Sehingga diberi tanda negatif. Kemudian I3
R3 diberi tanda ( + ) karena seharusnya arah arus menuju e sesuai
dengan sumber ( U3 ). Kemudian pada titik b berlaku hukum Kirchhoff’s II
yaitu : I1 - I2 - I3 = 0
68
2.1.9.4. ANALISA PERCABANGAN ARUS
Metode arus cabang
Pada bagian abca :
84 - 12I1 - 6 ( I1 + I2 ) = 0
3I1 + I2 = 14 ........................................ ( 1 )
Pada bagian cdbc :
21 - 3I2 - 6I2 = 0
2I1 + 3I2 = 7 ........................................... ( 2 )
Dari persamaan (1) dan (2) didapat : I1 = 5 A dan
Tanda (-) pada arus I2 menyatakan arah I2 terbalik. Dengan demikian
arah arus I2 yang betul adalah seperti gambar berikut :
I2 = -1 A
Besar arus yang
mengalir pada :
R1 (12ohm ) adalah 5 A
R2 ( 16 ohm ) adalah I1 -
I2 = 4 A dan
R3 (3 ohm ) adalah I A
69
2.1.9.5. ANALISA ARUS LOOP
Metode Arus Loop
Pada Loop baca :
84 - 12I1 - 6I1 + 6I2 = 0
18I1 + 6I2 = - 84 atau 3I1 - I2 = 14 ............... (1)
Pada Loop cdbc :
21 + 3I2 + 6I1 - 6I1 = 0
2I1 - 3I2 = 14 .................................................... (2)
Dari persamaan (1) dan (2) didapat I2 = IA dan I1 = 5A
Jadi arus yang mengalir pada tahanan
R ( 12 ohm ) adalah 5A
R ( 6 ohm ) adalah 4A
R ( 3 ohm ) adalah 1A
arah arus sudah benar
1
2
3
ù
û
úúú
2.1.9.6. HUBUNGAN SERI
Apabila tiga buah tahanan kita hubungkan berturut-turut seperti
didalam gambar percobaan 1 dan 2, lalu kita hubungkan dengan
tegangan baterai, maka arus mengalir dari baterai melalui tiga tahanan
itu. Tiga buah tahanan yang dihubungkan seperti tersebut disebut :
DIHUBUNGKAN DERET.
Kuat arus diseluruh bagian rangkaian deret itu sama besarnya, tidak
hanya tiga tahanan saja yang dapat dihubungkan deret, tetapi rangkaian
deret dapat terdiri dari dua, tiga, dan empat tahanan atau lebih.
Kalau kita ukur tegangan pada tahanan pertama ialah : U1 ; tegangan
kedua ialah : U2 ; dan tegangan ketiga ialah : U3, maka ternyata bahwa
jumlah ketiga tegangan itu sama dengan tegangan baterai. Jadi dalam
rangkaian deret TEGANGAN JUMLAH
70
Gambar 2.40 Rangkaian Seri
Kesimpulan :
Pada tahanan yang terbesar terletak tegangan yang terbesar .
Masing-masing tahanan memiliki besaran tegangan sendiri.
Pemakaian :
Tahanan depan untuk pemakaian tegangan yang kecil, tahanan depan
untuk alat ukur.
2.1.9.7. PEMBAGIAN TEGANGAN
Pembagian tegangan didalam rangkaian listrik
Gambar 2.41 Sumber Tegangan Dalam Keadaan Kosong
71
E : Gaya gerak listrik ( GGL ) adalah tegangan untuk menghantarkan
elektron, atau biasa dikenal tegangan tidak kerja Uo satuan Volt.
U : Tegangan klem atau tegangan setelah melewati tahanan dalam dari
sumber tegangan satuan Volt.
R1: Tahanan dalam dari sumber tegangan dalam satuan ohm.
Persamaan arus : I = 0
Persamaan tegangan : U = E atau Uo
SUMBER TEGANGAN DALAM KEADAAN BERBEBAN
Gambar 2.42 Rangkaian Sumber Tegangan Berbeban
Arus listrik mengalir dari tiitk positip ke titik negatip.
Andaikata dua titik itu netral, jadi tidak ada tegangan antara kedua tiitk
itu, maka tak akan ada arus yang mengalir lewat kabel yang
nenghubungkan kedua tiitk itu, karena tidak ada perpindahan elektron,
jadi :
Arus listrik mengalir hanya bila ada tegangan dan hanya dalam
rangkaian tertutup.
Besarnya tegangan jepit ( klem ) menurut hukun ohm, sama dengan kuat
arus dikalikan dengan tahanan, maka disebut tahanan luar.
Jadi dapat ditulis :
U = I . Ra
Demikian pula didalam baterai juga terdapat tahanan.
Tahanan didalam baterai disebut tahanan dalam sumber arus, karena
terdapat didalamnya, maka :
DU = I . Rd
dimana : DU = kerugian tegangan di dalam sumber arus.
Rd = tahanan dalam sumber arus.
I . Rd
I
I
Uo
72
I = arus yang dikeluarkan.
Jadi besarnya ggl :
Uo = I ( Ra + Rd )
= I Ra + I . Rd
= U + I . Rd
= U + DU
dari persamaan diatas dapat ditulis :
I
Uo
Rd Ra
=
+
Sumber tegangan dalam keadaan hubung singkat
Gambar 2.43 Rangkaian Sumber Tegangan Keadaan Hubung Singkat
Jika suatu baterai hubung singkat maka : U = 0
Karena tidak ada tahanan luar atau tahanan luar relatif kecil sekali
(diabaikan) maka didapat rumus :
I
Uo
R = R
Kesimpulan :
- Semakin besar arus, maka tegangan klem semakin kecil.
- Semakin kecil tahanan dalam, maka semakin berkurang tegangan
klem yang tergantung dari arus beban.
73
2.1.9.8. RUGI TEGANGAN DALAM PENGHANTAR
Yang dimaksud kerugian tegangan dalam penghantar ialah tegangan
yang hilang, atau tegangan yang tak dapat dimanfaatkan :
Gambar 2.44 Rugi Tegangan Dalam Penghantar
Dalam rangkaian arus :
I =
U
Rp
RP = RA-B + RBC + RCD
dari titik A ke B terjadi turun tegangan
UAB = I . RAB
= I . Tahanan penghantar masuk
dari titik C - D = terjadi turun tegangan
UCD = I . RCD
= I Tahanan penghantar keluar
DU = U - UBC atau
DU = UAB + UCD
Panjang dan penampang kedua penghantar itu sama, jadi tahanannya
sama. Tahanan penghantar
R =
r
q
l
Tahanan dua kontrol :
2 R =
2
q
r l
74
Turun tegangan dinyatakan dalam % dari tegangan yang diberikan
D U = å % . U
=
S
100
× U
2.1.9.9. PEMBEBANAN SUMBER
Sumber tegangan dalam keadaan berbeban yang dapat diatur
Grafik 2.45 Grafik Pembebanan Sumber
Kesimpulan :
Semakin besar tahanan beban yang diukur maka besarnya tegangan
klem akan semakin kecil. ( lihat grafik ).
Contoh Soal :
* Sebuah sumber tegangan memberikan 1,5 V dihubungkan pada tahanan
2,5 W sedangkan tahanan dalam baterai 0,5 W.
Hitunglah :
a. Arus yang mengalir.
b. Tegangan klem ( tegangan pada tahanan luar ).
75
Jawab :
Diketahui : Uo = 1,5 V
Ri = 0,5 W
Ra = 2,5 W
I = ?
u = ?
Jawab :
a). I
U
Rd Ra
=
+
=
1,5 V
0,5+ 2,5
=
15
3
,
= 0,5 A
b). = Uo - I . Rd
= 1,5 V - ( 0,5 . 0,5 )
= 1,5 V - 0,25
= 1,25 V
2.1.9.10. HUBUNGAN JAJAR.
Beberapa pemakai alat listrik bersama-sama dihubungkan pada
satu tegangan. Hubungan semacam ini disebut : HUBUNGAN JAJAR.
Semua alat listrik pada umumnya dihubungkan jajar pada
tegangan yang tersedia.
Contoh perhatikan percobaan dibawah :
Gambar 2.46 Rangkaian Pararel
Perhitungan tahanan total ( tahanan pengganti )
1 3 1 2 3
1 2 3
R
1
R
1
R
1
1
R
R
U
+
R 2
U
+
R
U
U
I + I + I
U
I
U
R
+ +
= =
= =
1
R
1
R
1
R2
1
R3
= + +
1
G = G1 + G2 + G3
76
Contoh 1
Dua buah tahanan masing -masing R1 = 10 , R2 = 40,
dihubungkan secara paralel dengan 200 V, Tentukan tahanan total dan
arus yang mengalir pada masing-masing tahanan serta perbandingan
I1 : I2 dan R2 : R1
Jawab :
R = 1
1
R1
1
R2
1
1
10
1
40
1
+ 0,1 0,025
=
+
=
+
I = U
R
200 V
8
=
W
= 25 A
I1 = U
R1
200 V
8
=
W
= 20 A
I1 = U
R2
200 V
40
=
W
= 5 A
Kontrol : I = I1 + I2 = 25 A
I1
I2
20 A
5 A
= = 4
R1
R2
40
10
=
W
W
= 4
Kesimpulan :
Tahanan total adalah lebih kecil dari tahanan yang terkecil dari
tahanan cabang. Keadaaan arus pada tiap cabang berbanding terbalik
dengan tahanan cabang.
Pemakaian :
Hubungan paralel ( shunt ) untuk mengukur arus dan untuk pemakaian
stop kontak yang lebih banyak dalam suatu rangkaian.
Contoh 2
Diketahui : Dua buah tahanan R1 = 20 , R2 = 30, dihubungkan
secara paralel.
Ditanyakan : Tahanan total
a). Jawaban secara perhitungan
77
1
R
1
R
1
R2
R2 + R1
R1 . R2
R
R1 . R2
R1 R2
= + = ® =
1 +
R =
20 . 30
20 + 30
20 . 30
50
W W
W W
W W
W
= = 12 W
b). Jawaban secara grafik
Terapan hubungan campuran pada Perluasan batas ukur
Dengan adanya tahanan seri ( tahanan depan ) , batas ukur dapat
diperluas .
78
2.1.10. PENGUKURAN RANGKAIAN
Pengukuran Tahanan tak langsung ( Pengukuran arus & tegangan ) .
Kesalahan rangkaian dalam mengukur arus
.
Gambar 2.47 Kesalahan Pengukuran Arus
UX = U I X = I - I V
Rumus
R
U
I I
X
V
=
-
R
U
I X
U
RV
=
-
Kesalahan ukur diabaikan
Pada tahanan yang kecil .
Keterangan :
U = Tegangan teratur
I = Arus terukur
IV = Arus volt meter
RV = Tahanan volt meter
Gambar 2.48 Kesalahan Pengukuran Tegangan
79
UX = U x UA I X = I
R
U U
I
U R x I
I
X
A A =
-
=
-
Tahanan yang besar
Keterangan :
U = Tegangan teratur
I = Arus terukur
UA = Tegangan Amperemeter
RA = Tahanan Amperemeter .
Pengukuran Tahanan Langsung dengan :
- Pengukur tahanan ( ohm meter )
- Pengukur isolasi ( contoh induktor )
- Jembatan pengukur tahanan
2.1.10.1. HUBUNGAN JEMBATAN
Gambar 2.49 Rangkaian Jembatan
Syarat tahanan untuk jembatan tak berarus ( I 5 = 0 )
Syarat untuk jembatan tak berarus :
I 5 = 0 U5 = 0
U1 = U3 U2 = U4
I 1 = 12 13 = 14
U1 = I1 x R1 = I3 x R3
U2 = I1 x R2 = I3 x R4
80
paralel murni
I1
I3
R3
R1
R4
R2
= =
R1
R2
R3
R4
=
2.1.10.2. HUBUNGAN CAMPURAN
Pada rangkaian tahanan-tahanan yang di sambung seri, besar tahanan
total adalah jumlah nilai tahanan yang disambung seri tersebut.
misal
A B
R1 R2 R3
Pada rangkaian tahanan-tahanan yang di sambung paralel
misal : A
R1 R2 R3
B
Maka:
R A-B = R1 + R2 + R3
maka : R A-B =
I
R
1
R
1
R
1
AB 1 2 R3
= + +
Untuk rangkaian-rangkaian seri-paralel (campuran), tahanan-tahanan
paralel harus dilihat
sebagai sebuah kelompok tunggal yang seri dengan tahanan-tahanan
lainnya.
Berikut ini adalah cara penyelesaian rangkaian campuran
Rangkaian campuran 1 ( seri-paralel ).
R1 R3
R4 R6
R2 R5
RI =
R x R
R R
1 2
1 2 +
RII =
1
1
R
1
R
1
R 3 4 5
+ +
81
A B
R1 R2 R3
R A-B = RI + RII + R6
2.1.10.3. Hubungan jembatan arus searah
Jembatan adalah rangkaian yang terdiri atas empat komponen yang
dirangkaikan seperti gambar dibawah ini.
Komponen-komponennya boleh jadi berupa tahanan atau juga pirantipiranti
lain..
Gambar 2.50 Rangkaian Jembatan Arus Searah
Deretan R1 dan R2 juga deretan R3 dan R4 disebut lengan atau cabang
jembatan semacam ini dinamai jembatan Wheatstone.
Dalam jembatan dapat ditetapkan tiitk C dan D jika dihubungkan, maka
tidak ada arus mengalir .
Hal ini dapat terjadi kalau tegangan antara C-B adalah sama dengan
yang di antara D-B, dan ini dapat diperoleh R1 : R2 = R3 : R4
Kalau persyaratan-persyaratan diatas dipenuhi, maka dikatakan bahwa
jembatan bersetimbang.
Rangkaian jembatan wheatstone banyak dipakai dalan piranti ukur
cermat dan juga dalam industri.
82
2.1.10.4. JEMBATAN BERSETIMBANG
Gambar dibawah adalah cara untuk mengukur tahanan yang belum
diketahui :
Gambar 2.51 Pengukuran Jembatan Setimbang
Prinsip Kerja :
· Potensiometer P adalah untuk mengatur supaya alat ukurnya
menunjukkan 0. jembatanpun bersetimbang.
· Mengukur hanya tahanannya ( diantara titik-tiitk P-Q ) dengan alat
ukur Ohm meter.
· Dengan menerapkan rumus : R1 : R2 = R3 : R4
Guna mengukur tahanan yang tak diketahui, RX, maka RX ini ditaruh
sebagai pengganti R3 . R2 Pun dipilih yang seharga R4. Dengan
demikian,kalaujembatan bersetimbang berlaku
RX = P.
Cara lain dapat dilakukan seperti pada gambar :
I1 . R1 = I2 . R2 ........................... I
I3 . R3 = I4 . RX ........................... II
I
II
I R
I R
I R
I R
1 1
2 2
3 2
4 X
=
×
×
=
×
×
atau
83
1
2 3
X
X
3
2
1
R
R R
R
R
R
R
R
×
=
=
2.1.10.5. PEMBAGI TEGANGAN BERBEBAN
a. Hubungan seri
R1
U1
R2 U2
2
1
2
1
R
R
U
U
=
R2
R2 . U1
U1 = untuk mencari
R1
U1.R2
U2 =
R1 + R2
R1
U1 = U. untuk mencari
2.1.10.6. HUBUNGAN CAMPURAN BERBEBAN
R1
U1
R2 U2 Rb
p 1
2
1
R
R
U
U
=
Rp
R1. U2
U1 = untuk mencari
Rp + R1
Rp
U2 = U.
R1 + Rp
R1
U1 = U. untuk mencari
R1 + Rp
Rp
U2 = U.
Catatan Rp =
b
b
R2 +R
R2 . R
atau
p Rb
1
R R
1
2
1 = +
Tahanan di dalam baterai, disebut tahanan dalam baterai
84
Misalkan : Jumlah unsur yang dideret = d ggl tiap unsur = e
Tahanan dalam tiap unsur = rd Tahanan luar = RI
Maka : arus baterai ( I bat ) dapat dihitung.
Sesuai dengan rumus sumber arus :
rd RI
E
I
+
= Maka untuk baterai ini :
rd bat RI
E bat
I
+
=
+ + +
Rb
- - -
Gambar 2.52 Rangkaian Seri Baterai Berbeban
E bat = d x e
Rd = d x rd , sehingga rumus untuk hubungan deret :
Ampere
d rd RI
d e
I
´ +
´
=
d = Jumlah unsur dalam hubungan deret.
e = ggl tiap unsur dalam volt.
rd = Tahanan dalam tiap unsur, dalam ohm.
RI = Tahanan luar, dalam ohm.
85
2.1.10.7. HUBUNGAN DENGAN POTENSIOMETER
Gambar 2.53 Grafik Hubungan Dengan Potensiometer
U1 = tegangan sepanjang kumparan
I1 = panjang kumparan
86
2.1.10.8. PARAREL SUMBER BERBEBAN
Rangkaian Paralel
I1 I2 I3 I4 It
+ + + + Rb
- - - -
Gambar 2.54 Rangkaian Pararel Baterai Berbeban
Ggl baterai = ggl unsur = e , karena hubungan jajar.
Tahanan dalam baterai : Rd = rd/j
j = jumlah unsur yang dihubungkan jajar.
rd = Tahanan dalam tiap unsur, sehingga arus baterai
j rd RI
e
I
´ +
=
(1/ )
2.1.10.9. RANGKAIAN SUMBER CAMPURAN
Rangkaian Campuran ( seri - Jajar )
87
Gambar 2.55a Rangkaian Seri-Pararel Baterai Berbeban A
( - ) ( + )
( + )
( - )
Gambar 2.55b Rangkaian Seri-Pararel Baterai Berbeban B
Untuk mendapatkan arus maupun tegangan yang cukup, maka
penyambungan sumber arus ( unsur ) dibuat campuran atau dikenal
dengan sambungan deret-jajar, seperti dalam gambar
Rumus yang dipakai untuk hubungan ini, tidak meninggalkan rumusrumus
dasar deret dan jajar.
88
Jumlah unsur yang dihubungkan deret = d
Jumlah deretan ( rangkaian deret ) yang dijajarkan = j
Jumlah unsur seluruhnya = d X j = n
Ggl baterai = d X ggl unsur.
Tahanan dalam baterai =
j
d tahanan dalam unsur.
Sehingga arus baterai :
d rd RI
d e
d rd RI
d e
d j rd RI
d e
I
´ +
´
=
´ +
´
=
´ +
´
=
( / ) ( /1 ) ( )
Jika d = 1 , maka rumus ini menjadi rumus untuk baterai dengan
hubungan jajar,
seperti dibawah ini :
j rd rd
d e
d j rd RI
d e
I
( / ) (1/ ´ )
´
=
´ +
´
=
2.1.10.10. DAYA LISTRIK
Jika sebuah lampu pijar dihubungkan pada sumber tegangan,
lampu tersebut akan menyala karena dialiri arus listrik.Untuk
memindahkan arus listrik / muatan listrik diperlukan usaha listrik sebesar :
w = usaha listrik ........joule = watt detik
U = tegangan listrik .................volt ( v )
Q = jumlah muatan listrik ...coulomb ( C )
Q = I . t
w = U . I . t
Daya listrik adalah usaha listrik tiap satuan waktu :
w = U . I . t U . I =
t
w
P =
P = daya listrik ........ watt
P = U . I U = I . R
w = U . Q
P = U . I
89
P = I2 . R
P =
U
R
2
P = I . R . I = I2 . R
R = tahanan / hambatan listrik .... ohm ( W )
P = U . I I =
U
R
= U .
U
R
= U
R
2
Dari persamaan :
P = I2 . R
Jika R adalah konstan, maka grafik P = ¦ (I)
dapat digambarkan sebagai berikut :
Contoh : R = 1000
I
( ma )
P
( w )
100 100
200 200
300 300
400 400
500 500
600 600
700 700
800 800
900 900
1000 1000
90
Satuan daya listrik yang lain :
1 mili watt = 1 mw = 10-3 w
1 kilo watt = 1 kw = 103 w
1 mega watt = 1 Mw = 106 w
1 daya kuda = 1 Hp = 746 w
Konversi daya listrik terhadap daya panas dan daya mekanik :
1 watt = 0,102 kgm/det = 0,00136 Hp = 0,24 kal/det
Contoh :
Sebuah setrika listrik dayanya 330 w, dihubungkan pada tegangan 220 V.
Hitung : a. arus yang mengalir.
b. Hambatan setrika dalam keadaan bekerja.
(anggap harganya konstan)
Jawab :
a) P = U . I I =
P
U
=
330
220
= 1,5 A
Jadi : I = 1,5 A
b) R =
U
I
=
220
1 5 ,
= 146,67 W
atau P =
U
R
2
R =
U
R
2202
330
48400
330
2
= =
R = 146,67 W
2.1.10.11. DAYA GUNA (EFISIENSI)
Daya guna disebut juga efisiensi adalah perbandingan antara daya
keluaran ( out put ) dengan daya masukan ( input ). Daya keluaran selalu
lebih kecil dari daya masukan, karena selalu timbul kerugian-kerugian.
Contoh kerugian-kerugian pada motor listrik :
Jadi jelas terlihat bahwa daya masukan ( input ) selalu lebih besar dari
daya keluaran ( out put ).
Daya guna atau efisiensi dinyatakan dalam persamaan :
91
h =
P output
P input
atau h =
P2
P1
Jika dinyatakan dalam persentase :
h =
P2
P1
x 100 %
h= efisiensi = daya guna ......... %
P2 = daya keluaran
P1 = daya masukan
Catatan :
- Dalam menghitung daya guna/efisiensi, Satuan daya keluaran harus
dalam satuan yang sama.
Jawab :
P1 = 100 watt
P1 = 1 HP = 746 watt
h=
P2
P1
x 100 %
746
1000
= x 100 %
h=74,6 %
2.1.11. PANAS LISTRIK
2.1.11.1. TEMPERATUR
Kandungan panas suatu bahan atau benda tergantung pada :
(a). temperatur
(b). berat bahan, dan
(c). jenis bahan
Jadi temperatur dan panas tidaklah sama. Tidak ada kandungan panas
yang dapat diukur dengan sebuah termometer. Temperatur menunjukkan
tingkat panas, yakni suatu ukuran pada sebuah skala yang telah disetujui
dengan kemampuan panas untuk beralih dari
satu zat ke yang lain, atau dari satu bagian bahan ke bagian lain dalam
bahan yang sama.
Dengan demikian dapat disimpulkan :
92
2.1.11.2. PENGUKURAN TEMPERATUR
Pengukuran derajat panas atau temperatur atau suhu dari suatu zat
diukur dengan suatu alat yang disebut termometer. Alat ukur ini
mempunyai berbagai macam skala, tergantung dari pembuatnya.
Adapun macam-macam skala dalam pengukuran temperatur ini yaitu :
Celcius.
Fahrenheit.
Reamur.
Kelvin.
Celcius:Termometer yang dibuat oleh Celcius Mempunyai batas skala
pengukuran 00-100 dimana batas ini adalah 00 untuk temperatur air saat
membeku dengan tekanan udara ( P ) = 1 atm, skala 1000 untuk air
mendi -dih dengan P = 1 atm.
Fahrenheit :Termometer yang dibuat oleh fahrenheit mempunyai nilai
skala 320 untuk air membeku dan 00 untuk air asin (air laut membeku,
sedang untuk air mendidih 2120C.
Reamur : Termometer yang dibuat oleh reamur mempunyai nilai skala 00
untuk air membeku dan 800 untulk air mendidih.
Kelvin :Termometer yang dibuat oleh Kelvin mempunyai nilai skala 273
untuk air membeku, sedangkan untuk mendidih 3330.
2.1.11.3. SKALA TERMOMETER
Dari penjelasan tentang skala yang di pakai oleh masing Termometer
dapat kita bandingkan :
Gambar 2.56 Skala Thermometer
100 800 2120
00 00 320
C R F
0
air laut membeku
93
t0 C = ( 9/5 x t ) + 320 F = 4/5 x t0 R
t0 R = ( 9/4 x t ) + 320 F = 5/4 x t0 C
t0 F = ( t - 32 ) x 5/90 C = ( t - 32 ) x 4/90R
Pada termometer kelvin nilai perbandingannya sama dengan celcius,
sehingga pengukuran untuk kelvin dan celcius nilai derajat panasnya
adalah sama, berartu untuk kelivin besarnya nilai pengukuran sama
dengan ( t0C + ) 0 K atau sebaliknya untuk celcius ( t0 K-3 ) 0 C.
2.1.11.4. KWALITAS DAN KAPASITAS PANAS
Setiap benda untuk bisa menaikan suhunya lebih tinggi dari suhu
semula, maka benda itu memerlukan tenaga, tenaga ini berasal dari gaya
luar yangh mengenai suhunya. Kalau gaya itu berasal dari benda itu
sendiri biasanya merupakan reaksi inti atom atau maka dapatlah
disimpulkan bahwa :
Kapasitas panas ( C ) adalah tenaga yang harus ditambahkan (
berupa panas ) untuk menaikkan temperatur benda sebanyak satu
derajat celcius.
· Menentukan nilai kapasitas panas
Berdasarklan rumus pada :
..........
1
maka besarnya nilai kapasitas adalah :
Q = jumlah panas ...........
m = massa benda ...........
C = kapasitas panas..........
Dt = perubahan suhu...........
C = kapasitas panas jenis..
Joule
Kilogram ( Kg )
Joule/derajat celcius ( j / 0C )
0C atau 0K
Joule/kilogram derajat celcius ( j
/ Kg 0C )
Q = m . C . Dt
94
· Pengertian kuantitas panas :
Seperti yang telah dijelaskan tentang kapasitas panas.
Maka kuantitas panas ( jumlah panas ) merupakan besar panas yang
diperlukan / dipakai secara total, ini berarti berhubungan dengan waktu.
Untuk menentukan besarnya kuantitas panas digunakan rumus
Q = m . C . Dt ......... joule
· Pengertian panas jenis
Pada pengertian panas jenis bisa disebut sebagai kalor
jenis dan dalam pengertian rumus 2 dinamakan kapasitas panas jenis
dengan satuan joule/kilogram derajat celcius ( j / Kg0C ).
Maka dapat disimpulkan bahwa : Panas jenis adalah bilangan yang
menunjukkan berapa kalori panas yang diperlukan untuk menaikkan suhu
tiap satuan massa zat tersebut satu derajat celcius.
C =
Q
m t
j / Kg
×D
................. 3
C = kapasitas panas jenis ( kalor jenis, panas jenis )
Q = kuantitas panas
m = massa
Dt = perubahan suhu
Tabel2.25 Kapasitas panas jenis beberapa zat
B a h a n
C
J
Kg × 0 C
é
ë ê
ù
û ú
C
kWh
Kg × 0 C
é
ë ê
ù
û ú
Aluminiu
m
912 0,256 . 10-3
Tembag
a
385 0,107 . 10-3
Baja 460 0,128 . 10-3
PVC 880 0,243 . 10-3
Air 4187 1,16 . 10-3
95
2.1.11.5. KONVERSI BESARAN DAN SATUAN USAHA
Besaran uaha Q stuannya adalah kalori ( cal ) atau kilo kalori ( Kcal )
Besaran usaha W satuannya adalah Joule, ( J ), erg, Watt detik ( Ws )
dan kilo Watt jam ( kWh )
Satuan = Joule = Newton meter = kilogram meter / detik2 . meter
erg = dyne sentimeter = gram . centimeter/detik2 . cm
Joule = kg m2 / dt2
Erg = gr cm2 / dt2
jadi : 1 kg m2 / dt2 = 1000 gr . ( 100 )2 cm2/dt2
= 1000 gr . 1000 cm2/dt2
= 107 gr . cm2/dt2
Kesimpulan :1 Joule = 107 erg
1 erg = 10-7 joule
1 kalori = 4,19 Joule
1 W = 1 Joule/detik ( J/s )
1 Ws = 1 J
1 kWh = 1000 x 3600 J
= 3,6 x 106 J
= 3,6 Mega Joule
= 3,6 MJ
96
Dari perhitungan diatas maka didapatkan suatu tabel konversi besaran satuan dari usaha seperti berikut:
Tabel 2.26 KONVERSI USAHA LISTRIK
Satuan SI J ( Joule ) Nm ( Newton meter )
Satuan SI ( umum ) Ws ( Watt sekon ) kWh ( kilo Watt jam )
Satuan lainnya kcal ( kilo kalori ) = cal . 103
1 Ws = 1 J = 1 Nm = 107 erg
1 Ws = 278 .10-9 kWh = 1 Nm = 1 J = 0,102 kpm = 0,239 cal
1 kWh = 3,6 . 106 Ws = 3,6 . 106 Nm = 3,6 . 106 J = 367 . 103 kpm = 860 kcal
1 Nm = 1 Ws = 278 . 10-9 kWh = 1 J = 0,102 kpm = 0,239 cal
1 J = 1 Ws = 278 . 10-9 kWh = 1 Nm = 0,102 kpm = 0,239 cal
1 kpm = 9,81 Ws = 2,72 . 10-6 kWh = 9,81 Nm = 9,81 J = 2, 34 cal
1 kcal = 4,19 . 103 Ws = 1,16 . 10-3 kWh = 4,19 . 103Nm = 4,18 . 103J = 427 kpm
97
2.1.11.6. KONVERSI BESARAN DAN SATUAN DAYA
Dibawah ini adalah tabel konversi daya ke satuan lain.
Tabel 2.27 Konversi Daya
Satuan SI J ( Joule ) Nm ( Newton meter )
Satuan SI ( umum ) W ( Watt ) kW ( kilo Watt )
Satuan lainnya kcal/s ( kilo kalori/sek ) = cal / s . 103
kcal/h ( kilo kalori/jam ) = cal / h . 103
kcpl/s ( kilo pond meter/sek )
PS = HP ( Daya kuda )
1 W = 1 J/s = 1 Nm/s
1 W = 10-9 kW = 0,102 kpm/s = 1,36 . 10-3 PS = 860 cal/h = 0,239 cal/s
1 kW = 103 W = 102 kpm//s = 1,36 PS = 860 . 103cal/h = 239 cal/s
1 kpm/s = 9,81 W = 9,81 . 10-3 kW = 13,3 . 10-3 PS = 8,43 . 103cal/h = 2,34 cal/s
1 PS = 736 W = 0,736 kW = 75 kpm/s = 632 . 103cal/h = 1,76 cal/sl
1 kcal/h = 1,16 W = 1,16 . 10-3 kW = 119 .10-3 kpm/s = 1,58 . 10-3 PS = 277,8 . 10-3 cal/s
1 cal/s = 4,19W = 4,19 . 10-3 kW = 0,427 kpm/s = 5,69 . 10-3 PS = 3,6 kcal/h
98
Daya adalah besarnya usaha yang dilakukan tiap satuan waktu
Daya : =
Nm
S
atau daya = Joule/sekon
=
Kg m / dt m
Sekon
2 ×
= Watt sekon/sekon
=
Kg m m
Sekon3
×
= Watt
= kg m2 / dt3
Jadi :
Besaran daya adalah P
Satuan daya adalah Watt atau kilo Watt. Seperti juga usaha daya
juga dapat di konversikan menjadi satuan-satuan lain, terutama yang ada
hubungannya dengan panas ( kalori atau cal ).
Contoh
Dalam konversi satuan usaha listrik pada tabel terdapat lajur :
1 kpm = 9,81 Ws = 2,72 . 10-6 kWh = 9,81 Nm = 9,81 J = 2,34 cal
Coba jelaskan bagaimana di peroleh data tersebut !
Jawab :
1 kpm adalah 1 kilo pond meter
1 Nm = 0,102 kpm berarti 1kpm =
1
0,102
= 9,81 Nm
a). 1 kpm = 9,81 Nm 1 NM = 1 J = 1 Ws
b). 1 kpm = 9,81 J
1 Nm = 278 . 10-9 kWh
9,81 Nm = 9,81 x 278 . 10-9 kWh
= 2,72 . 10-9 kWh
= 2,72 . 10-9 kWh
c). 1 kpm = 2,72 . 10 kWh
1 Nm = 0,239 cal
9,81 Nm = 9,81 . 0,239 cal
= 2,34 cal
d).1 kpm = 2,34 cal
Jadi terbukti bahwa :
1 kpm = 9,81 Ws = 2,72 . 10-6 kWh
= 9,81 Nm = 9,81 J = 2,34 cal
99
2.1.11.7. DAYA GUNA Efisiensi
· Panas Sumber dari Sumber Listrik
Segala sesuatu yang diberikan dari suatu sumber tidak semua
dapat di manfaatkan
atau dui gunakan dalam pemakaiannya. Karena pada transfer (
pemberian ) yang dilakukan melalui
Media / alat / penghantar tertentu yang juga mengambil bagian dari
Sumber.
Demikian yang juga mengambil panas, dimana Sumber yang
berupa tempat asal mula energi terjadi tidak dapat memberikan panas /
energinya tanpa mengalami kerugian - kerugian. Sumber listrik
sebagai energi yang belum diubah menjadi panas untuk memanaskan
sesuatu juga mengalami kerugian. Kerugian ini disebabkan oleh
beberapa hal, diantaranya adalah rugi pada alat pemanas itu sendiri dan
rugi dari media transfernya, yaitu udara ( radiasi ) ataumungkin bantalan
atau komponen alat.
Besarnya panas dari sumber listrik adalah perubahan usaha listrik
menjadi panas seusai dengan rumus :
dimana : W = Usaha listrik ............... kalori
I = Arus listrik yang mengalir ........ amper
R = Tahanan .................. Ohm
t = Waktu .................... detik
0,24 adalah perubahan dari Joule ke kalori
atau =
· Panas Bergema ( Out put )
Panas yang betul-betul termanfaatkan oleh yang memerlukan dinamakan
panas yang berguna. Biasanya panas ini sudah tidak lagi sebesar yang
diberikan oleh sumber karena adanya rugi - rugi sebagaimana yang
dijelaskan didepan.
Besarnya panas yang termanfaatkan ( berguna ) ini ditentukan
oleh rumus:
W2 sebanding dengan Q = m . c . Dt ...... kalori
W1 = U . I . t ....... Joule
W1 = 0,24 . U . I . t ............. kalori
100
Dimana = Q = jumlah / kuantitas panas ........ kalori
M = Massa benda yang dipanaskan .. kg
Dt = Perubahan temperatur ( suhu ) ... 0C
atau
Untuk menentukan satuan yang dipakai harus seragam, misal :
· Jika Q dan W yang dipakai kalori, maka kapasitas panas jenis
yang dipakai adalah dengan satuan kalori / kg0C.
· Jika Q dan W yang dipakai joule, maka kapasitas panas jenis
yang dipakai adalah dengan satuan joule / kg0C.
· Efisiensi Panas
Efisiensi panas adalah Perbandingan antara pasang yang
termanfaatkan ( pergunakan ) dengan panas sumber.
Besarnya efisiensi panas, ditentukan oleh rumus :
100%
1
= ´
W
Q
h
PANAS ( w ) YANG( Q )
SUMBER BERGUNA
RUGI PANAS AKIBAT RUGI PANAS AKIBAT
RADIASI RAMBATAN KE BENDA LAIN
2.1.11.8. PERPINDAHAN PANAS
Panas dapat dikatakan mengalir dari sebuah benda panas ke benda
dingin. Sebuah zat yang dipanasi mengeluarkan panas ke zat lain melalui
( a ) hantaran ( konduksi ), ( b ) konverksi, ( c ) radiasi. Berbagai
jenis pemanas listrik bekerja menurut salah satu atau lebih dari prinsip
tersebut.
A. HANTARAN ( KONDUKSI ). Dalam hantaran, panas dipindahkan
melalui suatu zat dari satu titik ke titik lainnya. Misalnya, di dalam sebuah
batang yang dipanasi, energi panas dipancarkan dari molekul melalui
kontak langsung, walaupun tidak ada ada gerakan molekul - molekul itu
sendiri. Atom - atom dalam setiap bahan berada pada getaran yang
konstan. Getaran ini diperbesar oleh setiap kenaikan temperatur.
Q = m . c . Dt ............ Joule
101
Kebanyakan zat nampaknya mengikuti pola ini. Tembaga adalah
penghantar panas dan listrik yang baik ; sedang kertas adalah isolator
panas dan isolator listrik yang baik.
B. KONVERSI.
Pemakaian arus konversi mungkin adalah cara yang paling pokok untuk
memancarkan energi panas untuk mendapatkan keduanya, pamanasan
ruang dan air. Udara sendiri bukanlah suatu penghantar yang baik tetapi
lapisan udara yang bersentuhan dengan sebuah elemen yang dipanasi
diberi energi panas dan karenanya memuai. Sehubungan dengan
pemuaian ini, massa jenis udara berkurang sehingga akan menjadi lebih
ringan dan naik. Lapisan udara yang segar mengisi tempatnya dan pada
gilirannya naik. Dengan cara ini sirkulasi kontinu dari udara yang
dipanasi dapat diperoleh, dan prinsip ini dilukiskan pada Gambar 2.57
Udara dingin ditarik ke dalam alat konversi listrik pada permukaan tanah,
dihangati oleh panas dan dibuang keluar melalui sebuah lapisan logam
bagian atas. Dengan bekerja pada panas hitam, umur elemen nikelchrome
bertambah dibandingkan dengan radiator-radiator di mana
mereka menjalankan panas merah. Pemanasan konverksi yang
mungkin dibantu oleh kipas angin memberi kemungkinan untuk
mengontrol termostatik ; tetapi bila dipasang termostat sebaiknya
ditempatkan agar memberi tanggapan terhadap temperatur aliran udara
masuk.
Gambar 2.57 Prinsip alat konveksi listrik
Pemanas berbentuk tabung juga bekerja sebagai konvektor. Pemanas
tersebut adalah lempengan baja terselubung dari penampang berbentuk
lingkaran ( diamater 50 mm ) atau oval yang mengandung sebuah
elemen dan panjangnya dari 0,61 mm sampai 5,2 m.( Gambar (a)).
Kurungan mempertahankan suatu jarak-antara ke dinding sebesar 33
mm. Hubung-hubungan bagian-dalam antara pemanas-pemanas dapat
diperoleh dan untuk melengkapi pembebanan yang kompak, pemanas102
pemanas tersebut sering dipasang di dalam deretan bertingkat.
Fleksibilitas yang ditawarkan oleh rangkumam ukurannya membuat
pemanas sangat efektif untuk pemeriksaan aliran udara. Aliran udara
dingin yang turun dari udara dari jendela loteng dan jendela-jendela, bisa
dipanasi dengan memasang pemanas-pemanas berbentuk tabung yang
sesuai di bawah saluran gas.
Sebagai pendekatan yang lebih modern, unit-unit dapat dimodifikasi
atau dimasukkan di dalam pemanas-pemanas pembalut yakni yang
disempurnakan dengan warna-warna menarik yang akan bergabung
dengan dekorasi rumah model sekarang atau kantor. Salah satu bentuk
diperhatikan pada Gambar 2.58 (a) dan 2.58 (b).
Gambar 2.58a. Dimensi Pemanas berbentuk tabung
Gambar 2.58b Pemanas-pemanas berbentuk tabung tercakup didalam
pemanas-pemanas bermantel.
103
C. RADIASI.
Matahari memanasi bumi melalui radiasi yang merambat pada
kecepatan cahaya. Dalam radiator listrik ( Gambar 3 ), sinar-sinar panas
dari sebuah elemen pada panas merah yang terang lewat dengan cepat
melalui udara tanpa memanasi atmosfer tetapi menaikkan temperatur zat
padat dalam daerahnya. Berarti tembok, mebel dan badan manusia
menyerap panas dan menjadi lebih panas. Sebagaimana dapat dilihat
melalui bagan, sinar-sinar panas merambat dalam garis lurus dan
dipantulkan oleh permukaan-permukaan mengkilap dengan cara yang
sama seperti cahaya ; tetapi diserap oleh permukaan-permukaan hitam.
Pemanas-pemanas radiator pemantul tidak cocok untuk mengontrol
panas statik ( termostatik ).
Juga adalah menarik untuk memperhatikan bahwa bagian panas lewat
melalui pemantul karena hantaran yang pada gilirannya memanasi
lapisan-lapisan udara sekeliling untuk menghasilkan sejumlah konveksi
panas tertentu.
Untuk mencegah oksidasi, elemen-elemen digulungkan dengan kawat
nikel-chrome ( 80 % nikel dan 20 % chrome ) dengan koefisien
temperatur yang kecil. Paduan ini memiliki keuntungan tambahan yakni
tahanan yang tinggi setiap satuan panjang sehingga diperoleh suatu
sumber panas yang padat.
Gambar 2.59 Pemantul radiator parabolik.
Pemanas-pemanas sinar infra merah dapat dirancang agar
memancarkan gelombang-gelombang elektromagnet yang panjang
dalam daerah 3 mikron untuk menghasilkan kenyamanan tubuh. Elemen
pemanas ditutupi di dalam sebuah tabung silika bersekering. Bahan ini
adalah penghantar jelek tetapi sangat tembus pada cahaya radiasi infra
merah. Selanjutnya tabung bekerja sebagai sebuah pelindung arus
udara yang tidak teratur yang menabrak elemen-elemen tersebut dan
104
memperpendek umur elemen. Bahan tabung pembias juga memberikan
tingkat keamanan dalam hal mencegah tersentuhnya kawat yang
dipanasi.
Suatu variasi dapur api listrik yang hampir tak habis-habisnya, bekerja
berdasarkan satu atau lebih dari prinsip-prinsip dasar pemindahan panas.
Catatan dapat dibuat bagi pemanas-pemanas unit industri yang
mempunyai daya sampai beberapa kW. Digulung bersama sebuah
elemen kawat bergulung yang ditempatkan di depan sebuah kipas, dapat
dipasang pada suatu ketinggian sekitar 2-3 m dan meniupkan udara
panas di sekeliling suatu daerah lebar. Dalam cara ini suatu tingkat
ventilasi yang dipaksakan juga tersedia.
Radiator berisi minyak adalah sebuah pemanas lain dengan kedua
keluaran yang bersifat radiasi dan bersifat konveksi. Pada mulanya
dirancang dalam bentuk radiator pemanasan sentral tipe kolom, sekarang
ini pemanas tersebut sering dilesung dan memiliki selubung saluran kecil
baja tekan yang rapi. Unit ini sebagian diisi dengan suatu minyak tingkat
tinggi yang dipanasi dengan sebuah pemanas tipe celup. Minyak memuai
dan secara merata memanasi sleubung. Di sana terdapat sebuah
pengontrol termostatik yang terpasang bersama sebuah pemutus beban
lebih untuk ukuran-ukuran yang lebih besar, dan pemanas dapat
dipasang tembok atau berdiri bebas.
Pemanas panel juga dihasilkan dalam berbagai jenis. Elemen-elemen
yang datar ditanam di dalam berbagai bahan. Dalam satu jenis, sebuah
elemen karbon disisipkan di antara panel-panel bahan batu tulis.
Kebanyakan panas dikeluarkan sebagai radiasi temperatur rendah. Telah
ditemukan bahwa proporsi yang besar dari pancaran panas ( radiasi )
dikeluarkan ketika panel-panel tersebut dipasang pada langit-langit.
2.2. KOMPONEN LISTRIK DAN ELEKTRONIKA
2.2.1. KONDENSATOR
Kondensator atau disebut juga kapasitor adalah alat / perangkat untuk
menyimpan muatan listrik untuk sementara waktu.
Sebuah kapasitor/kondensator sederhana tersusun dari dua buah
lempeng logam paralel yang disekat satu sama lain oleh bahan isolator
yang disebut dielektrikum.
Jenis kondensator diberi nama sesuai dengan dielektrikumnya, misal :
kertas, mika, keramik dan
sebagainya.
105
Gambar 2.59 Kondensator
Plat Logam
Jika lempeng kondensator/kapasitor dihubungkan pada sumber tegangan
DC, terjadi perpindahan elektron dari kutub ( - ) lempeng B dan ke kutub
( + ) lempeng A.
Hal ini berlangsung sampai beda potensial antara lempeng A dan
lempeng B dengan GGL sumber
tegangan DC. Jika hal ini terjadi artinya kondensator sudah bermuatan
penuh.
2.2.1.1. Kuat medan listrik
Kondesator pada dasarnya adalah :
Dua keping plat penghantar ( logam ) yang tersekat satu dengan yang
lain . Dua keping tersebut bila dihubungkan dengan tegangan, di
dalamnya akan menghasilkan atau mengakibatkan PENYIMPANAN
MUATAN .
l
Gambar 2.61 Prinsip Kerja Kapasitor
Diantara dua keping plat yang bermuatan listrik itu
mempunyai KONDISI PENGISIAN YANG BERBEDA, ini mengakibatkan
terjadinya suatu medan listrik.
Medan listrik ini menghasilkan TENAGA ( DAYA ) dan bukan
merupakan PENGHANTAR .
A B
+ -
106
Sebabnya adalah dia hanya TEGANGAN yang bermuatan listrik. Setiap
tegangan yang bermuatan
listrik menghasilkan sebuah MEDAN LISTRIK.
Besarnya medan listrik di sebut KUAT MEDAN LISTRIK ( E ).
E =
U
I
(
Volt
Meter
)
E = Kuat medan listrik (
V
M
)
U = Tegangan pada kondesator ( V )
l = jarak antara plat ( m )
2.2.1.2. DIELEKTRIKUM
Dielektrik medium atau disingkat saja “ dielektrik “ , adalah
medium penyekat yang terdapat antara kedua bidang kapasitor .
Konstanta dielektrik ( K ) sesuatu medium ialah
perbandingkan kapasitas apabila bidang-bidangnya di sekat dengan
medium itu dan apabila bidang - bidangnya di sekat oleh ruang hampa
udara.
K =
C Medium
C Hampa Udara
Untuk kapasitor bidang paralel yang di sekat oleh sesuatu
medium, kapasitasnya dapat di nyatakan dengan rumus.
C =
K A
4 p k d
Jika kedua bidang kapasitor itu tidak di sekat oleh ruang
hampa udara , melainkan oleh zat penyekat lain ,maka kapasitasnya
bertambah besar dengan suatu faktor Kyang bergantung kepada sifat
kelistrikkan medium penyekat itu yang di sebut konstanta dielektrik.
Konstanta dielektrik untuk :
Hampa udara . . . . . . . . ... . . . . . . . .1
Udara kering 1 atom . . . . . . . . . . . . 1,0006
Air . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . .80
Karbon tetrakhlosida . . . . . . . . . . . . 2,24
Bensena . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2,28
Minyak kastor . . . . . . . . . . . . . . . . . .4,67
107
Methyl alkohol . . . . . .. . .. . . . . . . . 33 , 1
Gelas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4 - 7
Ambar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2,65
Lilin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2,25
Mika . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2,5 - 7
Kekuatan dielektrik menunjukkan gradient potensial (
Voltage / satuan tebal ) yang dapat menyebabkan pelepasan muatan
yang dapat menghancurkan zat penyekatnya.
Faktor ini adalah suatu ukuran kualitas zat penyekat .Kapasitor-kapasitor
itu mempunyai ukuran tertentu supaya dapat dipakai dengan aman pada
Voltage yang sudah di tentukan dan jangan di pakai untuk potensialpontensial
yang lebih tinggi. Harga rata-rata kekuatan dielektrik
untuk berbagai-bagai zat isolator yang umumnya dipakai dalam KV / cm.
Udara . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..30
Minyak transformator . . . . . . . . . .. ... .75
Tarpentim . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .110
Minyak parafin . . . . . . . . . . . . . .. . . .160
Kerosin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . 160
Parafin padat . . . . . . . . . . . . . . . . . .250 - 450
Kertas berparafin . . . . . . . . . . . . . . ..300 - 500
Mika . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .300 - 700
Ebonit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..... 300 - 1000
Gelas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300 - 1600
2.2.1.3. PERMITIFITAS LISTRIK
Misalkan ruang antara plat logam sejajar, kita isi dengan bahan
dielektrik , kemudian
satu palt kiat hubungkan dengan kutub positif, sedang plat yang lain
dengan kutub negatif
suatu baterai seperti pada gambar di bawah ini .
108
Gambar 2.62 Permitifitas Listrik
Ini juga terjadi di dalam logam , tetapi logam muatan induksi ini akan
menghasilkan muatan listrik, sehingga kuat medan di dalam logam
menjadi nol.
Dalam dielektrik, muatan induksi yang timbul pada permukaan dielektrik
tak seberapa banyaknya , sehingga medan listrik induksi yang
ditimbulkannya tidak terlalu besar.
Akibatnya medan listrik di dalam dielektrik menjadi lebih lemah daripada
di luar dielektrik, atau bila tak ada di elektrik. Dipandang dari segi medan
listrik dalam logam, dapat kita katakan logam bersifat dielektrik
sempurna. Timbulnya muatan induksi dapat di terangkan sebagai berikut.
Misalkan kita mempunyai sekumpullan molekul yang muatan positif dan
negatif, pada tiap molekulnya terpusat pada tempat yang sama .Molekul
seperti ini di katakan bersifat tak polos.
Bila di taruh dalam medan listrik gaya Coulamb akan meregangkan pusat
muatan positif dan negatif sepeti pada gambar di bawah ini .
(a) (b)
Gambar 2.63a Molekul tak polar , Pusat muatan positif dan negatif ada di
tempat yang sama
Gambar 2.63b Molekul mendapat momen dipol listrik dalam medan listrik.
E
109
Akibatnya molekul mendapat momen dipol listrik, yaitu momen dipol
terinduksi. Dalam molekul tertentu, pusat distribusi muatan positif dan
muatan negatif pada tiap molekul terpisah .
Molekul seperti ini mempunyai momen dipol listrik permanen, dan
dikatakan bersifat polar .
Dalam bahan bermolekul polar, arah momen dipol adalah acak. Bila
bahan ini di taruh dalam
medan listrik setiap molekul akan mendapat momen gaya karena medan
Coulomb, sehingga dipol molekul akan terarah. Akibatnya , bila suatu
bahan dielektrik di taruh dalam medan listrik akan terjadilah seperti
gambar di bawah ini. Bila rapat muatan induksi kita nyatakan sebagai Ói ,
kuat medan induksinya ( Lihat gambar 2.64 ).
Gambar 2.64 Bahan dielektrik dalam medan listrik
E = i
s
S O
Medan induksi ini di hasilkan oleh muatan induksi yang berlaku sebagai
sistem pelat sejajar. Perhatikan bahwa arah medan induksi melawan
medan. Ini di sebabkan oleh muatan pelat yaitu
E = i
s
S O
Medan dalam dielektrik adalah super posisi kedua medan listrik
E = Eo + E1= (
s
o
s
S So
-
i
)
Persamaan di atas menyatakan lebih lemahnya medan dalam
dielektrik daripada medan listrik diluar . Rapat muatan induksi s i
bergantung pada kuat medan listrik dalam dielektrik, yaitu E .
Bila kuat medan listrik tak terlalu besar, maka rapat muatan induksi s i
sebanding dengan kuat
medan listrik dalam dielektrik. Kita tuliskan :
s i = Xe E
Tetapan Xe disebut suseptibilitas listrik .
110
Dari persamaan 2 - 16 kita dapatkan
E =
s
o
s
o
s
S S So So
- = -
i Xe
E
atau E =
s
o
o
s
o
S
S
S
1+
æ
è ç
ö
ø ÷
=
Xe Ke
Tetapan Ke = 1 +
Xe
So
disebut tetapan dielektrik.
Orang sering menggunakan besaran S = Ke So yang disebut
permitivitas listrik.
Dengan menggunakan permitivitas listrik, persamaan ( 2-18 ) menjadi E =
s/e
Nyatalah medan dalam dielektrik sama seperti medan tanpa dielektrik,
hanya permitivitas vakum es diganti dengan permitivitas dielektrik e.
Contoh
Jarak pelat dalam suatu kapasitor pelat sejajar adalah 2 mm. Luas pelat
200cm2. Pelat kapasitor diberi beda potensial 100 volt ( kapasitor sudah
terlepas dari sumber tegangan ). Kemudian ruang antara kedua pelat diisi
dengan dielektrik . Tetapan dielektrik 50.
Hitunglah :
(a) Kuat medan sebelum diberi dielektrik,
(b) Kuat medan setelah diberi dielektrik,
(c) Beda potensial pelat setelah diberi dielektrik,
(d) Muata induksi yang terkumpul pada permukaan dielektrik.
Jawab:
(a) Kuat medan sebelum diberi dielektrik adalah
E=
Vo
d
100 (V)
0,002(m)
= = 5x104 V m-1
(b) Kuat medan setelah diberi dielektrik ialah
E =
s
e
s
e
= =
Ke o
Eo
Ke
Disini s adalah rapat muatan pada pelat kapasitor, dan Ke tetapan
dielektrik, yaitu Ke = 50.
Jadi E =
5 x 10
50
V m 10 V m
4
-1 = 3 -1
(c) Beda potensial setelah dielektrik dipasang ialah
V = E d = ( 103 V m-1 ) ( 0,002m ) =2 V
(d) Muatan induksi yang timbul pada permukaan dielektrik
qi = si A.
qi = adalah rapat muatan induksi . Kuat medan induksi
111
Ei=
s
e
i
o
= Eo - E = (50 x 103 -103 ) = 49 x 103 V m-1
Rapat muatan induksi
si = eo Ei = eo ( 49 x 103 ) C m-2 , sehingga
si = eo A = eo ( 49 x 103 ) ( 200 x 10-4 m2 )
= eo ( 9,8 x 102 ) C.
Kita juga dapat menghitung si = Xe e.
2.2.1.4. PENGARUH ELEKTROSTATIK
· Pengaruh Dilelektrikum Polarisasi
Pada dua plat penghantar yang terdapat isolator
dielektrikum antara kedua plat tersebut terdapat atom - atom yang terikat
pada ikatan molekulnya dengan bentuk orbitnya yang melingkar dengan
posisi simetris , setelah dua keping plat logam diberi potensial ( muatan
listrik positif dan negatif ) akan terjadi perubahan bentuk orbit dan terjadi
perpindahan posisi muatan listrik , dimana yang semula muatan negatif (
Netron ) melingkar simetris menjadi bentuk oval ( bulat telor ) disamping
itu atom tersebut dipengaruhi oleh medan potensial kedua plat , sehingga
terjadi gaya tarik menarik antara muatan yang berbeda . Dengan
demikian yang terdapat pada kedua plat bisa bertahan dengan waktu
tertentu meskipun yang diberikan pada plat telah tiada .
Perpindahan posisi muatan elektron pada isolator dalam medan
elektrostatika seperti tersebut diatas
dinamakan Dielektrikum Polarisasi
Lihat gambar
Gambar 2.65 Perpindahan posisi muatan elektron pada isolator
112
· Pengaruh Elektrostatika Pada Polarisasi
Dua buah plat logam jika diletakkan sejajar , maka diantara
kedua plat tersebut terdapat medan elektrostatis, jika pada medan
elektrostatis itu diletakkan dielektrikum akan timbul perpindahan posisi
muatan yang akan menahan potensial kedua plat setelah aliran listrik
tidak diberikan.
Jadi pengaruh elektrostatika pada polarisasi adalah untuk
menimbulkan perpindahan posisi muatan listrik sebagai penahan
potensial pada sisi yang berbeda muatannya.
Gambar 2.66 Pengaruh Elektrostatika pada polarisasi
113
Bentuk dasar Kapasitansi Tegangan Faktor rugi Pada 1 KHz Keuntungan dan Kerugian
Kertas Folio - C 100 pF - 50 mF 0,16 - 20 kV 0,001 - 0,01
Metal kertas - C 0,01 pF - 50 mF 0,16 - 20 kV 0,001 - 0,01
Polystyrol - C 1 pF - 0,5 mF 30 - 500 V 0,0001 - 0,0005
Polyester - C 1 pF - 100 mF 30 - 1000 V 0,001 - 0,01
Poly Karbonat - C 1 pF - 50 mF 30 - 1000 V 0,001 - 0,003
Atu - Elko 0,5 F - 0,15 mF 3 - 500 V 0,05 - 0,5 pada 50 Hz
Tantal - Elko 0,15 F - 580 mF 3 - 450 V 0,05 - 0,5 dibawah 50 Hz
Keramik C - kecil 1 pF - 0,1 mF 30 - 700 V 0,01 - 0,025
Keramik C - Daya 1 - 10.000 pF 2 - 20 kV 0,0005 - 0,5
Kapasitor geser 2,5- 5000 mF 0,4 - 16 kV - Untuk frekuensi tinggi
Kapasitansi kecil
Basah 0,9 - 2200 mF 6 - 630 V 0,1 - 0,4
Kering 1 n F - 680 mF 3 - 125 V 0,01 - 0,1
Mika - C 1 pF - 0,25 mF Sampai 10 kV 0,001 pada 1 MHz Bisa pada temperatur tinggi
pada teknik frekuensi tinggi
Lapisan Keramik 5 pF - 2 mF Sampai 25 kV 0,0005 pada 1 MHz
Catatan : Untuk kapasitor yang berpolaritas, tidak dapat digunakan pada tegangan bolak-balik
Tantalium Gips
Elko
114
2.2.1.5. KAPASITAS KONDENSATOR / KAPASITOR
Kapasitor kondensator yaitu besarnya muatan listrik yang dapat
disimpan tiap satuan beda potensial antara bidang-bidangnya.
Dinyatakan dalam persamaan :
C
Q
U
=
C = kapasitas kapasitor .................... farad ( F ).
Q=muatan listrik ............................. coulamb ( C )
U=beda potensial ....................... volt ( V )
Untuk kondensator plat sejajar, kapasitasnya tergantung pada luas
dan jarak antara plat serta jenis / macam zat yang berada diantara dua
plat tersebut. Dinyatakan dalam persamaan :
C = kapasitas kapasitor ........ farad ( F ).
A = luas plat .......................... m2
L = jarak antar plat ............... m
S = konstanta dielektrik mutlak
Satuan kapasitas kondensator kebanyakan dinyatakan dalam mikro
farad = mF = 10-6 F
So = Konstanta dielektrik hampa udara
= 8,85 . 10-12
Sr = konstanta dielektrik relatif ( bahan tertentu )
Jadi jelas terlihat bahwa :
Konstanta dielektrik mutlak adalah konstanta dielektrik relatif.
Kontanta dielektrik relatif yaitu konstanta dielektrik tiap jenis bahan
tertentu.
S = So . Sr
115
Tabel 2.28 Konstanta dielektrik relatif beberapa jenis bahan
No Jenis
bahan
Konstanta dielektrik ( Sr )
1 Mika 2,5 - 7
2 Gelas 4 - 7
3 Air 80
4 Gambar 2,65
5 Lilin 2,25
6 Udara 1
2.2.1.6. ENERGI TERSIMPAN PADA KONDENSATOR
Untuk memberi muatan pada kondensator, harus dilakukan usaha dan
kondensator yang bermuatan merupakan tempat energi tersimpan.
Misalkan muatan positif dalam jumlah kecil berulang - ulang terambil dari
salah satu platnya, hingga timbul lintasan sembarang dan berpindah ke
plat yang satu lagi.
Pada tahap tertentu, ketika besar muatan netto pada salah satu plat
sama dengan q, beda potensial n antara kedua plat ialah q / c. Besarnya
usaha dw untuk memindahkan muatan dg berikutnya ialah :
Gambar 2.66 Energi tersimpan pada Kondensator
dw = u . dq =
q . dq
C
Jumlah total usaha :
w = d
q . dq
ò w = ò = òq . dq
I
C C
=
I
C
.
1
2
. Q
Q
2C
2
2
=
μA
116
karena : u =
Q
C
w =
1
2
Q
C
. Q = u . Q Q = u . C
w =
1
2
u . Q = u . u . C = u2 . C
\
w = usaha listrik ................... joule ( j )
u = beda potensial ................... volt ( n )
C = kapasitas kapasitor ................ farad ( F )
Contoh soal :
Sebuah kondensator 4,7 mF dihubungkan pada tegangan 100 V.
Hitunglah :
a. muatan kondensator
b. energi kondensator
Jawab :
a Q = u . c = 100 . 4,7 . 10-6
Q = 470 . 10-6 C
b w = u . Q
= 1
2
. 100 . 470 . 10-6
w = 2350 . 10-6 Ws
w = 2350 . 10-6 Joule
w = 1
2
. u2 . C
117
2.2.1.7. SIFAT HUBUNGAN KONDENSATOR
Gambar 2.67 Pemindahan muatan kondensator (Pengisian dan
pengosongan)
Ketentuan-ketentuan pemindahan muatan
Pengisian : Pada pengisian suara, arus mengalir dengan waktu yang
pendek, Hubungan arus diblokir kondensator.
Penyimpanan : Kondensator dapat menyimpan muatan listrik.
Pengosongan : Pada pengosongan muatan, arus mengalir dalam waktu
yang pendek dengan arah berlawanan dari semula yaitu
(pada waktu pengisian muatan)
Keterangan :
Pada saat tidak ada pengisian kondensator bekerja sebagaimana sebuah
rangkaian tertutup ( hubung singkat : short ).
Pada saat ada pengisian kondensator bekerja sebagaimana sebuah
rangkaian terbuka ( open ).
Tidak ada arus yang mengalir melalui dielektrikum.
G
μA
C1
C2
118
2.2.1.8. RANGKAIAN PARAREL :
C1 C2
Gambar 2.68 Rangkaian Pararel Kondesator
Pada rangkaian paralel ( jajar ) dari kondensator ) dihasilkan suatu
plat-plat yang Luas permukaanya lebih besar akibatnya C menjadi lebih
besar.
Q = Q1 + Q2
U . C = U.C1 + U.C2
= U ( C1 + C2 )
C = C1 + C2
2.2.1.9. RANGKAIAN SERI ( Deret )
Gambar 2.69 Rangkaian Seri Kapasitor
Pada rangkaian seri ( deret ) dari suatu kondensator plat-plat menjadi
lebih lebar jaraknya.
akibatnya C menjadi lebih kecil
Dalam hal ini semua kondensator
sama besar yaitu : C1 = C2
Q = Q1 = Q2
U.C = U1.C1 = U2.C2
Maksudnya : Pada kondensator tsb dengan kapasitas yang paling kecil
terletak pembagian.tegangan yang lebih besar daripada kondensator
dengan kapasitas yang lebih besar.
119
- Perhatikan ketetapan tegangan
U = U1 + U2 + U3
ú ú
û
ù
ê ê
ë
é
= + = +
1 2 1 C2
1
C
1
C
Q
C
Q
C
Q
1 2
1 2
C
1
C
1
1
C
C
1
C
1
C
1
+
= + ® =
Kapasitas campuran adalah lebih kecil dari pada kapasitas satu
persatu yang paling kecil.
Q = 0,455 C.
2.2.2. KEMAGNETAN
Magnet sudah dikenal sejak 600 SM dengan pengenal suatu zat
yang dapat menarik magnet, dan zat tersebut akhirnya dikenal sebagai
magnet, yang berbentuk sebagai zat padat. Para ahli membagi dua
bagian terhadap benda yang berhubungan dengan magnet, yaitu benda
magnet dan non magnet, kemudian benda magnet ini juga dibagi menjadi
dua yaitu :
1)Magnet yang bersifat alami disebut magnet alam.
2)Magnet yang dapat dibuat disebut magnet buatan.
2.2.2.1. KEKUATAN MAGNET
Kekuatan magnet alam didalam penggunaan teknologi
dirasa masih kurang kuat jika dibanding dengan magnet buatan,
sehingga jarang ditemui penggunaan magnet alam dalam
penggunaan teknologi.
Menurut teori, molekul-molekul substansi magnetik
dipandang sebagai magnet-magnet kecil yang masing-masing memiliki
sebuah kutub utara dan selatan.Jika substansi tersebut tidak memiliki
magnetisme luar, hal ini disebabkan molekul-molekul tersebut mengarah
tidak teratur sehingga tidak terdapat medan luar yang efektif.
Untuk bisa memperjelas tentang teori molekul substansi magnetik kita
bicarakan teori kemagnetan Weber dan Amper.
120
2.2.2.2. TEORI WEBER.
Menurut Weber, benda terdiri dari molekul-molekul yang bersifat
magnet. Molekul-molekul ini sering disebut magnekul. Benda magnet
mempunyai susunan magnekul yang teratur dan benda non magnetik
mempunyai susunan magnet yang tak teratur. (Lihat gambar 2.70)
Gambar 2.70 : Kemagnetan menurut Weber
2.2.2.3. TEORI AMPERE.
Menurut Ampere, dari atom-atom yang dapat dianggap sebagai inti
yang di kelilingi arus elementer. Atom-atom ini bersifat sebagai magnet.
Benda magnet mempunyai susunan atom teratur terletak pada bidangbidang
sejajar dan arusnya searah. Sedang benda non magnet
mempunyai susunan atom tak teratur. (Lihat gambar 2.71)
Gambar 2.72 Kemagnetan menurut Ampere
Walaupun kedua teori tersebut membicarakan tentang molekul substansi,
namun tidak menjelaskan bagaimana medan-medan magnet tersebut
timbul untuk pertama kalinya.
Untuk pengertian seperti ini kita harus meninjau atom dengan elektronelektron
yang berputar.
Disamping gerakan menurut orbitnya, masing-masing elektron
mempunyai gerak memuntir atau berputar disekitar disekitar sumbunya,
pada garis-garis sebuah puncak gerak putar.
Gerak rotasi elektron dapat disamakan dengan arus yang mengelilingi
sebuah lintasan beserta polaritas magnet. Polaritas ini ditentukan oleh
arah spin ( putaran ) dengan mengikuti aturan pencabut gabus.
121
Dari uraian-uraian tentang teori kemagnetan tersebut diatas dapat
diaktakan bahwa antara medan listrik dan medan magnet mengandung
suatu bagian yang tak terpisahkan dari semua zat.
2.2.2.4. SIFAT MEDAN MAGNET
Daerah disekitar magnet yang masih dapat dipengaruhi oleh
magnet tersebut medan magnet. Karena medan magnet tidak tidak
dapat dilihat, maka medan magnet ini bisa dinyatakan “garis-garis gaya“
atau “garis-garis flux magnet”.
Meskipun garis-garis gaya tidak memiliki keberadaan yang
nyata, tapi garis-garis gaya tersebut merupakan konsepsi yang sangat
bermanfaat sebagaimana kekuatan atau kerapatan “ ( density ). Suatu
medan yang dinyatakan oleh jumlah garis tiap satuan luas.
Dapat disimpulkan secara umum bahwa :
“Arah suatu medan magnet pada sembarang tempat ( titik ) ditunjukkan
oleh kutub utara dari sebuah
jarum kompas bila ditempatkan pada posisi titik ( tempat ) tersebut”.
Sifat-sifat medan magnet :
1. Garis-garis gaya tidak berpotongan.
2. Garis-garis gaya bekerja seakan-akan mereka dalam keadaan
tarikan.
3. Garis-garis flux paralel yang berada dalam arah yang sama
cenderung untuk tolak menolak.
2.2.2.5. RANGKAIAN MAGNET
Rangkaian-rangkaian magnet praktis memerlukan perhitungan
jumlah amper gulungan guna menghasilkan flux tertentu. Lintasanlintasan
magnet adalah seri, maka amper gulungan total dapat dihitung.
Jadi dengan demikian antara rangkaian magnet dengan rangkaian listrik
terdapat suatu kesamaan. Adapun kesamaan tersebut adalah :
Listrik
GGL mengalirkan suatu arus melalui tahanan
R
E
I
Tahanan
GayaGerakListrik
Arus
=
=
Magnet
Gaya gerak magnet ( GGM ) menghasilkan
122
suatu flux yang melawan reluktansi magnet .
S
F
luk si
GayaGerakMagnet
Flux
=
=
f
Re tan
- Reluktansi dapat didefinisikan sebagai sifat sebuah rangkaian
magnet yang melawan
lintasan suatu flux magnit yang melaluinya .
- Sementara pada rangkaian listrik dikenal dengan suatu rumusan
A
R
= r ´l
123
Tabel 2.29 Perbandingan antara rangkaian listrik dengan rangkaian magnet
No. Rangkaian Magnet Rangkaian Listrik
1.
2.
flux
mmf
reluk si
=
tan
flux
emf
resis si
=
tan
3. mmf = amper lilit emf = volt
4. Flux dalam weber Arus I = dalam ampere
5. Kerapatan flux ( wb/m2 ) Kerapatan arus ( A/m2 )
6. Reluktansi Resistansi
R
A A
= r =
a
l 1
7.
Permeabilitas
luk si
=
1
Re tan
Konduktivitas
luk si
=
1
Re tan
8.
H
F
=
l
At/m
l = Panjang rangkaian
U
V
d
= volt/m
d = Jarak antara dua elektroda .
124
2.2.2.6. BESARAN MAGNET
2.1. Potensial magnit .q
Gambar 2.72 Percobaan Potensial Magnet
Gaya F N
Arus I
Jumlah Kimparan N
I x N
Akibat dari arus dan jumlah kumparan yang terletak didalam kumparan
yaitu terbangkitnya arus medan.
magnit yang biasa kita kenal potensial magnit q ( Theta ) .
q = I x N satuan : 1A
Potensial magnit itu disebabkan oleh efek kemagnitan juga
dinamakan tegangan magnit Um .
2.2. Kuat medan magnit (H)
Perbandingan antara potensial magnit dengan panjang lintasan
medan magnit dan hal ini dinamakan kuat medan magnit H .
H
IxN
= =
q
l l
satuan A/1M
Kumparan dengan potensial magnit sama ( arus kumparan sama
jumlah kumparan sama )
125
Kumparan panjang :
( garis - garis gaya panjang )
Gambar 2.73a Penampang Kumparan Panjang
Kumparan pendek :
( garis - garis gaya pendek )
Gambar 2.73b Penampang kumparan pendek
Medan magnit pada distribusi Medan magnit pada ruang
ruang yang besar konsentrasi yang kecil
Þ medan lemah Þ medan kuat
Þ H kecil Þ H. besar
Kumparan tanpa Logam Kumparan dengan Logam
Panjang dari lintasan magnit adalah :
Tidak tepat tertentu tepat tertentu
Gambar 2.74a Kumparan Gambar 2.74b Kumparan dengan Tanpa
logam Gambar logam
126
2.2.2.7. FLUKSI MAGNET F
Jumlah seluruh garis - garis gaya suatu magnet
( contoh suatu kumparan yang dialiri arus ) hal yang demikian dinamakan
:
Fluksi magnetik F ( Phi )
Satuan : 1 weber ( 1 Wb ) = 1 vVolt detik ( 1 Vs )
Satuan Vs banyak dipilih , karena fluksi magnit itu dibutuhkan untuk
pembangkitan tegangan ( melalui induksi ) , maka untuk “fluksi
magnetik “ juga dipergunakan nama “ Fluks induksi “ .
Untuk tujuan perhitungan akan digunakan satuan Vs .
Kerapatan fluksi magnetik B .
Kerapatan dari garis - garis gaya itu merupakan aksi ( contoh aksi gaya )
dari suatu medan magnit . Kerapatan garis - garis magnit biasa kita
namakan sebagai
Kerapatan fluksi magnetik B
Gambar 2.74. Kerapatan flux magnet pada suatu magnet .
B
A
=
f
satuan : 1 1 1 2 2
Vs
m
Wb
m
= = Tesla( T)
Kerapatan fluksi magnetik dan kuat medan magnit
Adanya medan magnit ini maka dapatlah kerapatan garis - garis gaya
itu dialirkan melalui suatu bahan yang mempunyai kemampuan hantar
magnetik .
Oleh karena itu muncul hubungan seperti berikut
B = Kerapatan fluksi magnetik dalam Vs / m2
H = Kuat medan magnit dalam A/m
m = Hantar jenis magnetik dalam Ws / m
B = m x H
127
( permeabilitas absolut )
mo = Konstanta medan magnit
( hantar jenis magnetik pada ruang hampa )
m r = Hantar jenis magnetik relatif .
Dalam perhitungan menunjukkan , kelipatan berapa
kali bahan ferro magnetik
mampu mengalirkan garis - garis gaya
dibandingkan dengan udara atau hampa .
CONTOH :
Kumparan tanpa logam
B = m x H = m o x m r x H
m r = 1
Diketahui : H = 1.400 A/m
Ditanya : B
Penyelesaian :
B = m o x H = 1,257 x 10-6 Ws / m x 1.400 A/m
= 0,00176 Vs/m2
Kumparan dengan logam
B = m x H = m o x m r x H
m o = Konstan
m r = Berubah untuk setiap jenis bahan dan
besar kuat medan magnet
m = mo x m r
m o » 1,257 x 10-6 Ws / m
m r untuk udara = 1
B = m o x H
128
Gambar 2.75 Grafik Perbandingan Kemagnitan
Oleh karena itu kita menentukan dengan percobaan B merupakan fungsi
langsung H ,selanjutnya nilainya dapat dilihat dengan kurva kemagnitan
itu
Diketahui : H = 1.400 A/m ; Bahan : Lembar plat untuk
industri listrik ( pelipatan
dingin )
Ditanya : B
Penyelesaian :
Dari kurve kemagnitan B = 1,92 Vs/ m2
Persamaan satuan Magnetik dalam sistem yang berbeda
Potensial magnit
1 A =1AW = 1,257 Gb. q AW = Ampere lilit
1 Gb = 0,8 A Gb = Gilbert
Kuat medan magnit ( H )
Oe orsted
Cm
A
m
A = = 01257 = 0,001 0,
1
Oe
m
A
Cm
A
100 1,257
1 = =
m
A
Cm
A
Cm
Gb
1Oe =1´ =80 = 0,8
Fluksi Magnetik : (f )
1 Vs = 1 Wb = 10 8 Mx Vs = Volt detik
1 Mx = 1 garis gaya = 10 -8 Vs Wb = Weber
Mx = Maxwell
Kerapatan fluksi magnetikB
T Gs
m
Vs
1 10000
1
2 = =
1T= 10.000 Gs.
129
Gs Gaus
T Tesla
m
Vs
Cm
Mx
Cm
garisg gaya
Gs
=
=
= = = ´ -
,
1 1 10 4
1
1 2 2 2
Konstanta medan magnet m o
P
H
atau
m
= ´ -6 Ws 1m0 1,257 10
Ws = ohm ohm detik H = Henry.
A
Gs Cm
Oe
= Gs = 257 ´ 1m0 1,
Gambar 2.76 Kurva Kemagnitan
130
Kurva histerisis ( Kemagnetan lawan )
Br = induksi remanensi
Hc = Kuat medan magnet kursitif
( Kuat medan itu penting ,
pada
penghilangan kemagnetan
sisa )
Bahan magnet kuat
Hanya satu kali saja
pemagnetan
maka akan terbentuk
remanensi ini tidak hilang
walau dialiri medan lain , maka
Hc harus besar .
Bahan magnet lunak
Membalik kemagnetan dengan
mengalir kan arus bolak - balik ,
oleh karena itu Hc
harus kecil .
Pada pembalikkan kemagnetan maka terjadilah kerugaian histerisis Ph
( Þ Pemanasan didalam benda kerja ) . Luas
permukaan kurva histerisis merupakan satuan untuk hilang usaha Wh .
3 3
3
2
1
; ( ) ( ( )
m
W
m s
Ws
Ph Wh f
M
Ws
m
A
m
Vs
Wh = ´ = = ¸ = ´ =
Pengosongan kemagnetan .
Kita dapat melakukannya denga cara memasukkan batang magnet
kedalam kumparan yang
dialiri arus bolak - balik dan menarik keluar secara perlahan - lahan .
Bahan Magnet
Dari sifat-sifat logam terhadap kemagnetannya dapat
dikatakan bahwa tidak semua logam dapat dijadikan benda magnet.
131
Adapun bahan - bahan logam berdasarkan sifat kemagnetannya dibagi
menjadi 3 golongan yaitu :
1).Ferro magnetik :ialah jenis logam yang sangat mudah dibuat menjadi
benda magnet dan sangat mudah dipengaruhi magnet.
Contoh : besi, baja, dan nikel.
2). Para magnetik : Ialah jenis logam yang tidak dapat dibuat menjadi
benda magnet tetapi masih dapat dipengaruhi magnet.
Contoh : platina dan mangan
3). Dia magnetik : Ialah jenis logam yang tidak dapat dibuat magnet
dan juga tidak dapat dipengaruhi oleh magnet.
Contoh : tembaga, aluminium dan fosfor.
Pembuatan magnet berdasarkan bahannya
Dari sifat-sifat bahan magnet maka kita dapat membuat benda magnet,
contohnya besi. Besi merupakan benda ferro magnetik dimana besi
mempunyai empat spin elektron dalam satu arah pada masing-masing
atomnya ( ingat teori kemagnetan ).
Kelebihan elektron inilah menjadikan tidak seimbang dan akan
menghasilkan medan luar.
Karena gerakan yang sangat tinggi, gerak orbital tiga dimensi sering
disebut sebagai kulit ( shell ), yang pada gilirannya bisa membentuk kulitkulit
tambahan ( sub-shell ).
Didalam satu kulit yang lengkap spin-spin adalah seimbang, tetapi
didalam kulit yang mengandung tiga lintasan ( orbit ), terdapat
ketidakseimbangan yang membangkitkan magnetisme luar.
Selain dari pada besi bahan magnet yang lainnya yang memiliki
kelebihan spin adalah :
a). Cobalt dengan kelebihan tiga spin.
b). Nikel dengan kelebihan dua spin.
Dari adanya kelebihan spin inilah pembuatan bahan magnet yang
menghasilkan magnet permanen dan kuat arus medan magnetnya
dengan cara mencampurkan logam-logam ferro magnetik tersebut
menjadi satu paduan bahan magnet dengan karakteristik lebih baik.
Misal : besi di campur dengan nikel.
besi di campur dengan cobalt.
besi dicampur dengan tembaga atau wolfram.
132
Gambar 2.77 Bagian dari atom besi
Elektro Magnet
Medan Magnit pada penghantar yang dilalui arus .
Gambar 2.78 Medan Magnit
Medan magnet pada penghantar lurus yang dilalui arus listrik adalah
berbentuk lingkaran -lingkaran yang memusat
Gambar 2.79 Arah arus dan medan listrik
133
Aturan : Jika arah dalam kawat itu masuk atau meninggalkan kita maka
arah garis-garis gaya searah putaran jarum jam dan jika arah arus keluar
atau menuju kita maka arah garis-garis gaya berlawanan arah jarum jam .
Jika arah arus dalam
kedua
penghantar sama maka
keduanya
akan saling tarik menarik .
Jika arah arus dalam kedua
penghantar berbeda maka
keduanya
akan saling tolak menolak .
3. Medan magnet pada kumparan yang dilalui arus
Satu kumparan
134
Beberapa kumparan
( saling menetralisir )
Kuat atau lemahnya medan magnit itu dapat dikarenakan jumlah
susunan kumparan .
Garis - garis gaya didalam kumparan itu paralel dan mempunyai
kerapatan yang sama . Arah dari medan magnit itu tergantung dari arah
arus .
Gaya Elektro Magnetik
Gaya tarik pada Elektro Magnetik
Gaya tarik pada elektro magnetik dapat dihitung dengan rumus :
Gambar 2.80 Elektro Magnetik
I = Arus listrik A fe = Celah udara
U = Listrik DC ( batere ) F e = Bahan ferro magnetik
j = Flux magnet
PEMAKAIAN :Pengakat dengan magnet , Elektro magnet , Kopling
Pengereman , pengekliman plat , sakelar ( hubung singkat , relay )
Aksi gaya diantara penghantar yang dialiri arus ( kumparan ) dan medan
magnit .
F = 4 x 105 x A x B2 ( N ) B
=
f
4 x 10 x A
(VS)
5 m2
135
Gaya perpotongan : ( N )
Pemakaian :Motor arus searah , kumparan putar untuk kerja
pengukuran .
Aksi gaya diantara beberapa penghantar yang dialiri arus .
Gaya perpotongan ; F I I
a
= 210-7
1 2 . .
l
( N )
l = Panjang
penghantar aktif
a = Jarak penghantar
.
Pemakaian : Menghitung gaya diantara kumpulan rel, gaya antar lilitan
kumparan, pemadaman bunga api elektro magnetik .
Arus Dalam Medan Magnit :
Penghantar berarus listrik ( Prinsip motor )
Suatu penghantar yang dilalui arus dan memotong diantara medan
kutub maka pada penghantar akan bekerja gaya yang merupakan
resultante gaya pada penghantar dan medan kutub .
Gambar 2.81 Arah Arus dalam Medan Listrik
F = B x I x Z
136
Penentuan arah gerak
Kententuan : Kumparan itu berputar demikian jauh , hingga
medannya mempunyai arah yang sama sebagaimana
kutub - kutub magnit .
- Suatu gerak putar yang terus - menerus itu dapat kita capai yaitu
dengan cara mengalirkan arus pada kumparan melalui komutator .
Pembangkitan tegangan melalui induksi :
tidak ada induksi
Gambar 2.82 Pembangkitan Tegangan Induksi
Dengan adanya tegangan induksi , mengakibatkan terbentuknya arus
pada penghantar yang terletak pada medan magnit . Medan magnit Ini
membentuk resultante dengan kutub medan .
medan di dalam penghantar terarah sedemikian rupa
sehingga secara bersamaan medan itu terkonsentrasi didepan
penghantar . dan selanjutnya penghantar di rem .
Pemakaian : Generator arus searah dan bolak - balik , motor - motor
.
137
Gambar 2.83 Reaksi pada kumparan Kenaikan arus
Gambar 2.84 Reaksi pada kumparan penurunan arus
Pemakaian : arus searah : batere pengapian ( Ignition coil )
arus bolak balik : transformator , motor induksi ,
pemanas induksi .
Contoh : Prinsip transformator
Kumparan
masukan
( Kumparan
Primer )
1
2
2
1
2
1
I
I
U
U
N
N
» »
Kumparan
keluaran
( Kumparan
sekunder ).
138
Hukum Lenz
Arah tegangan induksi yang ditimbulkan arus terus - menerus ,
berlawanan dengan induksi medan magnet yang menyebabkannya .
Pembangkitan tegangan melalui induksi .
Induksi karena gerakan ( Prinsip generator )
Gerakan kawat penghantar , sedemikian rupa sehingga memotong
garis- garis gaya .medan ( yaitu perubahan jumlah garis - garis gaya
aliran magnetik di dalam kawat penghantar ), maka pada kawat
penghantar akan terjadi pergeseran atau perpindahan muatan .di dalam
kawat penghantar terjadi tegangan induksi .
Contoh : Penghantar angker dari generator arus searah, memotong
suatu medan kutub dengan Kece patan 40 m /s . Hitunglah tegangan
induksi pada 148 penghantar, jika panjang penghantar dalam medan 200
mm dan induksi celah udara sebesar 0,8 Tesla .
Jawab : Uo = 0,8 Vs/m2 x 40 m/s x 0,2 m x 148
= 947 Volt
= 950
Dengan adanya tegangan induksi, mengakibatkan terbentuknya arus
pada penghantar yang terletak pada medan magnit . Medan magnit ini
membentuk resultante dengan kutub medan medan didalam penghantar
terarah sedemikian rupa sehingga secara bersamaan medan itu
terkonsentrasi di depan penghantar . dan selanjutnya penghantar
direm .
Pemakaian : Generator arus searah dan bolak balik, motor-motor .
Induksi tetap ( Prinsip Transformator )
Setiap perubahan arus, mengakibatkan perubahan jumlah garis-garis
gaya medan pada kedua kumparan ( perubahan flux magnet ) .
Pada kumparan terjadi perpindahan muatan di dalam kumparan :
yaitu terjadi induksi tegangan.
D F = perubahan aliran
D t = Waktu perubahan aliaran
N = Jumlah lilitan
Uo N
t
= -
DF
D
(V)
Vs
s
= V
139
Arus Pusar
Gambar 2.85 Logam bergerak di dalam medan magnet
(Prinsipgenerator)
Logam ( benda penghantar ) yang digerakkan memotong medan
magnet maka di dalam benda logam tadi akan terjadi arus pusar
Arus pusar ini mengerem gerakkan benda logam tadi
.
Reduksi usaha pengereman : memakai bahan penghantar yang lebih
jelek memutuskan lintasan arus dengan celah .
Pemakaian : Pengereman arus pusar, pada instrumen penghitung dan
pengukur, pengukuran daya motor, dsb .
Gambar 2.86 Logam di dalam medan magnet bolak balik (Prinsip trafo)
Sebuah lilitan pada logam yang dilalui arus bolak-balik maka pada logam
terjadi arus pusar.
Arus pusar ini memanasi logam, dan merupakan rugi-rugi yang dikenal
sebagai rugi-rugi arus pusar .
Reduksi rugi-rugi arus pusar : memakai bahan penghantar yang lebih
jelek, membuat inti magnet berlapis -lapis dan mengisolasi satu dengan
yang lain .
Pemakain : Memperkuat induksi, tungku tanpa inti .
140
Induksi sendiri
Gambar 2.87 Putus dan hubung rangkaian arus dengan dan tanpa
induksi sendiri
Ketentuan :
Setelah saklar dihubungkan maka lampu yang dihubungkan seperti seri
dengan kumparan, menyala lambat .
Kesimpulan : Pada setiap perubahan medan maka di dalam kumparan
akan terjadi tegangan induksi sendiri .
- Setelah saklar dimasukkan maka terbangkitlah Uo, oleh karena itu
susunan
medan mengakibatkan kenaikan arus terlambat
- Setelah saklar dibuka maka terbentuklah Uo, oleh karena itu susunan
medan mengakibatkan penurunan arus terlambat .
Catatan : Induksi sendiri tertunda setiap perubahan arus !
Induksi L
Kumparan dengan beberapa lilitan dan inti logam yang tertutup
mempunyai usaha induksi sendiri yang kuat ( kumparan impedansi ) .
Ketergantungan susunan kumparan ini dikenal sebagai induktansi L.
Induktansi kumparan itu mempunyai sifat tumbuh kwadratis. Dia lebih
banyak tergantung pada sifat-sifat fisik inti logam dan dari ukuran
kumparan .
Satuan untuk L : 1 henry ( 1 H ) .
Suatu kumparan mempunyai induksi 1 H pada perubahan arus homogen
1 A/S dengan tegangan 1 V
= = =1W
1
1 /
1
1
A
Vs
A s
V
H
Untuk tujuan perhitungan digunakan satuan W s .
141
2.2.3. DIODA
2.2.3.1. Dasar Pembentukan Dioda
Material P Material N
Gambar Dioda
Sebelum Difusi
+ + + + +
+ + + + +
+ + + + +
_ _ _ _ _
_ _ _ _ _
_ _ _ _ _
Anoda Katoda
Material P Material N
Gambar Dioda
Sebelum Difusi
+ + + + _
+ + + + _
+ + + + _
+ _ _ _ _
+ _ _ _ _
+ _ _ _ _
Lapisan Pengos ongan
Katoda Anoda
Gambar 2.88 Dioda
142
2.2.3.2. DIODA ZENNER
Semua dioda prinsip kerjanya adalah sebagai peyearah, tetapi karena
proses pembuatan, bahan dan penerapannya yang berbeda beda, maka
nama-namanya juga berbeda.
Secara garis besar komponen elektronika yang terbuat dari bahan semi
konduktor adalah ringkas (kecil-kecil atau sangat kecil). Maka hampirhampir
kita tidak bisa membedakan satu sama lainnya. Hal ini sangat
penting untuk mengetahui kode-kode atau tanda-tanda komponen
tersebut.
A. Bahan dasar
Bahan dasar pembutan komponen dioda zener adalah silikon yang
mempunyai sifat lebih tahan panas, oleh karena itu sering digunakan
untuk komponen-komponen elektronika yang berdaya tinggi. Elektronelektron
yang terletak pada orbit paling luar (lintasan valensi) sangat kuat
terikat dengan intinya (proton) sehingga sama sekali tidak mungkin
elektron-elektron tersebut melepaskan diri dari intinya.
B. Pembentukan junction pn
Pembentukan dioda bisa dilaksanakan dengan cara point kontak dan
junction. Namun dalam pembahasan ini fokus pembahasan materi
diarahkan pada cara junction.
Pengertian junction (pertemuan) adalah daerah dimana tipe p dan tipe n
bertemu, dan dioda junction adalah nama lain untuk kristal pn (kata dioda
adalah pendekan dari dua elektroda dimana di berarti dua). Untuk lebih
jelasnya lihat gambar dibawah ini.
p n
+ + + +
+ + + +
+ + + +
_ _ _ _
_ _ _ _
_ _ _ _
Gambar 2.89 Dioda Junction
Sisi p mempunyai banyak hole dan sisi n banyak elektron pita konduksi.
Agar tidak membingungkan, pembawa minoritas tidak ditunjukkan, tetapi
camkanlah bahwa ada beberapa elektron pita konduksi pada sisi p dan
sedikit hole pada sisi n.
Elektron pada sisi n cenderung untuk berdifusi kesegala arah, beberapa
berdifusi melalui junction. Jika elektron masuk daerah p, ia akan
merupakan pembawa minoritas, dengan banyaknya hole disekitarnya,
pembawa minoritas ini mempunyai umur hidup yang singkat, segera
setelah memasuki daerah p, elektron akan jatuh kedalam hole. Jika ini
terjadi, hole lenyap dan elektron pita konduksi menjadi elektron valensi.
143
Setiap kali elektron berdifusi melalui junction ia menciptakan sepasang
ion, untuk lebih jelasnya lihat gambar dibawah ini :
p n
+ + +
+ + +
+ + +
_ _ _
_ _ _
_ _ _
Lapisan Pengosongan
___
+++
Gambar 2.90 Perpindahan elektron pada dioda
Tanda positip berlingkaran menandakan ion positip dan taanda negatip
berlingkaran menandakan ion negatip. Ion tetap dalam struktur kristal
karena ikatan kovalen dan tidak dapat berkeliling seperti elektron pita
konduksi ataupun hole. Tiap pasang ion positip dan negatip disebut
dipole, penciptaan dipole berarti satu elektron pita konduksi dan satu hole
telah dikeluarkan dari sirkulasi.
Jika terbentuk sejumlah dipole, daerah dekat junction dikosongkan dari
muatan-muatan yang bergerak, kita sebut daerah yang kosong muatan
ini dengan lapisan pengosongan (depletion layer).
C.Potensial Barier
Tiap dipole mempunyai medan listrik, anak panah menunjukkan arah
gaya pada muatan positip. Oleh sebab itu jika elektron memasuki lapisan
pengosongan, medan mencoba mendorong elektron kembali kedalam
daerah n. Kekuatan medan bertambah dengan berpindahnya tiap
elektron sampai akhirnya medan menghentikan difusi elektron yang
melewati junction.
Untuk pendekatan kedua kita perlu memasukkan pembawa minoritas.
Ingat sisi p mempunyai beberapa elektron pita konduksi yang dihasilkan
secara thermal. Mereka yang didalam pengosongan didorong oleh
medan kedalam daerah n. Hal ini sedikit mengurangi kekuatan medan
dan membiarkan beberapa pembawa mayoritas berdifusi dari kanan
kakiri untuk mengembalikan medan pada kekuatannya semula.
Inilah gambaran terakhir dari kesamaan pada junction :
___
+++
Lapisan Pengosongan
Gambar 2.91 Kesetimbangan pada Junction dioda
144
1. Beberapa pembawa minoritas bergeser melewati junction, mereka
akan mengurangi medan yang menerimanya.
2. Beberapa pembawa mayoritas berdifusi melewati junction dan
mengembalikan medan pada harga semula.
Adanya medan diantara ion adalah ekuivalen dengan perbedaan
potensial yang disebut potensial barier, potensial barier kira-kira sama
dengan 0,3 V untuk germanium dan 0,7 V untuk silikon.
A K
A K
Gambar 2.92a Simbol Zener Gambar 2.92b Contoh Konstruksi
A K
_ +
Gambar 2.92c Cara pemberian tegangan
2.2.3.3. SIFAT DASAR ZENNER
Dioda zener berbeda dengan dioda penyearah, dioda zener
dirancang untuk beroperasi dengan tegangan muka terbalik (reverse
bias) pada tegangan tembusnya,biasa disebut “break down diode”
Jadi katoda-katoda selalu diberi tegangan yang lebih positif terhadap
anoda dengan mengatur tingkat dopping, pabrik dapat menghasilkan
dioda zener dengan tegangan break down kira-kira dari 2V sampai 200V.
a) Dioda zener dalam kondisi forward bias.
Dalam kondisi forward bias dioda zener akan dibias sebagai berikut:
kaki katoda diberi tegangan lebih negatif terhadap anoda atau anoda
diberi tegangan lebih positif terhadap katoda.
Dalam kondisi demikian dioda zener akan berfungsi sama halnya
dioda penyearah dan mulai aktif setelah mencapai tegangan barier yaitu
0,7V.
Disaat kondisi demikian tahanan dioda (Rz) kecil sekali.
Sedangkan konduktansi (
D
D
I
U
) besar sekali, karena tegangan maju akan
menyempitkan depletion layer (daerah perpindahan muatan) sehingga
145
perlawanannya menjadi kecil dan mengakibatkan adanya aliran elektron.
Untuk lebih jelasnya lihat gambar dibawah ini.
P N
_
__
++
+
depletion layer
G
+
_
A K
ada aliran
elektron
Gambar 2.93 Dioda zener dalam kondisi forward bias
b) Dioda zener dalam kondisi Reverse bias.
Dalam kondisi reverse bias dioda zener kaki katoda selalu diberi
tegangan yang lebih positif terhadap anoda.
Jika tegangan yang dikenakan mencapai nilai breakdown, pembawa
minoritas lapisan pengosongan dipercepat sehingga mencapai kecepatan
yang cukup tinggi untuk mengeluarkan elektron valensi dari orbit terluar.
Elektron yang baru dibebaskan kemudian dapat menambah kecepatan
cukup tinggi untuk membebaskan elektron valensi yang lain. Dengan cara
ini kita memperoleh longsoran elektron bebas. Longsoran terjadi untuk
tegangan reverse yang lebih besar dari 6V atau lebih.
Efek zener berbeda-beda bila dioda di-doping banyak, lapisan
pengosongan amat sempit. Oleh karena itu medan listrik pada lapisan
pengosongan amat kuat. Jika kuat medan mencapai kira-kira 300.000 V
persentimeter, medan cukup kuat untuk menarik elektron keluar dari orbit
valensi. Penciptaan elektron bebas dengan cara ini disebut breakdown
zener.
Efek zener dominan pada tegangan breakdown kurang dari 4 V, efek
longsoran dominan pada tegangan breakdown yang lebih besar dari 6 V,
dan kedua efek tersebut ada antara 4 dan 6 V. Pada mulanya orang
mengira bahwa efek zener merupakan satu-satunya mekanisme
breakdown dalam dioda. Oleh karenanya, nama “dioda zener” sangat
luas digunakan sebelum efek longsoran ditemukan. Semua dioda yang
dioptimumkan bekerja pada daerah breakdown oleh karenanya tetap
disebut dioda zener.
146
G
_ +
A K
P N
___
+++
arus bocor
Gambar 2.94 Dioda zener dalam kondisi reverse bias
Didaerah reverse mulai aktif, bila tegangan dioda (negatif) sama dengan
tegangan zener dioda,atau dapat
dikatakan bahwa didalam daerah aktif reverse (
D
D
I
U
) konduktansi besar
sekali dan sebelum aktif (
D
D
I
U
) konduktansi kecil sekali.
2.2.3.4. KARAKTERISTIK ZENNER
Karakteristik Dioda zener.Jika digambarkan kurva karakteristik
dioda zener dalam kondisi forward bias dan reverse bias adalah sebagai
berikut.
I fo rward ( mA )
Revers e ( V ) forwar d ( v )
d ae ra h te ga n ga n
linier
temb u s
titik te g an ga n
I re ve rse
Gambar 2.95 Grafik Karakteristik Dioda Zener
Harga Batas
Harga batas yang di maksud dalam pembahasan ini adalah suatu
keterangan tentang data-data komponen dioda zener yang harus di
penuhi dan tidak boleh dilampaui batas maximumnya dan tidak boleh
berkurang jauh dari batas minimumnya.
Adapaun harga batas tersebut memuat antara lain keterangan tentang
tegangan break down ( Uz ) arus maximumnya dioda zener ( Iz )
tahanan dalam dioda zener ( Rd ). Semua harga komponen yang
terpasang pada dasarnya akan mempunyai 2 kondisi yaitu :
147
1. Kondisi normal , sesuai dengan ketentuannya
2. Kondisi tidak normal , tidak sesuai dengan ketentuannya.
a. Mungkin kurang dari ketentuannya
b. Mungkin melebihi ketentuannya
Untuk alasan itu semua, maka kita perlu sekali memperhatikan data-data
yang ada untuk setiap jenis komponen agar komponen yang digunakan
sesuai dengan yang diharapkan yaitu bisa bekerja baik dan tahan lama .
Kondisi yang demikian dinamakan kondisi yang normal namun kondisi
yang tidak normal adalah suatu kondisi yang perlu mendapatkan
perhatian.
Oleh karena itu kita perlu mempelajari harga batas dioda zener , agar kita
dapat mengoperasikan komponen sesuai dengan data yang dimiliki .
Sebab kondisi yang tidak normal terutama kondisi dimana komponen
diberi tegangan melebihi batas maximumnya , maka komponen tersebut
dapat rusak maka hal ini perlu sekali di antisipasi sehingga tidak akan
terjadi kerusakan komponen akibat kesalahan pemberian bias. Maka di
sarankan setiap pemakai komponen sebelum merangkai harap melihat
data karakteristiknya seperti yang terlampir pada lembar informasi.
Zenerdioden Leistung 500 mW max
0,4 W Non-repetitive
PHILIPS peak reverse power
Typ BZK 79 dissipation 30 W max
Toleranz ± 5% Junction temperature 200 0C max
Technische Daten Thermal resistance from
Gehäuse DO-35
junction to tie-point 0,30 K / mW
Tabel 2.29 Data karakteristik dioda zener PHILIPS
Art.No Typ
Uz (v)
at
Iztest
min
= 5
mA
max
rdiff
(W)
at
Iztest
typ
= 5
mA
max
SZ
(mV /
0C)
at Iztest
min
=
5
mA
typ
max
603278
603279
603277
603243
603244
603245
603247
603247
603248
603249
BZX79-C2V4
BZX79-C2V7
BZX79-C3V0
BZX79-C3V3
BZX79-C3V6
BZX79-C3V9
BZX79-C4V3
BZX79-C4V7
BZX79-C5V1
BZX79-C5V6
2,2
2,5
2,8
3,1
3,4
3,7
4,0
4,4
4,8
5,2
2,6
2,9
3,2
3,5
3,8
4,1
4,6
5,0
5,4
6,0
70
75
80
85
85
85
80
50
40
15
100
100
95
95
90
90
90
80
60
40
-3,5
-3,5
-3,5
-3,5
-3,5
-3,5
-3,5
-3,5
-2,7
-2,0
-
1,6
-
2,0
-
2,1
-
2,4
-
2,4
0
0
0
0
0
0
0
0,2
148
603250
603251
603252
603253
603254
603255
603256
603257
603258
603259
603260
603261
603264
603266
603267
BZX79-C6V2
BZX79-C6V8
BZX79-C7V5
BZX79-C8V2
BZX79-C9V1
BZX79-C10
BZX79-C11
BZX79-C12
BZX79-C13
BZX79-C15
BZX79-C16
BZX79-C18
BZX79-C24
BZX79-C30
BZX79-C33
5,8
6,4
7,0
7,7
8,5
9,4
10,4
11,4
12,4
13,8
15,3
16,8
22,8
28,0
31,0
6,6
7,2
7,9
8,7
9,6
10,6
11,6
12,7
14,1
15,6
17,1
19,1
25,6
32,0
31,0
6
6
6
6
6
8
10
10
10
10
10
10
25
30
35
10
15
15
15
15
20
20
25
30
30
40
45
70
80
80
-0,4
-1,2
-2,5
-3,2
-3,8
-4,5
-5,4
6,0
7,0
9,2
10,4
12,4
18,4
24,4
27,4
-
2,5
-
2,5
-
1,4
-
0,8
-
1,2
-
2,3
-
3,0
-
4,0
-
4,6
-
5,5
-
6,4
-
7,4
8,4
9,4
11,
4
12,
4
14,
4
20,
4
26,
6
29,
7
1,2
2,5
3,7
4,5
5,3
6,2
7,0
8,0
9,0
10,
0
11,
0
13,
0
14,
0
16,
0
22,
0
29,
4
33,
4
149
Catatan
Uz = Tegangan Break down Zener rdiff = Tahanan beda fasa arus
test zener 5 A Sz = Daya hantar thermal
Diodes Zener
1 W
MOTOROLA
Type 1 N 47...A
* Pour applications indrustrielles
Donnees tecniques
Boîtier DO-41
Rth 150 K/W
Tj max 200 0 C
Gamme de temperature ...+ 50 0 C
Tabel 2.30 Data karakteristik dioda zener MOTOROLA
Art. No Typ
Uzt
nom
Izt
mA
Rzt
max
W
Ir max
mA
Ur
V
Iz m
mA
601100
601102
601103
601104
601105
601106
601107
601108
601109
601110
601111
601112
601113
601114
601115
601116
601117
601118
601119
601120
601121
601122
601123
601124
601125
601126
601129
1N4728A
1N4730A
1N4731A
1N4732A
1N4733A
1N4734A
1N4735A
1N4736A
1N4737A
1N4738A
1N4739A
1N4740A
1N4741A
1N4742A
1N4743A
1N4744A
1N4745A
1N4746A
1N4747A
1N4748A
1N4749A
1N4750A
1N4751A
1N4752A
1N4753A
1N4754A
1N4757A
3,3
3,9
4,3
4,7
5,1
5,6
6,2
6,8
7,5
8,2
9,1
10
11
12
13
15
16
18
20
22
24
27
30
33
36
39
51
76
64
58
53
49
45
41
37
34
31
28
25
23
21
19
17
15,5
14
12,5
11,5
10,5
9,5
8,5
7,5
7
6,5
5
10
9
9
8
7
5
2
3,5
4
4,5
5
7
8
9
10
14
16
20
22
23
25
35
40
45
50
60
95
100
50
10
10
10
10
10
10
10
10
10
10
5
5
5
5
5
5
5
5
5
5
5
5
5
5
5
1
1
1
1
1
2
3
4
5
6
7
7,6
8,4
8,9
9,9
11,4
12,2
13,7
15,2
16,7
18,2
20,6
22,8
25,1
27,4
29,7
38,8
276
234
217
193
178
162
146
133
121
110
100
91
83
76
69
61
57
50
45
41
38
34
30
27
25
23
18
150
Catatan
Uzt = tegangan Break down Zener Izt = Arus Zener
Rzt =Tahanan Zener Irmax = Arus Reverse Maximum
Vr = Tegangan Reverse Izm = Arus Zener Maximum
Tegangan Breakdown dan Rating Daya
Gambar 2.96 menunjukkan kurva tegangan dioda zener . Abaikan arus
yang mengalir hingga kita mencapai tegangan breakdown Uz . Pada
dioda zener , breakdown mempunyai lekukan yang sangat tajam, diikuti
dengan kenaikan arus yang hampir vertikal.Perhatikanlah bahwa
tegangan kira-kira konstan sama dengan UZ pada arus test IZT tertentu di
atas lekukan (lihat Gambar 1 ) .
Dissipasi daya dioda zener sama dengan perkalian tegangan dan
arusnya , yaitu : PZ = UZ IZ
Misalkan, jika UZ = 12 dan IZ = 10 mA,
PZ = 1,2 ´ 0,01 = 0,12 W
Selama PZ kurang daripada rating daya PZ(max), dioda zener tidak akan
rusak. Dioda zener yang ada di pasaran mempunyai rating daya dari 1/4
W sampai lebih dari 50 W .
Lembar data kerap kali menspesifikasikan arus maksimum dioda
zener yang dapat ditangani tanpa melampaui rating dayanya . Arus
maksimum diberi tanda IZM (lihat Gambar 1 . Hubungan antara IZM dan
rating daya adalah :
I
P
V ZM
Z
Z
= (max)
Uz
U
Iz
Iz
T
M
Gambar 2.96 Kurva Tegangan Dioda Zener
· Impendansi Zener
Jika dioda zener bekerja dalam daerah breakdown, dengan tambahan
tegangan sedikit menghasilkan pertambahan arus yang besar. Ini
menandakan bahwa dioda zener mempunyai impedansi yang kecil.
Kita dapat menghitung impedansi dengan cara :
151
ZZ
i
=
D u
D
Sebagai contoh, jika kurva menunjukkan perubahan 80 mV dan 20
mA, impedansi zener adalah :
ZZ =
0,08
0,02
= 4 W
Lembar data menspesifikasikan impedansi zener pada arus tes
yang sama di gunakan untuk UZ . Impedansi zener pada arus tes ini
diberi tanda ZZT. Misalnya, 1N3020 mempunyai UZ 10 V dan
ZZT = 7W untuk IZT = 25 mA .
· Koefisien Suhu
· +
Koefisien suhu TC adalah perubahan (dalam persen ) tegangan zener
per derajad Celcius.
Jika UZ = 10 V pada 250 C dan TC = 0,1%, maka
UZ = 10 V (250C)
UZ = 10,01 (260C)
UZ = 10,02 V (270C)
UZ = 10,03 V (280C) dan seterusnya .
Dalam rumus, perubahan tegangan zener adalah :
D UZ = TC ´ DT ´ UZ
Diketahui TC = 0,004% dan U= 15V pada 250C, perubahan tegangan
zener dari 250C sampai 1000C adalah
D U = 0,004 (10 -2 ) (100 - 25) 15 = 0,045 V
Z
Oleh sebab itu, pada 1000C, UZ = 15,045 V
· Pendekatan Zener
Untuk semua analisa pendahuluan, kita dapat melakukan pendekatan
daerah breakdown sebagai garis vertikal. Ini berarti tegangannya konstan
walaupun arus berubah. Gambar 2
menunjukkan pendekatan ideal suatu dioda zener. Pada pendekatan
pertama, dioda zener yang bekerja dalam daerah ekuivalen dengan
batere UZ volt.
152
IZ IZ
+
_
_
+
IZ IZ
UZ
ZZ +
_ UZ UZ
(a) (b)
Gambar 2.97 Pendekatan zener dengan baterai
Untuk memperbaiki analisa, kita memperhitungkan kemiringan dari
daerah breakdown. Daerah breakdown tidak benar-benar vertikal, tetapi
ada impedansi zener yang kecil. Gambar 2 menunjukkan pendekatan
kedua dari dioda zener. Karena impedansi zener, tegangan zener total UZ
adalah :
LUZ = UZ + IZ ZZ
CONTOH 1
Dioda zener pada Gambar 2.98 mempunyai UZ = 10 V dan ZZT = 7 W.
Tentukan harga UOUT dengan pendekatan ideal. Juga hitung minimum
dan maksimum arus zener.
(a)
(b)
+
_ +
_
20 - 40V
820W
IZ
10V
7W
(c)
Gambar 2.98 Dioda zener dengan pendekatan ideal
153
· PENYELESAIAN
Tegangan yang dikenakan (20 sampai 40 V) selalu lebih besar dari
tegangan breakdown dioda zener. Oleh sebab itu, kita dapat
membayangkan dioda zener seperti batere dalam Gambar 3b. Tegangan
outputnya adalah : UOUt = UZ = 10 V
Tak peduli berapa harga tegangan sumber antara 20dan 40 V, tegangan
output selalu pada 10 V. Jika tegangan sumber 20 V, tegangan pada
resistor pembatas-seri adalah 10 V , jika tegangan sumber 40 V,
tegangan pada resistor pembatas-seri adalah 30 V. Oleh sebab itu, setiap
perubahan tegangan sumber, muncul pada resistor pembatas-seri.
Tegangan output secara ideal konstan .
Arus zener minimum IZ(min) terjadi pada tegangan sumber minimum.
Dengan hukum Ohm .
I
U U
R
Z
IN Z
(min)
min
=
) -
=
20 - 10
820
= 12,2 mA
(
Arus zener maksimum terjadi jika tegangan sumber maksimum :
I
R
Z(max) =
U - U
=
40 - 10
820
= 36,6 mA IN( max) Z
CONTOH 2
Gunakan pendekatan kedua untuk menghitung tegangan output
minimum dan maksimum pada Gambar 3a
PENYELESAIAN
Contoh 2 memberikan ZZT = 7 W. Walaupun hal ini hanya benar pada
arus tertentu, ZZT merupakan pendekatan yang baik untuk ZZ di mana
saja dalam breakdown .
Kita dapatkan IZ(min) = 12,2 mA dan IZ(Mak) = 36,6 mA. Jika arus ini
mengalir melalui dioda zener pada Gambar 3c, tegangan minimum
dan maksimumnya adalah :
UOUT(MIN) UZ + IZ MIN Z
= 10 + 0,0122(7) = 10,09 V
@ ( ) Z
dan
UOUT UZ + IZ ZZ
= 10 + 0,0366(7) = 10,26 V
@ (max)
Yang penting dari contoh ini adalah untuk menggambarkan regulasi
tegangan (menjaga tegangan otput konstan). Di sini kita mempunyai
sumber yang berubah dari 20 sampai 40 V, perubahan 100%. Tegangan
output berubah dari 10,09 sampai 10,26 V, perubahan 1,7%. Dioda zener
telah mengurangi perubahan input 100% menjadi perubahan output
hanya 1,7%. Regulasi tegangan merupakan penggunaan utama dari
dioda zener.
154
CONTOH PENERAPAN DIODA ZENER
Sesuai dengan sifat-sifat yang dimiliki, dioda zener dapat digunakan
sebagai penstabil ataupun pembagi tegangan . Salah satu contoh adalah
ditunjukkan gambar 2.99 .
Tegangan
dari filter
+
_
16V
l
14V
l
12V
5Vl
4Vl
3V
RS
IZ
10V ZD RL 10V
IRL
Gambar 2.99 Penstabil tegangan pada output penyearah
+12V
_
12V
10W
PERLENGKAPAN MOBIL
Gambar 2.100 Penstabil tegangan pada sumberdaya
perlengkapan mobil
Dioda Zener yang melindungi pemancar ( transceiver ) di dalam
kendaraan mobil , terhadap loncatan-loncatan tegangan.
Adapun cara kerja rangkaian di atas adalah sebagai berikut :
1. Bila dioda Zener yang kita pilih memiliki tegangan tembus sebesar 10
Volt , lihat gambar di atas, berarti tegangan output yang diperlukan
adalah sebesar 10 V satabil .
2. RS gunanya untuk membatasi tegangan yang masuk dalam rangkaian
dan RL untuk beban atau output yang kita ambil tegangannya .
3. Seandainya tegangan input ( tegangan dari filter ) itu naik , misalkan
16 Volt maka tegangan yang didrop oleh RL juga akan naik misalkan
sebesar 12 Volt . Maka dioda zener akan menghantar . Arus akan
155
terbagi dua , yaitu lewat RL dan ZD . Sedangkan dioda zener
mempertahankan tegangan sebesar 10 Volt dan karena dioda ini di
pasang paralel dengan RL maka dengan sendirinya tegangan output
akan tetap sebesar 10 Volt .
4. Selanjutnya apabila tegangan input turun maka tegangan yang di drop
oleh RS akan kurang dari 4 Volt dan tegangan yang di drop oleh RL
pun akan kurang dari 10 Volt . Hal ini mengakibatkan dioda zener
menyumbat dan arus hanya mengalir lewat RL saja . Dengan
sendirinya tegangan output akan turun ( tegangan input turun menjadi
12 Volt.
5. Kesimpulannya adalah bahwa tegangan output tidak akan melebihi
dari 10 Volt tetapi dioda zener tidak menjamin tegangan tetap sebesar
10 Volt bila tegangan input dari filter itu turun .
Contoh lain pemakaian dioda zener adalah seperti gambar 2.101 . Dengan
cara tersebut kita akan mendapatkan beberapa macam tegangan yang
diinginkan .
100V
Output dari
penyearah/
filter
30V
12V
6,8V
30V
42V
48,8V
+
_
R
Gambar 2.101 Pembagi tegangan dengan dioda zener
Beberapa dioda zener dipasang berderet dan setiap dioda memiliki
tegangan tersendiri ( tegangan zener ) . Dengan jalan seperti di atas
maka kita akan mendapatkan tegangan-tegangan 30 V , 42 V dan 48,8
V .
Rumus untuk menyelesaikan rangkaian Stabilitas tegangan dengan
Dioda Zener adalah sebagai berikut :
156
+
_
RS
IZ
ZD RBB
IBB
IS
UZ
UI
Gambar 2.102 Stabilitas tegangan dengan Dioda Zener
· Arus pada RS : IS =
U - U
R
i Z
S
· IZ = IS - IBB
· Tegangan-beban : URB = UZ
· Arus-beban : IB =
U
B RB
Z
B
2.2.4. DIODA VARACTOR
Dalam bagian ini kita akan menjelaskan pengaruh yang terjadi
didalam dioda yang mengandung elemen kapasitansi .
Nilai kapasitansi ini bergantung pada besar polaritas tegangan yang di
terapkan pada dioda dan type sambungan yang dibuat selama proses
produksi .
Dalam praktek nilai kapasitansi tidak linier namun secara pendekatan (
untuk mempermudah pemahaman ) dapat dianggap sebagai elemen
yang linier .
2.2.4.1. BIAS BALIK, KAPASITANSI PERSAMBUNGAN
Tujuan Dioda PN diberi bias balik seperti di tunjukkan pada gambar 1 .
Bila dioda bekerja dalam cara ini lubang-lubang didalam daerah P dan
elektron-elektron dalam daerah N bergerak menjauhi persambungan .
Karena itu membentuk daerah penipisan , dimana penumpukan
pembawa-pembawa telah di hilangkan .
Panjang efektif L dari daerah depletion ( penipisan ) menjadi lebih besar
dengan bertambahnya tegangan balik UR , karena medan listrik
bertambah sebanding dengan UR.
Karena elektron dan lubang menjauhi sambungan , daerah penipisan
yang terbentuk akan bermuatan negatif pada bahan type P sementara
157
daerah penipisan yang terbentuk didalam bahan type N menjadi
bermuatan positif.
Karena itu persambungan dengan bias balik akan bertingkah seperti
kapasitor yang kapasitansinya secara teori berubah berbanding terbalik
dengan tegangan UNP dari N ke P
Dalam praktek kapasitansi CR berbanding terbalik dengan pangkat 1/2
atau 1/3 dari UNP , tergantung apakah elemen mempunyai sambungan
paduan atau sambungan yang di tumbuhkan . Dalam kecepatan tinggi (
frekuensi tinggi ) kapasitansi dioda ini ebih kecil, biasanya urang dari
5 PF .
Pada arus yang besar dioda ini dapat sebesar 500 PF
Gambar 2.103 Kapasitansi dioda bias balik
Gambar 2.104 Karakteristik kapasitansi terhadap tegangan balik
Varicap atau dioda varactor dibuat khusus untuk beropersi dalam mode
bias balik . Dapat dibuat untuk kapasitansi sampai dengan beratus-ratus
pico Farrad jika diinginkan. Pemanfaatan dioda seperti ini adalah pada
158
rangkaian Frekuensi Modulasi ( FM ) , dimana dioda yang dibias balik
diletakkan secara paralel denga suatu induktor.
Frekuensi resonansi dan rangkaian bertala dapat di rubah dengan cara
merubah UR. Maka jika UR adalah suatu sinyal suara, frekuensi
resonansi akan sebanding dengan amplitudo sinyal suara , yakni
frekuensi akan termodulasi . Banyak sistem FM dibuat dengan prinsip ini.
Persamaan yang berhubungan dengan kapasitansi lintas persambungan
dioda yang di bias balik oleh tegangan UR adalah :
CC +
C
( 1 + 2 UR )
O
n CR »
Dimana : CC = Kapasitansi dioda
CO = Kapasitansi dioda bila UR = 0
n = Antara 1/3 s/d 1/2
Gambar kapasitansi dioda sebagai fungsi dari UR ditunjukkan pada
gambar 1(b) . Sifat ketidak linieran dari CR biasanya diabaikan dan suatu
nilai konstanta digunakan dalam perhitungan .
2.2.4.2. BIAS MAJU , KAPASITANSI PENYIMPANAN
Bila dioda dibias maju lebar daerah penipisan L berkurang dan
kapasitansi persambungan bertambah . Namun dalam keadaan bias
maju terjadi pengaruh kapasitansi yang lebih besar .
Yang di modelkan sebagai suatu elemen penyimpan atau difusi atau
kapasitansi . Kita misalkan bahwa waktu rata-rata yang diperlukan oleh
sebuah elektron untuk berpindah adalah + detik . (+ adalah waktu ratarata
dari elektron yang mengalir pada pita konduksi maupun pada pita
valensi) .
maka arus rata-rata yang mengalir adalah
ID =
2
t
= IO . E
VD/ VTJika kita mendefinisikan kapasitansi penyimpanan
CS sebagai Cs =
dQ
d VD
kita temukan dengan mudah bahan : Cs =
I . t
VT
D
Maka kapasitansi secara langsung sebanding dengan arus dioda maju
dan dapat menjadi sangat besar . Misalnya jika t = 1 ns dan ID = 1 mA ,
maka Cs = 40 PF . Kapasitansi ini yang membatasi kecepatan switching (
pensaklaran ) pada rangkaian-rangkaian logic penggunaan komponen
persambungan.
159
2.2.5. DIODA SCHOTTKY
Dioda Schottky menggunakan logam EMAS, PERAK ATAU PLATINA
pada SALAH SATU SISI ( N ) dan silikon yang di-dop ( N+ ) pada sisi lain.
Sehingga dioda semacam ini adalah PIRANTI UNIPOLAR karena
elektron merupakan PEMBAWA MAYORITAS. pada kedua sisi junction.
Gambar 2.105 Dioda Schottky
Dioda Schottky dibuat dengan cara menggabungkan suatu logam seperti
emas , perak atau platina dengan silikon jenis n.
Alat ini mempunyai penyimpanan muatan yang sangat kecil dan banyak
dijumpai dalam penerapan sebagai saklar kecepatan tinggi.
Suatu jenis logam itu berlaku sebagai acceptor bagi elektron bila
digabungkan ke silikon type n. Selanjutnya elektron berdifusi dari silikon
ke logam tadi. Pada kontak penyearah , arus yang sangat kecil mengalir
hingga tegangan UN melampaui tegangan minimum tertentu . Uj adalah
tegangan yang diperlukan untuk mencapai kurva tegangan datar seperti
gambar 2.106
160
Gambar 2.106 Elektron berdifusi dari silikon ke logam
Difusi ini mengakibatkan terjadi penipisan elektron dekat sambungan
pada bahan n dan cenderung bermuatan posistif.
Bila daerah ini menjadi cukup lebar tegangan positif ini menghalangi
difusi lebih lanjut. Degan kata lain bila tegangan positif cukup besar
dikenakan dari luar , seperti Gambar 2.107.
161
Gambar 2.107 Tegangan positif menghalangi difusi lebih lanjut
Elektron pada daerah n melihat tegangan posistif pada sisi metal dan
elektron mengalir. Pembaca harus mengerti tujuan dibuatnya kontak
penyearah , seperti yang dijelaskan diatas dan kontak ohmic , yang
dibuat untuk menghubungkan daerah atau ke rangkaian luar.
, ( dalam suatu dioda PN silokon tegangan Uj sekitar 0,65 V).
Penambahan nilai kecil tegangan UN diatas Uj mengakibatkan
perubahan arus yang besar. Bila tegangan yang diterapkan pada dioda
dibalik sehingga bahan N dibuat posistif terhadap platina ( atau bahan P )
, tegangan pada sisi N dari sambungan bertambah ( Gambar 1 (c) ).
Gambar 2.108 Tegangan yang diterapkan pada dioda dibalik.
162
Bila dioda Schottky dioperasikan dalam mode maju , arus elektron
bergerak dari silikon type N
Karena elektron bergerak melalui logam berimpendansi rendah waktu
rekombinasi t sangat kecil , bernilai sekitar 10 ps.
Ini beberapa kali lebih kecil dari yang didapati pada dioda silikon PN.
Simbol rangkaian untuk dioda Schottky adalah Gambar (d)
Gambar 2.109 Dioda Schottky dioperasikan dalam mode maju.
Dioda mempunyai karakteristik Ui seperti dioda PN biasa kecuali bahwa
tegangan dadal maju dari dioda adalah Uf » 0,3 Volt.
Dioda Schottky ® Dioda yang tidak mempunyai LAPISAN
PENGOSONGAN atau PENYIMPANAN MUATAN ® ia dapat
dioperasikan NYALA DAN MATI lebih CEPAT dari pada dioda bipolar ®
banyak digunakan sebagai RANGKAIAN SAKLAR . ( SWITCHING )
Dioda ini juga dapat digunakan untuk MENYEARAHKAN FREKUENSI
DIATAS 300 MHz Dioda Schottky : biasanya mempunyai BATASAN
TEGANGAN YANG RENDAH DAN WAKTU UNTUK OPERASI YANG
CEPAT.
2.2.6. DIODA TUNNEL
Dioda Tunnel adalah dioda khusus yang di bentuk dari semikonduktor
yang dapat membentuk daerah transisi menjadi sangat sempit .
Dioda Tunnel masih dalam kondisi normal apabila di gunakan pada
gelombang micro , penguat , oscilator dan pembalik frekwensi .
Dioda Tunnel mempunyai karakteristik perlawanan negatif , yaitu pada
pemberian tegangan muka maju, apabila tegangan muka maju ditambah
secara perlahan-lahan, arus maju turut bertambah pula , lihat gambar 1 .
Setelah sampai di titik penambahan tegangan muka maju tidak
menyebabkan arus di titik L , baru kemudian arus maju naik lagi .
163
I
TUNNEL
BIASA
U
L
P
0
DIODE
DIODE
Gambar 2.110 Karakteristik I = f ( U ) Dioda Tunnel
Karakteristik perlawanan negatif ini terjadi bila tegangan muka majunya
antara 200 sampai 300 mili volt .
Dioda Tunnel ini dapat digunakan pada rangkaian osilator dengan
karakteristik perlawanan negatifnya dapat mengembalikan tenaga yang
hilang pada saat digunakan untuk berosilasi .
PEMAKAIAN DIODA TUNNEL
Salah satu pemakaian Dioda Tunnel adalah sebagai peralatan
pensaklaran pada kecepatan yang sanga tinggi , dikarenakan proses
penerowongan , yang pada dasarnya terjadi pada kecepatan cahaya .
Waktu respon dibatasi hanya kapasitansi dioda yang mana ada pada
tingkat 1 sampai 10 pf, memungkinkan pensaklaran terjadi ( dari suatu
titik awal kesuatu titik dekat puncak ) dengan waktu naik serendah 22 p
second .( waktu naik adalah waktu yang diperlukan untuk berubah dari
level 10% ke 90% )
Dioda Tunnel juga di gunakan sebagai alat penyimpan memori logik .
Rangakaian equivalent untuk sinyal kecil Dioda Tunnel ditunjukkan pada
gambar 3.
Gambar 2.111 Rangkaian equivalent sinyal kecil Dioda Tunnel
164
Rs biasanyan 1 sampai dengan 5 ohm , Ls dari 0,1 sampai 4 nH, dan C
dari 0,35 sampai 100pf .
Induktansi dan kapasitansi yang sangat rendah memungkinkan Dioda
Tunnel di gunakan di dalam osilator microwave pada frekwensi didalam
tingkat 10 GHz .
Resistansi negatif dari Dioda Tunnel memungkinkan Dioda Tunnel di
gunakan didalam osilator relaksasi.
2.2.7. TRANSISTOR
Transistor Difusi
Prinsip Pembuatan :
Bahan dasar (tipe P atau N) yang
didoping (dikotori) untuk membangkitkan
Difusi pada layer yang di
harapkan
MESA Planar
“Teknik untuk Ge” “Teknik untuk Si”
Transistor Epitaksial
Prinsip Pembuatan :
Bahan dasar dengan tahanan ohm rendah
(tipe P dan N) yang ditipiskan, layer dengan
tahanan tinggi melalui susunan yang ditonjolkan,
kemudian pembentukan layer melalui
Difusi
MESA Planar
165
Gambar 2.112 Prinsip pembuatan Transistor
2.2.7.1. PROSES PEMBUATAN
Contoh Langkah proses pembuatan
Transistor - epitaksial - planar .
1. Pada kristal N - Si dengan tahanan ohm rendah ( dengan doping
tinggi ) ; selanjutnya di gunakan pada lapisan tipis layer N - epitaksial
dengan tahanan ohm tinggi . Dengan demikian layer pengaman di tengah
oksidasi ( Si 0 )
2. Di buatkan sebuah jendela ( jendela basis ) dalam layer Si 0 , dikotori
dengan B ( Valensi 3 ® tipe P pada layer penghantar basis) , kemudian
di tumbuhi / ditutupi layernya dengan Si 0 .
3. Jendela emiter ditentukan dahulu dalam layer Si 0 lalu didopping (
dikotori ) dengan phosphor ® tipe N - menjadi layer penghantar
emiter , lalu ditimbuni lagi dengan layer Si 0 .
4. Menentukan jendela untuk tempat kedudukan kontak , lalu kontak
metal di tempatkan ® akhirnya kutub kolektor .
166
Penempatan akhir :
– Perencanaan kotak
– Pemasukan , mengupas dengan plastik buatan . ( Pembuatan
miniatur )
Sifat - sifat
Transistor - epitaksial - Penguatan tinggi
- kapasitas kecil
- frekuensi cut-off tinggi
- Tegangan beban ( UCE ) rendah
- batasan modulasi ( Pencampuran yang saling mempengaruhi ) besar
- arus beban kecil pada waktu hubung
pendek
Gambar 2.113 Langkah proses pembuatan Transistor
167
2.2.7.2. PENGARUH TEMPERATUR
Suatu semi konduktor pada kondisi temperatur yang besar
menghantar sendiri Ketentuan dasar :
Temperatur bertambah, arus menjadi lebih besar . Temperatur
berkurang, arus menjadi lebih kecil
Ketentuan itu berlaku bila suatu semi konduktor memperoleh panas dari
dalam semi konduktor itu sendiri dan menerima panas dari luar. Hasil dari
uraian di atas, kurva karakteristiknya .
Temperatur itu mempunyai pengaruh pada arus kolektor IC ( berturut-turut
IE ), langsung berpengaruh pula pada
– Arus bocor kolektor ICEO, ( Arus Kolektor-Emitor pada keadaan Basis
terbuka )
– Penguatan arus searah ( berturut-turut A )
Hal diatas adalah ICE pada + AV ® lebih besar
Hal diatas adalah ICE pada _ AV ® lebih kecil
Akibatnya ® penghalauaan / pengendalioan temperatur harus di
usahakan .
2.2.7.3. KURVA KARAKTERISTIK
0,5
1
0,4 0,8
IB (mA)
UBE(V)
IB
UBE
Karakteristik Masukan
( Input Characteristic )
168
50
100
10 20
IC (mA)
UCE(V)
ICEO
+ X
Karakteristik Keluaran
( Output Characteristic )
Gambar 2.114 Kurva karakteristik transistor
Pengaruh Temeperatur terhadap UBE
Atas dasar pengalaman harganya di tentukan ( berlaku ) :DUBE/0C » 2
m V/0C
Setiap temperatur10C tegangan Basis-Emitor sekitar 2 m V
Contoh : Berapa besar perubahan tegangan keluaran ( tegangan Output
)UCE, jika V = 100C, V = 50, merupakan penguatan tegangan
D UCE = V . D UBE . D V = 50.2.10 ( m V )
Penyelasaian :
D UCE = 1,000 m V = 1 V
Pengaruh temperatur ini diatasi dengan mereduksinya secara rangkaian
teknik (seperti Kopling pelawan)
Sifat Frekuensi
® Bersifat dinamis ( berubah-ubah )
Sifat pada frekuensi tinggi
– Penguatan arus berkurang Amplitudo keluaran
– Tahanan keluaran ( tahanan output ) atau impedansi
berkurang keluaran berkurang
– Mempengaruhi jalannya waktu ( periode ) pengisian muatan
Pergeseran phasa pada masukan dan keluaran
– Mengakibatkan perubahan pembuangan muatan kapasitas C
Pengertian : Suatu frekuensi, yang besarnya tertentu mempunyai harga
penurunan pada frekuensi yang lebih rendah disebut : Frekuensi batas FG
Frekuensi batas : frekuensi dengan :
2
2
» 0707 mempunyai penurunan
sebesar 3 dB ( turun 3 deci - Bell )
169
Gambar 2.115(a) Gambaran secara grafik :
Gambar 2.116(b) Jalannya amplitudo :
Frekuensi batas bisa di pertinggi oleh bangunan konstruksi
yaitu ® Lapisan basis yang tipis , lapisan kolektor yang kecil
® Transistor frekuensi tinggi
Harga karakteristik kerja :
Merupakan sifat-sifat yang dimiliki oleh transistor, misalnya penguat arus
(yang di tentukan oleh IC) frekuensi batas dsb .
Harga batas kerja :
Harga batasan-batasan maksimum ( Seperti : IC max, UCE max, PVmax )
yang bila berlangsung melampaui waktu yang di tentukan , akan terjadi
kerusakan / kehancuran elemen
Temperatur maksimum dari lapisan penghalang dan rugi daya
Temperatur lapisan kolektor hendaknya tidak dilampaui.
VJ max » 2000 C
170
Lapisan penghalang menjadi panas terutama karena adanya pemanasan
sendiri , maksudnya karena adanya rugi daya PV.
Harga batas karakteristik kerja :
Merupakan sifat-sifat yang dimiliki oleh transistor, misalnya penguat
arus (yang di tentukan oleh IC) frekuensi batas dsb .
Harga batas kerja :
Harga batasan-batasan maksimum ( Seperti : IC max, UCE max, PVmax )
yang bila berlangsung melampaui waktu yang di tentukan , akan terjadi
kerusakan / kehancuran elemen.
Temperatur maksimum dari lapisan penghalang dan rugi daya
Temperatur lapisan kolektor hendaknya tidak dilampaui.
VJ max » 2000 C
Lapisan penghalang menjadi panas terutama karena adanya pemanasan
sendiri , maksudnya karena adanya rugi daya PV
PV UCE . IC PV atau PO (disipasi ).
Saling bergantung PV ® VJ ® VJ : V adalah sebanding PV ! VJ max tidak
di lampaui untuk membuat keadaan aman , caranya dengan
mengeliminasi panas ® Pendingin antara, alat pendingin ® reduksi
rugi daya .
Disini masih dapat terjadi rugi hantaran maksimum yang diijinkan dari
keterkaitan dan ketergantungan dengan panas . Karena ®
Pernyataan / Penentuan rugi daya maksimal yang dijinkan , PV max, juga
tergantung pada temperatur luar .
Dua kasus rugi daya ( masing-masing terlihat dari lembar data )
PV max yang berkaiatan dengan temperatur sekitar .
® pada transistor-transistor kecil
– PV max yang berkaitan dengan pemanasan
`® transistor-transistor besar ( harus ada alat pendingin ! )
2.2.7.4. PENENTUAN RUGI :
Rugi daya yang berkaitan dengan temperatur sekitar :
Temperatur sekitar ® VU’ atau , Tamb tamb
( ambient = daerah sekitar )
Petunjuk rugi daya maksimum untuk V = 250 C
( Temperatur pemakaian )
171
Analisa grafis : PV dan ketergantungannya dengan VU
100
200
300
400
25 50 100 150 200
(mW) Pv
V ( °C)
harga batas pada 25 C
( besar rugi daya yang di mungkinkan PV max )
Rugi daya PV yang masih diijinkan
Pv
Vu
Batas kerj a VJ max
( IC = 0 )
Rugi daya P = 0
V
Gambar 2.117 PV dan ketergantungannya dengan VU
Rugi daya yang diijinkan dikurangi dengan pertambahan
temperatur adalah linier.
Yaitu :
D
D
V
P
= U
V
Konstan ® tahanan termis Rthju
Juga :
V
j U
V
j U
V
thju
P
V max V
P 0
V max V
P
R
= -
-
= =
D -
D VU
Dengan demikian : P
R V
thju
=
V max - V
=
V
R
j U
thju
D
hubungan ohm tentang aliran panas
PV = UCE . IC PV atau PO (disipasi ).
Saling bergantung PV ® VJ ® VJ : V adalah sebanding PV ! VJ max tidak
di lampaui untuk membuat keadaan aman , caranya dengan
mengeliminasi panas ® Pendingin antara, alat pendingin ®
reduksi rugi daya .
Disini masih dapat terjadi rugi hantaran maksimum yang diijinkan dari
keterkaitan dan ketergantungan dengan panas . Karena ®
Pernyataan / Penentuan rugi daya maksimal yang dijinkan , PV max, juga
tergantung pada temperatur luar .
Dua kasus rugi daya ( masing-masing terlihat dari lembar data )
– PV max yang berkaiatan dengan temperatur sekitar .
® pada transistor-transistor kecil
– PV max yang berkaitan dengan pemanasan
` ® transistor-transistor besar ( harus ada alat pendingin ! )
172
Penentuan rugi daya yang diijinkan :
Rugi daya yang berkaitan dengan temperatur sekitar :
Temperatur sekitar ® VU’ atau , Tamb tamb
( ambient = daerah sekitar )
Petunjuk rugi daya maksimum untuk V = 250 C
( Temperatur pemakaian )
Contoh : Diketahui temperatur sekitar VU = 250 C , temperatur lapisan
penghalang maksimal
Vj max = 2000 C, tahanan termis Rthju = 0,440C/mW
Berapa besar rugi daya yang diijinkan :
Jawab : PV =
V
R
=
200 - 25
(mW) 400 mW
thju
D
0,44
» Data lain
yang menentukan besar tahanan termis Rthju ® daya hantar termis
1`
Rthju
1
R 0
mW
thju c
é
ë ê
ù
û ú
Þ Pengurangan rugi daya tiap 0c
Dengan begitu : PV =
I
R
. V
thju
D
Contoh : Hitunglah rugi daya yang diijinkan pada suatu temperatur
daerah sekitar
VU = 600C dari transistor type 2 N2904
Jawab : Daya hantar = 3,34 mW/0C
PV max = 600 mW Vj max = 2000C
= 3,43.140
mW. C
V = 3,43(200- 60)
R
1
=
0
0
thju ú
ú
û
ù
ê ê
ë
é
D
C
PV
PV = 480 mW
Pemakaian rugi daya pada temperatur kotak / bodi :
Temperatur bodi VG atauTC’ tC ( Case = kotak )
Data rugi daya maksimum pada : VG = 250C, 450C (PV pada VC = 250C
adalah data yang semu) Alat pendingin harus pada panas VU = 250C (
173
kalau dapat dipertahankan ini merupakan kondisi kerja yang sangat baik )
.
Rthjg
Rthgk Vj maks
Rthku
Gambar 2.118 Pendingin
Tahanan termis bersama :
Rth = R + R = R thjg thgk thku
Rthjg = Data dalam lembar data transistor
Rthgk = Tahanan antara / Penyekat ® kotak alat
pendingin 0,1 - 0,3 0C/W ; Pada isolasi listrik ( Plat mika ) sebesar >
10C/W
Rthku = Tahanan profil pendingin ® profil - daerah
sekitar ; data dari perusahaan .
v G
Pv
(Watt)
0
120
100
80
60
40
20
25 50 100 150 200
P ( V ) untuk transistor 2N 3055
Pvmax
VG
(oC )
Gambar 2.119 Grafik : PV fungsi VG
Sifat listrik yang di maksud adalah kurva karakteristik transistor berupa
suatu grafik yang memperlihatkan kaitan satu sama lain dari parameter -
parameter tertentu .
Dari kurva karakteristik , kita dapat mengetahui sifat-sifat transistor
KURVA KARAKTERISTIK INPUT IB = f ( UBE )
174
P RB
A
V
IB
UBE UCE
RC
+ UCC
0V
Gambar 2.120(a) Rangkaian transistor dengan 1 Potensiometer
Pada gambar 2.120(a) , besarnya IB dapat di kontrol dengan UBE . Untuk
mengubah-ubah UBE di gunakan potensio meter P . Resistor RB berfungsi
sebagai pembatas arus IB .
Gambar dibawah ini ( Gambar 2.120(b) ) memperlihatkan kurva
karakteristik input IB = f ( UBE )
50
40
30
20
10
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 BE ( V )
B ( A )
6V
8V
UCE = 2V
U
I
Gambar 2.120(b) kurva karakteristik input IB = f ( UBE )
Diatas tegangan 0,7 V kenaikan UBE yang kecil , menyebabkan kenaikan
yang relatif besar pada IB . Tetapi dibawah 0,6 V , kenaikan yang sama
dari UBE menyebabkan kenaikan sangat kecil pada IB . Pada beberapa
harga UCE tertentu, kurva mengalami sedikit penggeseran .
175
P1
RB
A
IB
+ UCC
0V
A
V
IC RC
P2
Gambar 2.121(a) Rangkaian transistor dengan 2 Potensiometer
Lihat gambar 2.121(a). Pada harga IB tertentu IC ditentukan oleh UCE .
Besarnya UCE dapat diubah-ubah dengan potensiometer P2
Gambar 2.121(b) , memperlihatkan kaitan antara arus output IC
dan
tegangan output UCE pada IB = Konstan
1
2
3
4
5
6
0
IC ( mA )
3 6 9 15 18
IB = 6 0 m A
50 m A
40 mA
20 A
10 A
0 A
UCE ( V )
30m A
m
m
m
Gambar 2.121(b) Hubungan arus output IC dengan tegangan output UCE
pada IB = Konstan
Pada UCE 0,1 V - 0,3 V arus IC mencapai harga optimum . Dalam hal ini
katakan transistor bekerja pada kondisi saturasi .
Pada IB = 0 , IC = ICEO = 0 dan UCE = UCE . Dalam hal ini transistor
bekerja pada kondisi cut off ( tidak menghantar )
KURVA BESARAN MASUKAN DAN KELUARAN
Kaitan antara arus basis IB dan arus kolektor IC pada UCE = konstan di
sebut Forward Transfer Characteristic . IB dapat di kontrol dengan UBE
demikian pula IC . Dengan mengatur P1, UBE , IB dan IC dapat diubah-ubah
. ( lihat gambar 2.122(a) )
176
Sedangkan gambar 2.122(b) memperlihatkan hubungan IB dan IC . Setiap
perubahan pada IB menyebabkan perubahan pada IC makin besar IB ,
makin besar pula IC .
Perbandingan
I
I
C
B
di sebut faktor penguatan arus rangkaian common
Emitor , di simbolkan dengan h FE .
Jadi :
I
I
C
B
= h FE
P RB
A
IB
UBE UCE
RC
+ UCC
0V
IC
A
Gambar 2.122(a) Forward Transfer Characteristic
1
2
3
4
5
6
7
0 10 20 30 40 50 60 70
I C ( mA )
I B ( mA )
Gambar 2.122(b) Hubungan IB dan IC
Hasil penguatan sinyal besar
( Pengendalian sinyal besar )
Penguat transistor dalam rangkaian emitor bersama :
masukan : Arus bolak-balik
keluaran : Tegangan bolak-balik
177
UQ
E
0
Rv
UR
IBV
R
ic
ijE
ijA
UCE
UA
t
t
Gambar 2.123(a) Pengendalian Sinyal Besar
Terjadilah untuk tegangan sinyal D UR = - D UCE
Pertengahan Rv terdapat arus tetap Þ titik kerja
karakteristik dasar
untuk pengendalian
luar
U
A
Titik ker ja
Garis kerja
[ V ]
[ mA ]
250 A
200 A
150 A
100 A
50 A
250 150 50 5 10 20
IB U
t
Ic
Sinyal keluaran cacat
Uce =15V
Uce =1,5V
15
m
m
m
m
m
U
A
IBvV
Gambar 2.123(b) Gambar Posisi Titik Kerja - Operasi Penguat
178
2.2.7.5. HUBUNGAN DAS AR TRANSISTOR
Dari ketiga hubungan transistor , terdapat satu pola hubungan dimana
rangkaian input setara atau sama dengan rangkaian out put Rangkaian
input ® penguatan besar Rangkaian out put ® hasil
penguatan besar
· Hubungan Basis
Hubungan Pemakaian bersama : basis
Besaran input : IE , UEB
Besaran out put : IC , UCB
Perbandingan pembawa p =
I C
I E
D
D
simbol yang lain :
arus ( mengenai titik kerja ) hf b ,
h2Ib , fb
Perbandingan pembawa arus
simbol yang lain :
searah ( besarnya relatif konstan )
A =
I C
I E
hFB , HFB , FB
Dengan hubungan basis , besarnya tegangan iperluas , tetapi tanpa
penguatan arus .
· Hubungan Emiter
Hubungan pemakaian bersama : Emiter
® Pemakaian yang utama dalam beberapa rangkaian yang berbeda ,
Pemakaian secara universal.
+
_
+
_
R
IB
UBE IE UCE
Gambar 2.124 Hubungan Pemakaian Emiter Bersama
179
Besaran input : IB , UBE
Besaran out put : IC , UCE
Penguatan arus : dari basis (input) ke kolektor (output)
Perbandingan pembawa arus :
D
D
I C
I B
( Penguatan arus )
adalah : IE = IB + IC ; IB = IE-IC ® D IB = D IE - D IC
ataupun : D IE =
D I C
p
Juga :
PenguatanA rus
1 -
=
I
I
1 -
= I (
-
1
- - I = I (
I
I =
B
C
C
1
C C
C
B
p
p
p
p
p p
D
D
D
D D
D
D
penguatan arus
b =
I C
I B
Simbol yang lain :
hFE , H 21e , FE
D
D
p
Penguatan arus searah
B =
I C
I B
Simbol yang lain :
hFE , HFE , p FE
Dengan hubungan emiter dimaksudkan untuk memperkuat
tegangan dan arus !
D UCE = V D UBE
(mA)
1
0,75
0,5
0,25
IB
UCE = 10V
D
C
B
A
UBE
0,2 0,4 0,6 0,8 (V)
Gambar 2.125 Dioda dalam keadaan arah maju ( forward)
180
(mA)
100
75
50
25
IC
D
C
B
A
IC IB
5 10 15 20 (V)
UCE
IB = 0,25 mA
IB = 0,5mA
IB = 0,75mA
IB = 1mA
IB = Parameter
Gambar 2.126 Dioda dalam keadaan arah balik ( reverse )
Tahanan out put : CE
UCE
IC
rBE
CE
C
=
U
I
D
D
(mA) IC
100
75
50
25
A
B
C
D
IC
IB
IB
0,25 0,5 0,75 1 (mA)
Gambar 2.127 Grafik pengaturan arus ( grafik pembawa arus )
181
(mA) IC
100
75
50
25
A
B
C
D
UBE
0,2 0,4 0,6 0,8 (V)
Gambar 2.128 Grafik pengaturan tegangan ( grafik pembawa hybrid )
· Hubungan Kolektor ( cc ) atau emiter penghasil
Hubungan pemakain bersama : kolektor
® berlawanan fungsinya ( sifat - sifatnya ) dengan hubungan basis .
_
+
IB
-UBC
IC
-UEC
IE
-(U-UBC)
-U
_
+
Gambar 2.129 Hubungan pemakaian kolektor bersama
Besaran input : IB , UBE Besaran ouput : IE , UEC
Pembawa arus : dari basis ( input ) ke emiter ( out put )
Rangkaian input 2 pengaturan dari 1 memberikan dan mempunyai fungsi
hubungan yang sama ® ( hal ini ) berkaintan dengan kesamaan
polaritas dari rangkaian input dan out put sebagaimana pada hubungan
basis dan emiter .
182
+
_
IB
UB
IC
IE
R UE
+
_
Gambar 2.130 Hubungan basis dan Emiter
Perubahan pada UE - sama dan diikuti ® perubahan pada UA
Pendekatan harga : Emiter mengikuti basis ® Emiter
penghasil
harganya kembali : IE = IB + IC
dan juga : D IE = D IB + D I C
Perbandingan arus pembawa :
D
D
I E
I B
( Penguatan arus )
Maka :
D
D
D D
D
D
D
I E
I B
=
I B + I C = 1 +
I E
I B I B
dengan demikian penguatan arus :
Hubungan kolektor atau emiter penghasil menyediakan
kemungkinan besar terjadinya penguatan arus tetapi tanpa
penguatan tegangan ( pelemahan )
Tabel 2.31 Pendisain bersama ( harga yang benar )
Hubungan
Emiter
Hubungan
Basis
Emiter Penghasil
Penguatan Arus Tinggi ( 100 ) Rendah ( 1 ) Tinggi ( 100 )
Penguatan
Tegangan
Tinggi ( 250 ) Tinggi ( 200 ) Rendah ( 0,95 )
Tahanan Input Cukup ( 600 ) Rendah ( 50 ) Tinggi ( 50 K )
Tahanan Out put Tinggi ( 50 K ) Tinggi ( 1 M ) Rendah ( 100 )
183
2.2.8. TRANSISTOR EFEK MEDAN ( FET )
Keluarga Transistor (Semi Konduktor) :
TRANSISTOR
BIPOLAR JUNCTION TRANSISTOR
NPN
PNP
FET
JFET
MOSFET
SALURAN N
SALURAN P
D MOSFET
E MOSFET
SALURAN N
SALURAN P
SALURAN N
SALURAN P
Þ Gambar (1-a) ini menunjukkan struktur suatu FET saluran N. FET ini
terdiri dari batang semi konduktor type N yang pada kedua sisinya
diapit bahan semi konduktor type P.
Þ FET memiliki 3 elektroda, yakni; Source (S), Gate (G), dan Drain (D).
Antara (G) dan (S) dipasang tegangan UGG yang merupakan reverse
bias bagi gate (G)
Þ Karena dioda antara (G) dan (S) mengalami reverse bias, maka
timbulah Depletion Layer pada junction (lihat gambar 1-b)
Þ Supaya terjadi aliran antara (S) dan (D) , maka antara kedua
elektroda ini dipasang sumber tegangan (UDD).
Þ Besar kecilnya arus yang mengalir tergantung lebarnya Depletion
Layer tadi.
Þ Jika UGG besar, Depletion Layer akan menjadi sedemikian lebarnya
sehingga hampir menutup saluran antara (D) dan (S).
Karena pada Depletion Layer tidak ada pembawa muatan, berarti bahwa
jumlah.
pembawa muatan pada saluran menjadi kecil.
Þ Jika UGG kecil, Depletion Layer cukup tipis dan saluran antara (S) dan
(D) cukup lebar, dengan demikian arus yang mengalir cukup besar.
Jadi tegangan gate menentukan besarnya arus yang mengalir antara (D -
S). Karena G dalam kondisi reverse bias, arus (G) dianggap sama
dengan nol
_
+
UGG
G
P P
N
D
S
+
UD D _
G
D
S
N
Gambar 2.131 Struktur J FET
184
Gambar 2.132 Menunjukkan simbol dari J FET bila ujungpanah dari gate
menuju garis vertikal yang melambangkan saluran, J FET dengan saluran
N (Gb. 132-a) sebaliknya bila ujung panah meninggalkan saluran maka J
FET tersebut adalah J FET dengan saluran P.
G
D
S
G
D
S
Gambar 2.132 Simbol dari J FET
Rangkaian Dasar membuat Karakteristik JFET.
UGG
_
+
V UGS
V UDS
A
_
+
UDD
Gambar 2.133 Rangkaian Dasar membuat Karakteristik JFET
Menganalisa Sifat Kurva JFET.Kanal N.
ID
VDS
GS = 0
GS = -1
GS = -2
GS = -3
GS = -4
4 15 30
Up
V
V
V
V
V
Gambar 2.134 Kurva JFET.Kanal N.
185
Pada gambar 2.134, menunjukkan bahwa makin negatipUGS, makin kecil
arus ID
- Pada kondisi normal JFET selalu bekerja pada bagian karakteristik yang
hampir mendatar, atau dengan kata lain JFET dioperasikan dengan
tegangan drain yang lebih besar dari UK ( tegangan Knee ) tetapi lebih
kecil dari tegangan breakdownnya.
- Lihat gambar 1-b, maka Uds harus dibuat lebih besar dari 4 Volt tetapi
lebih kecil dari 30 V. Dan demikian pula UGS harus diantara ( 0 s/d 4V )
- Tegangan Knee untuk lengkung karakteristik yang paling atas disebut
pinch off voltage (Up),jadi bila pada lembar data tertulis Up=4 Volt,
JFET tersebut harus dioperasikan dengan tegangan UDS yang lebih
besar dari 4 Volt.
- Dari gambar kurva 1-b, dapat kita lihat bahwa pada tegangan UGS= -4
V arus drain hampir = 0. Nilai UGS yang menyebabkan ID = 0 ini disebut
Gate Source Cut Off Voltage (UGS = Off).
- Up dan UGS (off) memiliki hubungan penting yaitu nilai mutlak Up = nilai
mutlak UGS (off) hanya tandanya yang berbeda; Up = 4 V
UGSoff = -4 V
Hal ini berlaku untuk semua JFET dan harus diingat bahwa pada
lembaran data JFET hanya akan disebutkan nilai (UGS off) saja.
- Lengkung karakteristik yang paling atas dibuat dengan tegangan gate =
0, keadaan ini disebut juga Sharted Gate Contition, karena sama
dengan keadaan dimana gate dihubung singkat dengan source.
Arus drain sepanjang bagian yang hampir mendatar dianggap sama,
walau tegangan drain diubah-ubah dan pada lembar data arus ini
disebut Idss.
- Pada gambar kurva tampak bahwa jarak antara garis-garis mendatar itu
tidak sama meskipun selisih UGS untuk tiap-tiap garis tetap 1 Volt. Hal
ini dikenal sebagai Square low behavior dan ini merupakan salah satu
keunggulan FET dari Transistor BJT.
Harga Batas
Harga batas yang di maksud dalm permasalahan ini adalah
suatu keterangan tentang data- data komponen Fet dan Mosfet
yang harus di penuhi dan tidak boleh dilampaui batas
maksimumnya , dan tidak jauh berkurang dari baras minimumnya .
Adapun harga batas tersebut antara lain memuat tentang :
VDS mak , ID mak , Tj mak , PTOT mak , VGS (off) / VGTH , IDSS / ID on ,
GFS , RDS , CISS , CRSS .
186
Keterangan tentang harga batas dan bagaimana cara
menggunakannya pelajarilah keterangan dan penjelasan tentang
Tabel di bawah ini :
Dengan mengetahui data harga batas tersebut, kita dapat
menggantikan fet dengan Type yang lain , asal data harga batas
dan typenya sama .
Judul kolom
VDS MAX = Rating tegangan drain source
ID MAX = Batas maksimum arus drain
TJ MAX = Batas maksimum suhu pertemuan
PTOT MAX = Batas maksimum disipasi daya komponen
VGS(off)/ VGTH = Tegangan pinch-off ( VGS(off)) atau
tegangan ambang (VGTH)
IDSS/IDON = Arus jenuh drain
GFS = Traskonduktansi pada arus drain jenuh
RD = Resistansi drain-source pada arus drain
jenuh
CISS = Kapasitas masukan pada gate
CRSS = Kapasitas umpanbalik pada drain
SATUAN
A = Apere
C = Derajad Celcius
mA = Miliampere
mn = Minimum
mS = MiliSiemen (mili-mho atau mA/V)
mWC = Miliwatt, kemasan pada 250 C
mWF = Miliwatt, udara bebas 250 C
mWH = Miliwatt, dengan heatsink, suhu lingkungan 250 C
mx = Maksimum
P = Pikofarad (mengacu pada CDSS dan Crss )
S = Siemen (mho atau Amp/Volt)
tp = Typical
mA = Mikroampere
mS = MikroSiemen (mmho atau mA/V)
V = Volt
WC = Watt, kemasan pada 250 C
WF = Watt, udara bebas 250 C
WH = Watt, dengan heatsink, suhu lingkungan 250 C
kalau satuan muncul ditengah-tengah nilai, hal ini menunjukkan posisi
koma desimal; misalnya 3P5 = 3,5P = 3,5 pikofarad, RO 15 = 15 mohm =
0,015 ohm
187
Kode kolom ‘Package & Pinout’
Penjelasan lebih lanjut mengenai sistem dan gambar yang berhubungan
diberikan dalam penandaan kelompok susunan kaki
Tiga huruf yang terdapat pada kolom ini digunakan untuk menjelaskan
penggunaan dalam terapan. Kode dibedakan untuk terapan pada sistem
industri, konsumer dan terapan khusus.
1. Terapan industri (huruf pertama A, R, S, U atau V)
(Huruf pertama) (Huruf kedua) (Huruf ketiga)
A = Audio H = Arus tinggi A = Amplifier
I = Industri L = Arus rendah B = Bidirectional
R = RF M = Arus menengah C = Chooper
S = SHF E = Tegangan
ekstra tinggi
U = UHF G = Pemakaian
Umum
V = VHF H =Tegangan tinggi
L = Bocoran rendah
N = Noise rendah
S = Sakelar
V = Resistansi
Variabel
2. Terapan konsumer (huruf pertama Fatau T)
FRH = Radio AM/FM, pemakaian umum, penguatan
menengah
FRM= Radio AM/FM, pemakaian umum, penguatan
menengah
FVG = FM dan VHF (TV), pemakaian umum
TIA = TV , penguat IF
TIG = TV , penguat IF ,penguatan terkontrol
TLH = TV , output horizontal (line), tegangan tinggi
TLM = TV , output horizontal (line), tegangan medium
TLE = TV , output horizontal (line), tegangan ekstra tinggi
TUG = TV , penguat UHF , penguatan terkontrol
TUM= TV , pencampur UHF
TUO = TV , osilator UHF
TVE = TV , output horizontal (line), tegangan ekstra tinggi
TVH = TV , output horizontal (line), tegangan, tinggi
TVM = TV , output horizontal (line), tegangan medium
188
3. Terapan khusus
DUA = Pasangan amplifier dual atau diferensial
MPP = Pasangan jodoh (matched)
PHT = Komponen foto
QUA = Komponen quad (X4)
SPC = Khusus
Kolom kode ‘Manufactures”
Kode tiga yang menunjukkan pabrik pembuat. Arti kode secara lengkap di
berikan pada Lampiran D. (‘OBS’ menunjukkan jenis absolut), atau pabrik
yang memberikan data untuk pengisian tabel dalam buku ini
Untuk memahami dari informasi yang terdapat didalam tabel ,
dibawah ini di berikan penjelasan secara rinci
TYPE NO.
NOMOR T YPE
SECAR A
ALFABETIS
CONS
TRUC
TION
D = DEPLETION
E =ENHANCEMENT
J = JUNCTION.GAT E
M = MOSF ET
N = KANAL.N
P = KANAL P
X = DEPLN/ENHANCT
UNTUK INFORMASI SUSUNAN
KAKIDAN STYLE KEMASAN
MENGACU PADA LAMPIR AN B
PACKAGE
PINOUT MAX
TEGANGAN DRAIN.SOURCE
MAKSIMUM YANG DIIZINKAN
MAX MAX MAX
OF
VGS(TH)
T VGS(OF F)
J
VDS I
P
PTOT
ARUS DRAIN KONTINU MAKSIMUM YANG
DIIZINKAN
SUHU PERTEMUAN MAKSIMUM YANG DIIZINKAN
O'F ' = UDARA BEBAS PADA 25 C
O
C ; "C" =CASEPADA25
'H' = UDAR A TERBUKA PADA 25
O
C DENGAN HEATSINK
TER HUBUNG KE PIRANTI
VGS(OFF ) = TEGANGAN PINCH.OFF(TYPE DEPLETION)ATAU
VGS(TH) = T EGANGAN AMBANG (TYPE ENHANCEMENT) , DINYATAKAN
DALAM VOLT (V) DENGAN "mx" = MAX ; "mn" ; = MIN ; " tp" = TIPIKAL,
DAN " /" = RANGE
IDSS
OF
ID(ON)
ARUS DRAIN "ON" DENGAN GATE TERHUBUNG KE SOURCE
(DELPETION) AT AU KE D RAIN (ENHANCEMENT)
Grs RDS(ON)
MAX
C
MAX
is s CRSS
MAX
USE MNF SUBT ANSI
PIRANTI PENGGANTI
YANG MUNGKIN,ATAU
CATAT AN
PABRIK PEMBUAT , ATAU PABRIK
YANG MEMBERIKAN DAT A UNTUK
BUKU INI, LIHAT DAFT AR PABRIK
PADA LAMPIRAN D
KODE YANG MENUNJUKKAN APLIKASI
YANG DI SARANKAN LIHAT PENJELASAN
DI BALIK HALAMAN INI
KAPASITAS INPUT GATE MAKSIMUM (UMUMNYA -
SEKITAR 0,5_0,66 MAKS) DI NYATAKAN DALAM
PIKOFARAD (P) ATAU NANO-fAR AD (N)
KAPASITAS UMPAN BALIK DRAIN GATE MAKSIMUM,
(UMUMNYASEKITAR 0,5_0,66 MAKS) - DINYAT AKAN
DALAM PIKOFARAD (P) ATAU NANO-FARAD (N)
RESISTANSI "ON" DRAIN-SOURCE MAKSIMUM,DINYAT AKAN
DALAM OHM (R )
TRANSKONDUKT ANSI PADA ARUS BIAS MAKSIMUM,DINYAT AKAN
DALAM SIEMENS (S)
189
LAMPIRAN B
DIAGRAM SKETSA KEMASAN DAN
IDENTIFIKASI KAKI
Penggambaran sketsa kemasan telah dikelompokkan, jika mungkin
menggunakan standar “TO atau “SOT” dengan setiap kaki atau terminl
diberi nomor. Mungkin terdapat sedikit perbedaan uluran antara satu
pabrik dengan pabrik lainnya yang menggunakan kemasan standar ,
namun demikian tidak menyimpang jauh dari ukuran yang diberikan .
Setelah melewati beberapa waktu, style kemasan berkembang untuk
memenuhi permintaan teknologi baru dan produksi baru. Telah
ditambahkan pula akhiran kepada style kemasan untuk menunjukkan
varian, dan bahkan style telah berganti nama, misalnya TO3 menjadi
TO204 dan TO92 menjadi TO226. Format kaki juga berubah, kalau dulu
biasanya mencari komponenen dalam kemasan TO92 yang susunan
kakinya dirancang dalam style TO 18. Style ini sekarang tidak lagi
mengikuti susunan kaki sebaris yang kai-kakinya dibentuk dalam format
TO 18. Hal ini memungkinkan adanya perbedaan antara fisik dan ilustrasi
yang terdapat pada lampiran ini.
Rincian koneksi dijelaskan dengan menggunakan cara unik yang
memungkinkan pemakai untuk membandingkan susunan kaki berbagai
koponen untuk memilih, kompatibilitas. Komponen FET dasar atau
Mempunyai tiga koneksi, karenanya hanya mempunyai enam kombinasi
susunan kaki yang mungkin. Tabel yang terdapat dihalaman sebelah
menjelaskan arti huruf kapital yang mengacu pada variasi enam susunan
kaki dasar. Setiap penggambaran sketsa menunjukkan kaki 1 dan kakikaki
berikutnya. Huruf tanda menunjukkan kaki 1 fungsi kaki 1 , 2, dan 3.
Huruf tanda menyimpan urutan yang sama terlepas dari style kemasan.
beberapa style kemasan tiga kaki dan rincian koneksinya digambarkan
secara penuh di bawah ini.
Untuk komponen dengan empat terminal, nomor kombinasi
ditingkatkan dengan sangat sejak kaki-kaki piranti sekarang mempunyai
penandaan alternatif (Gate 1, Gate 2, Substrate, Case) sebagai
tambahan kepada Source, Drain , dan Gate yang telah dijelaskan di
muka. Untuk menjaga nomor varian sedapat mungkin bisa diatur , hanya
tujuh varian yang mempunyai pena Gate 1 dan Gate 2 yang digunakan
dalam buku ini, dan beberapa varian yang tidak bisa dimuat
menggunakan cara yanag dijelaskan di bawah . Susunan kaki komponen
lain dengan empat atau lebih terminal telah dijelaskan menggunakan
satu dari enam huruf penandaan (A sampai F) ditambah huruf kecil
untuk menunjukkan fungsi pena tambahan (substrate, drain, gate, dan k
untuk case). Huruf pertama pada penandaan banyak huruf dimulai dari
kaki 1 tanpa menghiraukan apakah huruf itu kapital atau tidak. System
juga memungkinkan untuk menjelaskan piranti berisi sejumlah transistor.
Beberapa contoh digambarkan dihalaman sebelah.
190
Ada beberapa style kemasan atau kombinasi penomoran dengan
susunan kaki tidak bisa dijelaskan menggunakan cara sederhana diatas.
Dalam kasus ini penggambaran kemasan telah dijelaskan dengan
penandaan kaki.
Untuk sebuah nomor piranti, pabrik boleh jadi tidak menjelaskan secara
penuh susunan kakinya, dan juga sebuah style kemasan yang
mempunyai empat terminal boleh jadi hanya bisa dijelaskan dengan
penandaan tiga terminal yang telah dijelaskan. Sangat sering, pengujian
komponen untuk penggantian memiliki susunan kaki yang salah.
191
Penandaan kelompok susunan kaki
1 2 3
4
TO 7 2
1
2
3
4
T O 2 2 0
1=drain
2=source
3=gate1
4=gate2
1
1=drain
2=gate
3case
4source
Fk
1=source
2=ga te
3=drai n
4=case
O
F
k
Dd
1=gate
2=drai n
3source
4=dari n
D
d
Gambar 2.135 Penandaan kelompok susunan kaki
Misalnya dengan piranti TO220, tab (pin 4) secara normal terhubung ke
pin 2, tetapi ternyata tab terhubung ke pin 3, begitu pula untuk piranti
TO237.
barangkali tab tidak terhubung ke terminal sebab tab secara normal
mengambang. Penyimpangan lain bisa terjadi ketika pabrik menyatakan
bahwa substrate atau case piranti dihubungkan ke sebuah pin yyang
sudah dinyatakan sebagai surce, drain, atau gate, sementara pabrik lain
tidak manyatakan hubungan semacam itu. Pemecahan terhadap
kejanggalan semacam itu di luar lingkup buku.
2.2.8.1. PARAMETER JFET
Arus Transkonduktansi menghubungkan arus output dengan tegangan
input . Untuk JFET adalah grafik terhadap VGS untuk transistor bipolar
kurva transkonduktansi adalah grafik dari IC terhadap VBE .
Misalnya dengan membaca harga-harga dari ID dan VGS . Dalam gambar
1 kita di tunjukkan dalam Gambar Transkonduktansi seperti di tunjukkan
dalam Gambar 2a Umumnya kurvaTranskonduktansi dari suatu JFET
akan terlihat seperti Gambar 2b.
ID
10mA
5,62mA
2,5mA
0,625mA
0 4 15 30
UDS
UGS=0
UGS=-1
UGS=-2
UGS=-3
Gambar 2.136. Set Tipikal dari Kurva Cepat
192
UDS=15V
-4 -3 -2 -1
0,625mA
2,5mA
5,62mA
10mA
ID
Jangkauan
Bias normal
IDSS
ID
UGS(off)
UGS
UDS=15V
1
ID
IDSS
1
9
16
14
1
16
UGS(off)
UGS
3/4 2/4 1/4
Gambar 2.137. Kurva Transkonduktansi
Sebagai contoh misalkan suatu JFET mempunyai IDSS sebesar 4 mA
dan UGS(off) sebesar - 2 V . Dengan substitusi ke dalam persamaan ( 1 )
.di bawah
ID = 0,004 1 +
U
2
æ GS
è ç
ö
ø ÷
2
( 1 )
193
Dengan persamaan ini kita dapat menghitung arus cerat untuk setiap
tegangan gerbang dalam daerah aktif . Banyak lembar data tidak
memberikan kurva cerat atau kurva transkonduktansi .Tetapi anda
memperoleh harga dari IDSS dan UGS(off) . Dengan substitusi harga-harga
tersebut ke dalam persamaan 1
anda dapat menghitung arus cerat untuk setiap tegangan gerbang .
Hukum kuadrat (square Law) adalah nama lain dari parabolik . Inilah
sebabnya mengapa JFET sering di sebut piranti hukum kuadrat (square
Law device ) . Karena alasan yang akan di bahas kemudian , sifat hukum
kuadrat memberikan keuntungan lain bagi JFETdi atas transistor bipolar
dalam rangkaian yang di sebut penyampur (mixer) .
Kurva Transkonduktansi yang Dinormalisasi
Kita dapat mengatur kembali persamaan ( 1 ) untuk mendapatkan
I
I
1 -
U
U
D
DSS
GS
GS(off)
=
é
ë ê
ù
û ú
2
( 2 )
Dengan substitusi 0, 1/4 , 1/2 , 3/4 , dan 1untuk UGS/UGS(off) , kita dapat
menghitung harga-harga ID / IDSS yang bersangkutan yaitu 1 , 9/16 , 1/4 , 1/16
dan 0 . Gambar 2c meringkas hasil-hasil tersebut ; hal ini berlaku untuk
semua JFET .
Berikut ini adalah penggunaan praktis dari kurva dalam Gambar 2c .
Untuk membias JFET dekat titik tengah dari jangkauan arusnya yang
berguna kita perlu menimbulkan ID yang besarnya mendekati setengah
IDSS . Rasio arus 9/16 dekat dengan titik tengah dalam arus cerat ; karena
itu kita dapat menset Bias ttitik tengah dengan UGS yang mendekati .
U ( )
U )
4
GS bias titik tengah
GS(off @ ( 3 )
Diberikan sebuah MPF 102 dengan UGS (off) = -8 V , kita harus
menggunakan UGS = -2 V untuk mendapatkan arus cerat yang mendekati
setengah arus cerat maksimum yang diperbolehkan .
Transkonduktansi
Besaran gm disebut transkonduktansi, didefinisikan sebagai
g =
I
U
m untuk konstan
D
GS
D
D
( 4 )
Ini mengatakan transkonduktansi sama dengan perubahan arus cerat
dibagi dengan perubahan tegangan gerbang yang bersangkutan . Jika
perubahan tegangan gerbang sebesar 0,1 V menghasilkan perubahan
arus cerat sebesar 0,2 mA .
g = ( )
0,2 mA
0,1 V
m = 2 10 S = 2000 S
-3 m
Catatan : S adalah simbol untuk satuan “siemens,” mula-mula
dinyatakan sebagai “mho” .
194
Gambar 3 memberi arti dari gm berkenaan dengan kurva
transkonduktansi . Untuk menghitung gm pada suatu titik operasi, kita
pilih dua titik yang berdekatan seperti A dan B pada tiap sisi dari titik Q
Rasio perubahan ID terhadap perubahan dalam UGS memberikan harga
gm antara kedua titik tersebut . Jika kita pilih pasangan titik yang lain pada
bagian kurva yang lebih atas yaitu C dan D kita dapatkan perubahan ID
yang lebih besar untuk suatu perubahan dalam UGS ; karena itu gm pada
bagian kurva yang lebih atas mempunyai harga yang lebih besar . Pada
lembar data untuk JFET biasanya anda di beri harga gm pada UGS = 0
yaitu harga gm antara titik-titik seperti C dan D dalam Gambar 3 . Kita
akan menyatakan harga gm ini sebagai gmo untuk menunjukkan harga
tersebut di ukur pada UGS = 0 .
Dengan menurunkan kemiringan (slope) dari kurva transkonduktansi
pada titik-titik lain, kita dapat membuktikan setiap gm sama dengan
g = g 1 -
U
U
m m0
GS
GS(off)
é
ë ê
ù
û ú
( 5 )
Persamaan ini memberikan gm pada setiap titik operasi dalam hubungan
dengan gmo pada lembar data .
Kadang-kadang , gm dinyatakan sebagai gm (transkonduktansi forward)
atau yfs (transmitansi forward) Jika kita tidak dapat mendapatkan gm pada
lembar data, cari gfs atau yfs . Sebagai contoh, lembar data dari suatu
2N5951 memberikan gfs = 6,5 mjS pada UGS = 0; ini ekivalen dengan gmo =
6,5 mS = 6500 mS.
Sebagai contoh lain, lembar data 2N 5457 mendaftar yfs = 3000 mS untuk
UGS = 0, ekivalen dengan gmo = 3000 mS .
ID
UGS
Tinggi
Rendah
gm
gm
A
B
C
D
Gambar 2.138. Arti Grafik dari Transkonduktansi
195
Harga UGS(off) Yang Teliti
Dengan kalkulus, kita dapat menurunkan rumus yang berguna berikut :
U
2I
g
GS(off)
DSS
mo
= - ( 6 )
Ini berguna karena di samping IDSS dan gmo mudah di ukur dengan
ketelitian yang tinggi UGS(off) sukar di ukur ; Persamaan ( 6 ) memberikan
jalan untuk menghitung UGS(OFF) dengan ketelitian yang tinggi. .
Resistansi Cerat AC
Resistansi rds adalah resistansi ac dari cerat ke sumber didefinisikan
sebagai
r =
U
I
ds untuk U konstan
DS
D
GS
D
D
( 7 )
Diatas tegangan pinchoff, perubahan ID kecil untuk suatu perubahan
dalam UDS karena kurvanya hampir rata ;karena itu rds mempunyai harga
yang besar ; secara tipikal antara 10 kW sampai 1 MW . Sebagai contoh,
jika suatu perubahan dalam tegangan cerat sebesar 2 V menghasilkan
perubahan dalam arus cerat sebesar 0,02 mA ,
r =
2V
0,02 mA
ds = 100 KW
Lembar data biasanya tidak mendaftar harga rds . Tetapi, mereka
memberikan spesifikasi timbalbalik, baik gos (konduktansi output) atau yos
(admitansi output) . Resistansi cerat dihubungkan dengan harga lembar
data sebagai berikut :
r =
1
g
ds
os
( 7a )
dan
r =
1
y s
ds untuk frekuensi rendah
o
( 7b )
Misalnya lembar data dari sebuah 2N 5951 memberikan gos = 75 mS .
Dengan Persamaan ( 7a ),
r =
1
g
=
1
75(10 )
ds = 13,3 K
os
-6 W
Di samping itu lembar data 2N 5457 menunjukkan yos = 50 mS. Dengan
Persamaan ( 7b ),
r =
1
y
=
1
50(10 )
ds = 20 K
os
-6 W
196
Bab yang akan datang membahas pengaruh rds pada tingkat penguatan
dari suatu JFET .
Resitansi Cerat-Sumber Dalam Keadaan On
Dalam daerah aktif , Jfet bekerja sebagai sebuah sumber arus . Tetapi
dalam daerah jenuh (tegangan cerat lebih kecil dari Up) dia bekerja
sebagai sebuah resistor . Mengapa ? Karena dalam daerah jenuh , suatu
perubahan dalam tegangan cerat menghasilkan perubahan yang
sebanding dalam arus cerat . Ini merupakan alasan daerah jenuh dari
JFET yang beroperasi dalam daerah ohmik didefinisikan sebagai
r =
U
I
ds(on)
DS
D
D
D
( 8 )
2.2.8.2. ANALISA RANGKAIAN FET
Bab ini membahas operasi DC dan AC dari FET . Setelah menurunkan
rumus-rumus untuk bias dan cerat kita bahas penggunaan dari bufer ,
penguat AGC dan chopper .
BIAS SENDIRI
Gambar 3-a menunjukkan bias sendiri , cara yang paling umum di
gunakan untuk membias JFET . Arus cer4at mengalir melalui Rp dan RS
, menghasilkan tegangan cerat sumber
UDS = UDD - ID(RD + RS ) ( 9 )
Tegangan melintasi resistansi sumber adalah
US = IDRS
Karena arus gerbang kecil sehingga dapat di abaikan , terminal gerbang
mempunyai tegangan pertanahan DC , sehingga
UG @ 0
Karena itu perbedaan potensial antara gerbang dan sumber adalah
atau
U = U - U = 0 - I R
U = - I R
GS G S D S
GS D S
( 10 )
Ini menyatakan penurunan melalui RS menghasilkan tegangan bias UGS .
Tidak ada sumber tegangan luar yang harus menggerakkan gerbang, dan
inilah sebabnya rangkaian tersebut dikenal sebagai rangkaian bias
sendiri .
Bias sendiri menstabilkan titik operasi stationer (guiescent) terhadap
perubahan dalam parameter JFET (besaran seperti IDSS,gmo dan
sebagainya). Idenya adalah sebagai berikut :
197
RD
RG VS RS
+
_
0V ID
0,5 IDSS
UGS(off) UGS(off)
4
Q
IDSS
ID
0
UGS
Gambar 2.139. Bias sendiri. (a) Rangkaian. (b) Titik Q tipikal
Misal kita mensubstitusi sebuah JFET dengan yang mempunyai harga
gmo dua kali harga gmo JFET tersebut. Maka, arus cerat dalam Gambar
4-a akan mencoba menjadi duakali . Tetapi karena arus cerat ini mengalir
melalui RS, tegangan gerbang - sumber UGS menjadi lebih negatif dan
mengurangi arus cerat yang tadinya bertambah .
Dalam Gambar 4-b tegangan gerbang sama dengan seperempat
UGS(off) menghasilkan arus cerat sebesar setengah IDSS (pendekatan).
Dengan mensubstitusikan besaran tersebut ke dalam Persamaan 10 dan
mencari harga RS kita dapatkan
R =
-U
2I
S
GS(off)
DSS
( 11 )
Dengan Persamaan ( 6 ), kita dapat menyederhanakan persamaan
tersebut menjadi persamaan yang berguna :
R ( )
g
S
mo
1
@ bias titik tengah ( 12 )
Jika harga gmo dari suatu JFET diketahui, ambil harga kebalikannya,
maka kita dapatkan resistansi sumber yang menset arus cerat sama
dengan setengah IDSS . Karena gmo selalu diberikan dengan teliti dalam
lembar data, Persamaan ( 12 ) memberikan cara yang cepat untuk
menset bias sendiri pada titik tengah dari arus cerat .
GRAFIK BIAS SENDIRI
Dengan persamaan-persamaan ( 2 ),( 6 ) dan ( 10 ), kita dapat
menurunkan hubungan antara arus cerat, transkonduktansi dan resistor
bias sumber. Gambar 5 meringkas hubungan ini . Grafik ini berlaku untuk
semua JFET . Grafik tersebut akan membantu kita menentukan titik Q
dari rangkaian terbias sendiri . Contoh-contoh berikut menunjukkan
caranya .
198
CONTOH 4
Sebuah rangkaian terbias sendiri menggunakan JFET dengan IDSS = 10
mA, RS = 100 W, dan
gmo = 3000 mS . Berapa besarnya arus cerat ?
1,0
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0,1 0,2 0,3 0,5 0,7 1 2 3 4 5 7 10
I
I
gm0 R S
D
DSS
Gambar 2.140 rangkaian terbias sendiri menggunakan JFET dengan
IDSS = 10 mA, RS = 100 W
Contohnya , jika suatu perubahan dalam tegangan cerat sebesar 100 mV
menghasilkan suatu perubahan sebesar 0,7 mA dalam daerah ohmik
r =
100 mV
0,7 mA
ds(on) = 142 W
Contoh
Sebuah JFET mempunyai IDSS = 10 mA dan gmo = 4000 mS . Hitung
UGS(off), juga hitung untuk gm pada titik tengah bias .
PENYELESAIAN
Dengan Persamaan ( 6 )
U =
2I
g
=
2 0,01
0,004
GS(off) = - 5 V
DSS
mo
´
Sekarang gunakan persamaan ( 5 ) untuk mendapatakan
g = g 1 -
U
U
= 0,004 1 -
1,25
5
3000 S
m mo
GS
GS(off)
é
ë ê
ù
û ú
æ
è ç
ö
ø ÷
= m
199
2.2.8.3. KONFIGURASI-KONFIGURASI RANGKAIAN JFET
A. Rangkaian JFET seperti yang dikemukakan dalam gambar 1
disebut rangkaian Tunggal Sumber (Common Source).
Dalam konfigurasi ini sinyal masukan (Ui) dimasukkan antara Gate dan
Source, sedangkan beban dipasang antara Drain dan Source. Jadi
skema prinsipnya seperti gambar 2. Dalam rangkaian ini perlawanan
masukan adalah takterhingga dan sinyal keluaran berselisih phasa 180o
terhadap sinyal masukan ( terjadi putaran phasa 180o )
Konfigurasi ini adalah yang paling banyak diterapkan ; dapat
ditandingkan dengan rangkaian tunggal emitor.
+12V
RD
15K
R1
2,2M
Rd
E
C1
RG
22M
R2
1,2M
RS
33K
C2
C3
Ui
Gambar 2.141 Menaikkan Perlawanan Masukan dengan menambahkan
RC
Ui
Uo
E
Rd G
S S
D
RBb
Gambar 2.142. Rangkaian Tunggal Sumber (Common Source)
B. Rangkaian Tunggal Pintu (Common Gate Configuration)
Rangkaian tunggal pintu (Common Gate Configuration) seperti terlihat
pada gambar 3. Dalam konfigurasi ini pengemudian dilakukan pada
sumber (Source), dan sinyal keluaran disadap dari Drain. Tidak terjadi
perbedaan phasa (putaran phasa). Perlawanan masukan rendah, sebab
sumber sinyal mengeluarkan arus kedalam sirkuit masukan. Dapat
200
ditandingkan dengan rangkaian Tunggal Basis. Rangkaian ini jarang
diterapkan.
E Ui Uo
Rd
G
S
D
RBb
G
Gambar 2.143. Rangkaian Tunggal Pintu (Common Gate)
C. Rangkaian Tunggal Cerat (Common Drain Configuration)
Rangkaian Tunggal Cerat (Common Drain Configuration) seperti terlihat
pada gambar 4. Dalam rangkaian ini pengemudian dilakukan pada pintu
(Gate), sedangkan keluaran disadap dari sumber(Source). Tegangan
sinyal keluaran adalah kecil dari tegangan sinyal masukan. Tidak terjadi
perbedaan phasa (putaran phasa) antara sinyal masukan dengan
keluaran, karena itu rangkaian juga disebut Pengikut Sumber (Source
Follower).Perlawanan keluarannya rendah. Dapat ditandingkan dengan
Pengikut Emitor.
E Ui Uo
Rd G
S
D
RBb
D D
Gambar 2.144. Rangkaian Tunggal Cerat (Common Drain)
201
2.2.8.4. FET SEBAGAI PENGUAT
Penguat SINYAL ANALOG
Karena level daya yang relatif kecil dan sangat tingginya tahanan
masukan maka FET itu sendiri mempunyai sifat khusus untuk TINGKAT
MASUKAN (PENGUAT DEPAN) atau PENGUAT AKHIR
PENGUAT ARUS SEARAH, PENGUAT DIFFERENSIAL
UA
RD RD
T1 T2
A1 A2
UE1 UE2
+UQ
-UQ
Gambar 2.145 Penguat Differensial
Yaitu : UA = VDM (UE1 - U); VDM » S
RD
Z
T1 dan T2 PASANGAN SELEKSI (TRANSISTOR YANG IDENTIK)
Potensial source terletak pada UGS DIATAS TEGANGAN PULSA
SEARAH.
(UE1 = UEZ)
2.2.8.5. FET SEBAGAI SAKLAR DAN MULTIVIBRATOR
D S
G
Gambar 2.146 FET sebagai saklar
202
Sifat-sifat fisis statik sesuai dengan saklar mekanik dalam pendekatan
barang (lebih baik sebagai transistor bipolar)
Saklar on FET menghantarkan, TAHANAN KECIL antara drain
dan source yang tergantung pada UGS.
Saklar off FET menutup, TAHANAN LEBIH BESAR antara drain
dan source yang tergantung pada UGS (UGS £ Up)
Karakteristik saklar (penghubung) : FET - Kanal – n
I
III
ID
Karakteristik Hantar
Karakteristik Lawan
Kwadran I :
Polaritas Normal
Kwadran III :
Polaritas Inversi
UE UA
+UA
T
-UQ
US
Gambar 2.147 Saklar analog dengan J - FET
203
MULTIVIBRATOR ASTABIL DENGAN PENUTUPAN MOSFET
RD R1 R1 RD
C C
+UQ
0
Gambar 2.148 Multivibrator astabil dengan penutupan Mosfet
MACAM-MACAM MOSFET
Untuk mempelajari sifat -sifat dasar Mosfet kita harus mengenal macammacam
Mosfet yang di bedakan menjadi 2 jenis yaitu :
1. Type Depletion Mosfet ( D Mosfet ).
2. Type Enhancement Mosfet ( E Mosfet ).
Kedua jenis Mosfet tersebut dibedakan berdasarkan cara pemberian
lapisan Substratenya . Pada Depletion Mosfet lapisan Substrate di
pasang dalam kanal tidak menyentuh oksida logam ( Si 02 ) sehingga ada
sisa kanal yang sempit .
Pada jenis kedua Enhancement Mosfet , lapisan Substrate di pasang
pada kanal langsung menembus lapisan oksida logam ( Si 02 ) sehingga
kanal tertutup sedang antara Drain dan Source terpisah oleh Substrate .
Bahan yang digunakan sebagai kanal dan Substrate sama-sama
Semikonduktor tapi type berlawanan .
2.2.8.6. BIAS MOSFET
Untuk mengoperasikan hidup (on) dan mati (off) dari sebuah Mosfet di
perlukan Bias Tegangan pada Gate dan Source ( UGS ) dan tegangan
catu antara Drain dan Source ( UDD )
Bias UGS di bedakan menjadi 2 macam
1. Bias peningkatan ( Enhancement ) Mosfet Þ UGS + ( Positif )
2. Bias pengosongan ( Depletion ) Mosfet Þ UGS - ( negatif )
204
Perhatikan gambar berikut , menjelaskan cara memberi bias pada
Mosfet
Gambar 2.149 Memberi bias pada Mosfet
2.2.8.7. D-MOSFET
Gambar 2.150 D Mosfet dengan Depletion Mode
205
D Mosfet Type N
Gambar 2.151 D Mosfet dengan Enhancement Mode
CARA KERJA D MOSFET
D Mosfet dapat dioperasikan dengan memberi Bias pada gatenya yaitu :
1. Bias Depletion ( UGS Negatif )
2. Bias Enhancement Mode ( UGS Positif )
1. D Mosfet dengan Depletion Mode
Tegangan Catu Drain dan Source ( UDS akan menyebabkan arus
mengalir dari Drain ke Source ( ID ) melalui kanal yang sempit tersebut .
Tegangan UGG yang mencatu Gate dan Source ( UGS ) akan mengontrol
lebar sempitnya kanal . Bila kanal lebar jumlah elektron yang melewati
kanal dari Source ke Drain semakin banyak dan arus listrik ID besar . Dan
sebaliknya bila kanal makin sempit jumlah elektron yang melewati akan
sedikit dan arus listrik ID semakin kecil .Jadi besar kecilnya arus Drain (ID)
akan di kendalikan oleh tegangan Gate dan Source ( UGS ) . Jika
tegangan UGS makin negatif ( mencapai UGS off ) maka arus ID semakin
kecil » 0 .Bila tegangan UGS » 0 ( Gate Source hubung singkat ) arus
Drain ID makin besar . Tegangan UGS yang menyebabkan ID» 0 di sebut
tegangan UGS cut off atau ( UGS off ) Untuk D Mosfet negatif .
206
2. D Mosfet dengan Enhancement Mode
Seperti penjelasan di atas , hanya Gate di beri tegangan positif ( + UGS )
. Bila Gate makin positif terhadap Source maka daya hantar kanal Mosfet
akan semakin besar . Hal ini menyebabkan arus Drain yang menuju
Source ( ID ) mencapai maksimum . Karena D Mosfet mempunyai arus
saat UGS » 0 maka juga di sebut Mosfet “Normal ON “ . IDSS saat UGS » 0
bukan arus Drain maksimum .
TAHANAN ISOLASI
Kita ketahu tahanan input ( Zi ) Mosfet adalah tahanan antara Gate dan
Source . Jadi Zi sangat tinggi dalam Gega ohm ( G W ), Karena antara
gate ( G ) dan Source ( S ) di sekat oleh oksida logam Si 02 , yang bersifat
isolator.
Gambar 2.152 Kurva Transkonduktansi ID - UGS
D Mosfet Chanal N
Gambar 2.153 Kurva Karakteristik Output
D Mosfet Chanal N
207
2.2.8.8. E MOSFET
Mosfet jenis Enhancement ( E Mosfet ) atau Mosfet peningkatan hanya
bekerja pada bias Enhancement Mode atau UGS + ( Positif )
Gambar 2.154 E Mosfet dengan Enhancement Mode
CARA KERJA
Bila UGS » 0 tegangan UDD akan memaksa elektron dari Source ke Drain
atau arus listrik dari Drain ke Source . Tapi karena lapisan Substrate
menutup kanal dan bermuatan positif , maka akan menahan / menyekat
arus tersebut dan menyebabkan tidak ada arus mengalir sehingga arus
Drain ID» 0 .
Bila Gate di beri tegangan positif ( UGS + ) maka pada sambungan antara
Subtsrate dan oksida logam ( Si 02 ) timbul muatan elektron ( negatif )
dan membentuk kanal N ( Umpamakan sebuah Kondensator ) .
Melebarnya kanal akan menyebabkan banyak arus listrik mengalir dari
Source ke Drain dan terjadilah arus listrik mengalir dari Drain ke Source (
ID ) . Tegangan UGS makin positif arus Drain ( ID ) semakin besar .
208
Tegangan UGS minimal yang dapat menimbulkan kanal sempit dan
memulai arus ID mengalir atau E Mosfet ON di sebut tegangan ambang (
thereshold voltage ) UT
4. DESAH MOSFET (NOISE)
Mosfet selain mempunyai tahanan masukan tinggi juga mempunyai
Noise / Desah sangat rendah bila di banding Transistor. Karena struktur
bahannya untuk kanal ( saluran ) terbuat dari satu jenis bahan
semikonduktor N atau P saja tanpa sambungan sebagai jalannya arus
Drain (ID) menuju Source.
Gambar 2.155 Struktur Bahan dan Simbol D Mosfet Chanal N
Gambar 2.156(a) Karakteristik Output D Mosfet Cahanal N
209
Gambar 2.156(b) Kurva Karakteristik Trnsfer ( Transkonduktansi ) D
mosfet Cahanal N
SIFAT MOSFET
Untuk memudahkan cara memahami sifat-sifat kelistrikan tentang mosfet
baik nanti dioperasikan dalam kondisi statis maupun dinamis , perlu kita
tinjau kembali pemahaman prinsip kerja Mosfet dengan mempelajari
macam-macam karakteristik Mosfet , dan uraian dasar penguat Mosfet
dari parameter-parameter yang dimiliki Mosfet.
IDSS
UGS(V)
-4 -3 -2 -1 0
ID=IDSS 1-UGS
UP
( 2
Pe ngosongan/Depletion Peningkatan/Enhancement
Gambar 2.157(a) Kurva Transkonduktansi
G
S
D
Gambar 2.157(b) Simbol
210
0 5 10 15
ID
IDSS
UDS(V)
UGS = -3V
UGS = -1V
UGS = 0V
UGS = 1V
Gambar 2.157(c) Karakteristik Kurva Output
IDSS
UGS(V)
0 UP
ID=IDSS 1-
UGS
UP
( 2
ID
Gambar 2.157(d) Kurva Transkonduktansi
G
S
D
Gambar 2.157(e) Simbol
211
0 5 10 15
ID
IDSS
UDS(V)
UGS = 2V
UGS = 1V
UGS = 0V
UGS = -1V
Gambar 2.157(f) Kurva Karakteristik Output
UGS(V)
0
ID(mA)
4 5 10
1,5
3
4,5
ID = K(UGS - UT)
Gambar 2.157(g) Kurva Transkonduktansi
G
S
D
Gambar 2.157(h) Simbol
212
0 5 10 15
ID
UDS(V)
UGS = 3V
UGS = 4V
UGS = 5V
UGS = 6V
Gambar 2.157(i) Kurva Karakteristik Output
UGS(V)
0
ID(mA)
- - -UT
ID = K(UGS - UT)
Gambar 2.157(j) Kurva Transkonduktansi
G
S
D
Gambar 2.157(k) Simbol
213
0 5 10 15
ID
UDS(V)
UGS = -3V
UGS = -4V
UGS = -5V
UGS = -6V
Gambar 2.157(l) Kurva Karakteristik Output
Keterangan :
Up= Tegangan pinch off , yaitu tegangan UGS yang menyebabkan arus
drain ID = 0 atau Mosfet off Þ ( Up = UGS off )
UT = Tegangan Threshold ( tegangan ambang ) pada E Mosfet , yaitu
tegangan UGS yang menyebabkan arus drain = 0 atau E Mosfet off
K = Bilangan konstanta yang besarnya tergantung dari jenis Mosfet
khusus
Pada E Mosfet . IDSS tidak berlaku untuk mencari ID karena saat UGS = O
ID = O
Nilai K rumus diatas bisa diambil pendekatan 0,3 mA / V
IDSS = Arus Drain saat UGS = O
Dasar penguat Mosfet
Istilah baru dalam parameter penguat Mosfet yang diberlakukan untuk
sinyal AC
1. gm ( Transkonduktansi )
gm =
io
Ugs
=
id
Ugs
d
d
gm =
mA
V
Þ Siemen Þ dalam tabel menjadi
mA
V
= mSmn
Uds = 0
id
Ugs
Uds =
konstan
Uds = konstan
214
2. rd ( tahanan Drain )
rd =
Uds
id
=
Uds
id
d
d
3. m ( faktor penguatan )
m
d
d
=
Uds
Ugs
=
Uds
Ugs
m = ........... tanpa satuan
Notasi arus tegangan yang diikuti indek huruf kecil pada rumus-rumus
diatas artinya adalah :
1. id : Arus drain untuk sinyal AC kecil
2. Ugs : tegangan sinyal AC kecil pada G dan S
3. Uds : tegangan sinyal AC kecil yang di bangkitkan pada D dan S
Model Penguat Mosfet
Model penguat untuk mosfet bisa dibuat dalam bermacam-macam
bentuk seperti halnya pada transistor bipolar, demikian juga sistem
pemberian bias biasanya dapat dilakukan dengan 3 cara :
1. Fixed Bias ( Bias Tetap )
2. Self Bias ( Bias Sendiri )
3. Devider Bias ( Bias Pembagi tegangan )
+UDD
RD
RG
rd
+UDD
RD
RG
rd
Self Bias Fixed Bias
Ugs = 0 Uds
id
Ugs =
konstan
Id = o
Uds
Ugs
Id = konstan
Ugs = konstan
Id = konstan
215
+UDD
RD
R1
rd
R2
Devider Bias
+UDD
RD
US
Uo
Id
US
G D
S
gm.UGS
Rd rd
Id
Uo
+
_
Analisa rangkaian
Gambar 2.158 Bias Pembagi tegangan
- Syarat analisa AC
1. Semua kondensator dianggap hubung singkat
2. catu daya dianggap hubung singkat
Penguatan Tegangan
Au =
Uo
Us
Au =
gm . Ugs . Rd'
Us
Au = gm . Rd'
Þ
+UDD
US
RS Uo
+
_
US
gm.UGS rd
RS
Uo
G D
Gambar 2.159 Pengutan Tegangan
Uo = id . Rd’
Rd’ = Rd//rd
id = gm . UGS
Us = UGS
216
Penguatan tegangan
Au =
Uo
Us + Uo
Au =
gm . U . RS
gm . U . RS + U
Au =
gm . U . RS
gm . U RS + U
Au = 1
GS
GS GS
GS
GS GS
Þ
UGS
UGG
+UDD
Uo
S D
G_
+
RD
UGS
S D
G
gm.UGS
RD Uo
+
_
Common Gate Pengganti AC
Gambar 2.160 Pengautan tegangan
Penguatan tegangan
Au =
Uo
U
=
gm . RD . U
U
Au = gm . RD
GS
GS
GS
TITIK KERJA
Ttitik kerja penguat dengan mosfet bisa diset atau diatur seperti halnya
transistor . Yaitu dengan cara mengatur bias tegangan UGS. Perlu
diketahui bahwa mosfet juga memiliki sifat-sifat kelistrikan yang sama
yang dialami transistor bipolar , yaitu sifat jenuh dan cut off ( Secara
Otomatis )
Mosfet jenuh : bila ID maksimum dan UDS » nol
Mosfet Cut off : bila UDS maksimum dan ID » nol.
Us = UGS
is = gm . Ugs
Uo = is . RS
217
Kedua sifat tersebut dalam mosfet dikendalikan oleh tegangan UGS.
Posisi titik jenuh dan cut off akan menentukan kemiringan dari garis
beban DC.
Titik kerja penguat ( titik Q ) akan berayun di sepanjang garis beban DC
tersebut . Bila posisi titik kerja penguat ( titik Q ) ditengah garis beban DC
disebut penguat kelas A.
Bila titik kerja ( titik Q ) mendekati titik cut off disebut kelas B. Bila titik
kerja Q dititik cut off disebut kelas C.
Untuk penguat kelas B dan kelas C pengendalian hidup matinya sistem
dikendalikan oleh sinyal AC yang tegangannya relatif besar pada
masukan Gatenya.
Jadi pada saat Gate tidak ada sinyal AC , maka mosfet off. Dan pada
saat Gate mendapat sinyal AC yang level tegangannya besar , maka
mosfet ON. kedua sistem penguat kelas B dan C biasanya untuk penguat
daya. Penguat kelas A , baik digunakan untuk penguat sinyal kecil yang
mempunyai kesetiaan tinggi.
Perlu diketahui kehandalan Mosfet di banding Transistor Bipolar adalah ,
transfer sinyal input ke out put melalui proses efek medan , dan bukan
hubungan langsung seperti transistor. Arus Gate sangat kecil ( » o ).
karena ada oksida logam SO2 sebagai isolator antara Gate dan Source /
Drain. Jadi karena arus masukan sangat kecil maka noisenya rendah.
Kelemahannya Mosfet adalah faktor kesulitan tinggi. Karena efek medan
sangat luas tidak dibatasi oleh tegangan Gate dalam batas kritis ,
sehingga mosfet satu dengan lainnya yang typenya sama , mungkin
hasilnya tidak sama.
+UDD 20V
RD
Uo
Ui
2V UG
RG
G
S
D
UGS
+_
Gambar 2.161 D Mosfet Dengan Fixed Bias
218
0
2
4
6
8
5 10 15 20
ID
UDS
UGS = 0
UGS = 1
UGS = 2
UGS = 3
UGS = 4
Gambar 2.162 Titik Kerja Q Penguat
Cara menentukan Titik Kerja
- Tegangan UDD memberi tegangan UDS dan arus ID
- Tegangan UG memberi tegangan pada UGS
- Berdasarkan hukum Kirchof
UDD = ID . RD + UDS
- Mencari harga ID mak Þ UDS dianggap » 0 ( Mosfet Jenuh )
ID mak = U
RD
DD Þ ID mak = 8 mA
- Mencari UDS mak Þ ID dianggap » 0 ( Mosfet cut off )
UDS mak » UDD Þ Uds mak = 20 V
- Antara ID mak dan UDS mak » UDD , di tarik garis lurus. garis ini
sebagai garis beban DC
- Tahanan masukan Mosfet ( Ri ) sangat tinggi , maka arus Gate Ig = 0.
Drop tegangan pada RG URG = 0. Jadi UGS = UG - URG = UG = 2V. Titik
pada garis beban terletak pada UGS = 2 V = UGS Q
- UGSQ dan IDQ = bisa ditarik garis lurus pada sumber UDS dan ID
terhadap titik Q
Bisa juga di hitung dengan persamaan
UDSQ = UDD - IDQ . RD
IDQ = IDSS ( 1 - UGS/Up ) 2
IDSS dan Up untuk setiap Mosfet bisa di lihat dalam tabel data
219
MOSFET KONSTRUKSI KHUSUS
Disebut Mosfet konstruksi khusus karena Mosfet jenis ini susunan
bahannya dibuat dalam bentuk khusus , tidak seperti Mosfet biasanya
Adapun yang termasuk dalam Mosfet Konstruksi khusus adalah :
1. Mosfet Gerbang Ganda ( Dual Gate Mosfet )
2. V Mosfet
3. SIP Mosfet
Mosfet Gerbang Ganda ( Dual Gate Mosfet )
Mosfet gerbang ganda adalah mempunyai bentuk khusus yaitu
mempunyai dua jalur aliran arus . Setiap kanal saluran arus dapat melalui
sebuah gate dan tidak tergantung satu sama lain .
Gambar di bawah ini menunjukkan sebuah susunan dan simbol Mosfet
gerbang ganda ( 2 gerbang ) dari type chanal N. Empat sambungan pada
Mosfet bentuk khusus juga disebut Tetrode Mosfet.
Gambar 2.163 Susunan bahan
Gambar 2.164 Simbol Mosfet 2 Gerbang
Saluran arus G1 melalui kanal 1 , G2 melalui kanal 2, dengan arus drain (
ID ) tidak tergantung dari dua macam tegangan gate UGS1 dan UGS2.
Pada gambar 2 diperlihatkan karakteristik Mosfet dua gerbang Arus Drain
( ID ) fungsi dari UGS1 dan UGS2.
220
Gambar 2.165 Grafik Karakteristik ID Fungsi UGS1 dan UGS2
Kelanjutan karakteristik yang penting diperlihatkan pada kondisi forward
SG1 , Y12 untuk gate 1 fungsi tegangan pengendali pada gate 2 ( UGS2 )
Gambar 2.166 Karakteristik Forward
Diatas diperlihatkan bahwa mosfet dua gate dirangkai sebagai
penguat dan faktor penguatan terbatas.
Pada gate G1 didapatkan suatu contoh penguat akhir, sinyal diberikan
pada G2 dimana didapat pengaturan tegangan G2. Melalui karakteristik
Mosfet dapat dilakukan pengatur penguatan.
Mosfet dua gerbang dapat juga digunakan sebagai Mixer pada
penerima FM dan televisi , dimana pada kedua gate tegangan sinyal
diberikan dengan bermacam-macam frekuensi. Dengan demikian melalui
pengendalian ganda “ MIXING “ dapat dicampurkan dua buah frekuensi
dengan batasan yang ditentukan. Didalamnya terdapat tambahan
rangkaian dua buah Zener diode yang dirangkai anti paralel pada setiap
gatenya . Dalam hal ini gangguan statis dapat diperbaiki.
221
Karena melalui zener diode pada elektrode Souce dan Substrate
dapat dipengaruhi. Gambar dibawah memperlihatkan rangkaian
pengganti Mosfet gerbang ganda ( Dual gate ) type BF 961.
Gambar 2.167 Rangkaian Pengganti Mosfet Dua Gerbang Type BF
961
V Mosfet
Dengan field efek transistor ( FET ) kita hanya dapat penguatan
dengan daya kecil . Panjang kanal relatif kira-kira ± 5 mm dengan tahanan
1KW - 10 KW.
Dengan pengembangan teknik di mungkinkan pada FET ditempatkan
sebuah lapisan Horizontal juga pada bagian struktur vertikal. Dengan
demikian diberikan transformasi arus dan tegangan yang tinggi yang
disesuaikan dengan besar penguatan daya . gambar 5 dibawah
menunjukkan sebuah V Mosfet kanal N dan simbolnya.
Gambar 2.168 Susunan Bahan V Mosfet Enhancemen Kanal N
Gambar 2.169 Simbol E Mosfet
222
Disebut V Mosfet karena struktur bahan membentuk huruf V melalui
bentuk V ( 1,5 mm ) dapat di transformasi tahanan 1-5 W pada sebuah
plat semikonduktor V Mosfet di pasang lebih banyak elemen
berbentuk V Mosfet secara paralel, sehingga didapatkan pengukuran
arus yang tinggi, dan penguatan daya pada V mosfet yang lebih
tinggi.
V Mosfet dapat mentransformasikan arus sampai 10 Amper dan
tegangan Drain Source ( UDS ) sampai 100 Volt.
Meskipun demikian terdapat saklar waktu didalam daerah nano detik (
ns ) . Pada gambar diperlihatkan karakteristik sebuah Mosfet dan
output. Karakteristik tersebut memiliki kemiripan seperti Mosfet Kanal
N
Pada V Mosfet Arus Drain ( ID ) semakin besar
Gambar 2.170 Kurva Transkonduktansi V Mosfet
Gambar 2.171 Karakteristik Output V Mosfet
223
V Mosfet dapat dipergunakan sebagai penguat atau sebagai saklar
pada daerah dengan daya kecil.
Tahanan masukan RGS terdapat pada lapisan isolasi sebesar 1012W.
Dengan demikian sangat dimungkinkan V Mosfet menghasilkan
penguatan tegangan yang besar.
SIP Mosfet
Nama SIP Mosfet singkatan dari Siemen Power Mosfet. Disini juga
dikenal Mosfet dengan daya tinggi. Pada gambar dibawah ini
diperlihatkan sebuah simbol dan susunan lapisan sebuah.SIP Mosfet.
Gambar 2.172 Struktur Bahan SIP Mosfet
Susunan lapisan SIP Mosfet dibuat dalam lapisan horizontal . pada ohm
yang rendah kristal N+ didapakan sebuah lapisan N. Pada permukaan
atas lapisan N+ disusun Source didalam lapisan P.
Sebuah isolasi Quarz ( Kristal ) dibangun elektrode gate diantara
permukaan atas Source.
Dengan demikian terdapat sebuah lapisan SIP Mosfet dari banyak
elemen MOS yang dirangkaiakan secara paralel sehingga kerugian daya
yang tinggi dapat ditiadakan.
Pada SIP Mosfet terdapat lapisan FET , untuk mengendalikan
karakteristik outputnya . Contoh untuk BUZ 23.
224
Gambar 2.173 Karakteristik Transkonduktansi BUZ 23
Gambar 2.174 Karakteristik Outputnya BUZ 23
SIP Mosfet mempunyai masukan yang tinggi , tetapi penstransformasian
tahanan didalam pengendalian yang besar hanya bervariasi dari mili ohm
sampai ohm. ( waktu hubung ) didalam pengaturan yang besar dalam
beberapa nano detik ( ns ) dan tidak ada dua buah penstransferan seperti
transistor bipolar , karena transformasi tahanan kanal mempunyai harga
temperatur positif.
225
SIP Mosfet dipergunakan sebagai saklar Daya yang cepat dan
mempunyai keuntungan pengendalian daya tidak seperti pada transistor .
Disini diperlihatkan ketergantungan temperatur terhadap rugi daya untuk
SIP Mosfet.
Jika Mosfet temperatur naik , daya ohm turun sehingga Mosfet tidak mati
dan bila temperatur sudah normal daya bisa naik lagi.
Gambar 2.175 Kurva daya Fungsi temperatur SIP Mosfet BUZ
2.2.9. UNI JUNCTION TRANSISTOR
Unijunction Transistor (UJT) merupakan sebuah Komponen
semikonduktor yang terdiri atas hubungan PN. Type P dihubungkan
dengan emiter sedangkan Type N membentuk Base B1 dan B2.
Komponen ini dikenal dengan nama “Dioda dua Basis”. Bahan dasar
terbuat dari silikon. Gambar a menunjukkan susunan dasar UJT.
Kira-kira ditengah batang silikon (material Type N) terdapatlah meterial P
ini akan bekerja sebagai emiter E, jadi terdapatlah junction PN pada
batangan tersebut.
226
P N
B1
E
B2 B2
RB2
RB1
E
D
B1
B2
B1
E
Gambar 2.176 Simbol UJT
2.2.9.1. SIFAT DASAR UJT
Transistor ini dapat dipandang sebagai suatu pembagi tegangan yang
terdiri dari dua buah tahanan yang berderet yaitu RB1 dan RB2 (lihat
Gambar.). Adapun pertemuan PN bekerja sebagai Dioda. (lihat pelajaran
yang lalu). Dioda akan menghantar / Konduksi bila diberi tegangan bias
maju (Forward Bias), sebaliknya Dioda tidak akan menghantar bila diberi
tegangan bias mundur (Reverse Bias).
Prinsip Kerja UJT
Prinsip kerja UJT tak ubahnya sebagai saklar Input dari jenis Transistor,
ini diambil dari Emitor yang mempunyai tahanan dan tahanan ini dengan
cepat menurun nilaianya jika tegangan Input naik sampai level tertentu.
227
E=1V
+
_
RE
UEB1
A K
ICD
_ +
RB1
B1
B2
RB2
U1
IB2
UB1,B2 = 9V
Gambar 2.177 Rangkaian ekuivalen UJT
Cara Kerja UJT
1. Perhatikan Gambar, antara terminal-terminal B1
-B2 kita beri
tegangan UB1 B2 = 9 Volt. Maka terjadilah pembagian tegangan
antara RB1 dan RB2, Dioda tidak bekerja.
2. Mula-mula tegangan catu pada Emiter sama dengan nol, maka
Dioda Emiter berada dalam keadaan Reverse bias. Bila tegangan
ini diperbesar maka UE akan ikut bertambah besar,tetapi Emiter
tetap tidak akan menghantar sebelum UE>U1 + UK. UK = Knee
Voltage dari Dioda tersebut.
3. Setelah UE>U1+ UK, maka Dioda dalam keadaan Forward bias dan
dia mulai menghantar. Oleh karena daerah P mendapat doping
yang berat sedangkan daerah N didoping ringan, maka pada saat
forward bias banyak hole dari daerah P ini yang tidak dapat
berkombinasi dengan elektron bebas dari daerah N.
4. Hole-hole tersebut akan merupakan suatu pembawa muatan positip
pada daerah basis 1 (B1). hal ini menyebabkan tahanan RB1 pada
daerah basis turun hingga mencapai suatu harga yang kecil sekali,
sehingga dapat dikatakan antara Emiter dan basis 1 (B1) terjadi
hubung singkat
5. Dari sini jelas bahwa dioda Emitor pada UJT berfungsi sebagai
saklar dan saklar ini akan tetap tinggal tertutup selama arus Emitor
masih lebih besar dari suatu harga tertentu yang disebut “Valley
Curent”.
228
Sifat Listrik Pada UJT
Kurva sifat listrik UJT
1. Perhatikan gambar 1, kalau IE naik, maka tegangan antara
emitor -B1 turun.
2. Di titik puncak Up dan titik lembah (Valley point) Uv, lengkung
karakteristik mempunyai kelandaian (slope) = 0. Artinya dititiktitik
itu lengkung tidak naik,juga tidak turun.
3. Dalam daerah dikiri Up, tidak mengalir arus emitor IE, sebab
antara emitor dan basis 1 ada tegangan muka terbalik (reverse
bias).
Daerah dikiri Up itu dinamai Up sumbat.
I
U
I
U
U U
I(
I mA)
U
CO 50
P
P
E
B1 B2 = 9V E(Jenuh)
v
titik
puncak
(volt)
V
E
titik lembah
Gambar 2.178 Kurva sifat listrik UJT
4. Dalam daerah dikanan Up ada arus emitor,sebab antara emitor
dan basis 1 ada tegangan muka maju (forward bias).
5. Diantara titik-titik Up dan Uv maka kenaikan arus IE
menyebabkan turunnya tegangan UE. Ini berarti bahwa dalam
daerah ini terdapat perlawanan negatif (tahanan negatif).
6. Setelah melampaui titik lembah Uv, maka kenaikan IE dibarengi
dengan kenaikan UE
. Daerah ini dinamai daerah
jenuh.(saturation region)
7. Ternyata bahwa Up ditentukan oleh :
a. Tegangan antara B1 - B2 (= UB1 B2) dan
b. Tegangan muka maju (forward bias) diantara emitor dan basis
B1 atau tegangan pada dioda.
229
Adapun UD berbanding terbalik dengan suhu. Kalau suhu naik UD turun.
(UD = Tegangan muka maju antara E - B1 )
Tegangan bentuk gigi gergaji dapat diperoleh, kalau suatu kondensator
secara bergantian mengisi dan membuang muatan (lihat Gbr. 1a).
Mula-mula sakelar S kita taruh pada posisi 1. maka kondensator C
dimuati tegangan dari batery melalui R. Secara berangsur tegangan pada
C naik. Kecepatan kenaikan tegangan ini ditetapkan pada saat tegangan
mencapai harga P, sakelar kita pindahkan ke posisi 2,maka C dihubung
singkat,dan seketika membuang muatan. Tegangan Uc pun jatuh ke nol.
Jika sakelar S secara bergantian dipindahkan dari 1 ke 2 dalam irama
tertentu,maka pada kondensator terjangkit tegangan bentuk gigi gergaji.
Tinggi tegangan (amplitudo) ditentukan oleh besarnya R.
Gambar 2.179 Pengisian kondensator
Gambar 2.180 Asas penjangkitan tegangan gigi gergaji pada
kondensator
230
2.2.9.2. PRINSIP KERJA UJT SEBAGAI OSCILATOR
Mula-mula pada C tidak ada muatan (Uc = 0).
Tegangan ini adalah tegangan UE yang diberikan kepada emitor. Maka
antara emitor E dan basis B1 ada perlawanan yang tinggi, sebab
dikatakan ada potensial positip. Potensial pada katoda ini ditentukan oleh
perbandingan antara P2-RB-RA (yang ada didalam transistor) dan R.
Tegangan di C (Uc) naik dengan kecepatan yang ditentukan oleh
konstanta waktu P1 dengan C. Maka tegangan pada E menjadi positip.
Jika tegangan Uc mencapai harga UpUJT (UE = Uc ³ Up) maka UJT akan
menghantar, dan turunlah perlawanan antara Emitor E dan Basis
1.Penurunan perlawanan (tahanan) RE-B1 menghubung singkat C
(kondensator membuang muatan).
Bila tegangan C (Uc = UE) turun hingga mencapai ± 2V, maka UJT
menyumbat lagi (sakelar S terbuka), pada kondisi ini C pun akan kembali
mengisi muatan.
Demikian kejadian ini terjadi berulang-ulang.
B2
B1
C
R
P1 P2
UR
UC
+
_
Gambar 2.181 Rangkaian UJT sebagai osilator
231
UC
UR
0
0 t
t
Gambar 2.182 Denyut tegangan selama C membuang muatan
Bentuk tegangan pada kondensator dan
Arus buang muatan(pengosongan)kondensator membangkitkan
tegangan denyut pada R.
Perubahan tahanan pada basis 2 diatur dengan potensiometer P2. P2
mengatur amplitudo gigi gergaji, sebab dengan P2 kita menetapkan
tingginya amplitudo Up, makin besar P2, makin tinggi pula tegangan
katoda, sehingga diperlukan tegangan UE yang lebih tinggi untuk
menjadikan dioda menghantar.
R berguna untuk mengatasi arus pengosongan dari C supaya dioda tidak
rusak. Besarnya frekuensi ditentukan oleh konstanta waktu P1 - C dan
juga oleh karakteristik UJT. Makin besar P1,makin rendah pula
frekuensinya. Selama C membuang muatan, maka arus yang lewat R
akan menimbulkan tegangan bentuk denyut (pulsa).
2.2.10. DIODA AC
DIACS adalah salah satu jenis dari bidirectional thyristor . Rangkaian
ekuivalen DIACS adalah merupakan dua buah dioda empat lapis yang
disusun berlawanan arah dan dapat dianggap sebagai susunan dua buah
latch.
DIACS singkatan dari Diode Alternating Current Switch. Namun
secara umum DIACS hanya disebut dengan DIAC, komponen ini paling
sering digunakan untuk menyulut TRIAC.
232
P
N
N
P
N
N
P
P
D1
D2
Gambar 2.183 Konstruksi Pembentukan DIAC
DIACS yang tersusun dari 2 buah dioda empat lapis dengan bahan
silicon memungkinkan bekerja pada tegangan tinggi dan arus yang
sebatas kemampuannya . Namun DIACS perlu mendapat perhatian
khusus karena setelah mencapai tegangan UBRF tertentu, kemudian
tegangan dengan sendirinya turun tapi arus IF tiba-tiba naik secara tajam.
Untuk itu rangkaian DIACS memerlukan R seri sebagai pembatas arus.
Dan karena konstruksinya yang kalau kita lihat dari simbol terdiri dari 2
dioda yang tersambung secara anti paralel, maka DIACS dapat
dipergunakan pada rangkaian AC.
P
P
N
N
N
Gambar 2.184 DIACS yang tersusun dari 2 buah dioda empat lapis
Semua alat-alat yang dikeluarkan pabrik pasti mempunyai harga
batas . Begitu pula DIACS , komponen ini mempunyai beberapa harga
batas. Harga batas ini di keluarkan oleh pabrik pembuat komponen
melalui pengukuran yang teliti di laboratorium dengan suhu udara tertentu
, sehingga dalam tabel yang dikeluarkan pabrik selalu mencamtumkan
suhu saat pengukuran.
Data harga batas ini sangatlah penting bagi pemakai dalam
merencanakan sebuah rangkaian elektronika yang handal . Untuk
mencari harga batas tersebut , anda dapat mencarinya dalam tabel /
kurva di bawah ini
233
UF
IF
IF=10mA
I(BR)F
I(BR)R UF U(BR)F
UF
IR=10mA
UR
UR
U(BR)R UR
IR
I
III IV
II
IDF
IDR
Gambar 2.185 Kurva Karakteristik DIACS
Dari kurva diats dapat kita lihat :
U ( BR )F artinya tegangan patah simetris arah maju
U ( BR )R artinya tegangan patah simetris arah mundur
I ( BR )F artinya arus patah arah maju
I ( BR )R artinya arus patah arah mundur
Berikut ini adalah tabel DIACS A 9903
min 25,4 6,6 min 25,4
2 ,2
O 0,5
Ptot 150 mW
Imax 1 A
JS -50oC sampai 150oC
UBR 32 ± 4V
IBRF, IBRR 0,4 mA typ
1,0 mA max
234
DU 8 V typ
6 V min
aUBR 0,1 % / oC
Dari tabel diatas dapat mengambil besaran angka untuk :
1. Ptot
2. Imax
3. UBR
4. IBRF , IBRR
Aplikasi DIACS
Rangkaian Penyulut dengan DIACS (sebagai komponen utama)
R1 10K
R2 500K
DIACS
C 100nF
BR100
RL 20W
U
220V/50Hz
Gambar 2.186 Rangkaian Penyulut dengan DIACS
Skema Rangkaian Fase Kontrol yang sesuai untuk Dimmer Lamp;
Kontrol Panas dan Kontrol Kecepatan Motor. (DIACS sebagai komponen
pendukung).
12 0V AC
60 Hz
S-1
Beba n 100 mH
C1
100 nF
200V
R1 1K / 0,5 W
100K
R3
7K5 / 0,5W
C2
100 nF
200V C2
100nF
100V
40583
40485
L 1
Gambar 2.187 Skema Rangkaian Fase Kontrol
235
2.2.11. OPERASIONAL AMPLIFIER
2.2.11.1. PENGENALAN OP-AMP
2.2.11.1.1. PENGERTIAN UMUM
Penguat operasi (“operational amplifier”) atau sering disingkat dengan
OP-AMP merupakan komponen-komponen linier yang terdiri atas
beberapa komponen diskrit yang terintegrasi dalam bentuk “chip” (IC:
Integrated Circuits). OP-AMP biasanya mempunyai dua buah input, yaitu
input pembalik (inverting input) dan input bukan pembalik (non-inverting
input), serta satu buah output.
Lebih jelasnya dapat dilihat pada gambar simbol OP-AMP berikut ini:
Gambar 2.188 Simbol OP-AMP
Input OP-AMP bisa berupa tegangan searah maupun tegangan bolakbalik.
Sedangkan output OP-AMP tergantung input yang diberikan. Jika
input OP-AMP diberi tegangan searah dengan input “non-inverting” (+)
lebih besar daripada input inverting (-), maka output OP-AMP akan positif
(+). Sebaliknya, jika input “noninverting” (+) lebih kecil daripada input
“inverting” (-), maka output OP-AMP akan negatif (-).
Jika input OP-AMP diberi tegangan bolak-balik dengan input
“noninverting” (+), maka output OP-AMP akan sefase dengan inputnya
tersebut. Sebaliknya jika input “inverting” (-) diberi sinyal/tegangan bolakbalik
sinus, maka output OP-AMP akan berbalik fase terhadap inputnya.
Dalam kondisi terbuka (open) besarnya tegangan output (Uo) adalah:
Uo = AoL (Ui1 – Ui2) (1.1)
Keterangan: Uo = Tegangan output
AoL = Penguatan “ open loop “
Ui1 = Tegangan input Non Inverting
Ui2 =Tegangan input Inverting
(Ui 2)
Inverting Input
(Ui 1)
Non Inverting Input
Uo
Output
236
2.2.11.1.1.1. Parameter OP-AMP
Pada keadaan ideal OP-AMP mempunyai sifat- sifat yang penting, yaitu:
1. Open loop voltage gain (AoL).
Penguatan tegangan pada keadaan terbuka (open loop voltage gain)
untuk frekuensi rendah adalah sangat besar sekitar 100.000 atau
sekitar 100 dB.
2. Input impedance (Zin)
Impedansi input pada kedua terminal input kondisi “open loop” tinggi
sekali, sekitar 1 M? untuk OP-AMP yang dibuat dari FET, impedansi
inputnya sekitar 10 6 M? lebih.
3. Output impedance (Zo)
Impedansi output pada kondisi “open loop” rendah sekali, sekitar
100? lebih kecil.
4. Input bias current (Ib)
Kebanyakan OP-AMP pada bagian inputnya menggunakan transistor
bipolar, maka arus bias pada inputnya kecil. Level amplitudonya tidak
lebih dari mikroampere.
5. Supply voltage range (Us)
Tegangan sumber untuk OP-AMP mempunyai range minimum dan
maksimum, yaitu untuk OP-AMP yang banyak beredar di lapangan/di
pasaran sekitar ? 3 V sampai ? 15 V.
6. Input voltage range (Ui max)
Range tegangan input maksimum sekitar 1 volt atau 2 volt atau lebih di
bawah tegangan sumber Us.
7. Output voltage range (Uo max)
Tegangan output maksimum mempunyai range antara 1 volt atau 2 volt
lebih di bawahnya tegangan sumber (supply voltage) Us. Tegangan
output ini biasanya tergantung tegangan saturasi OP-AMP.
8. Differential input offset voltage (Uio)
Pada kondisi ideal output akan sama dengan nol bila kedua terminal
inputnya di-ground-kan. Namun kenyataannya semua peranti OP-AMP
tidak ada yang sempurna, dan biasanya terjadi ketidakseimbangan
pada kedua terminal inputnya sekitar beberapa milivolt. Tetapi jika
input ini dibiarkan untuk dikuatkan dengan OP-AMP dengan model
“closed loop”, maka tegangan output bisa melebihi saturasinya. Karena
itu, biasanya setiap OP-AMP pada bagian luar dilengkapi dengan
rangkaian offset tegangan nol (zero offset voltage).
9. Common mode rejection ratio (CMRR)
Secara ideal OP-AMP menghasilkan output yang proporsional
dengan/terhadap beda kedua terminal input, dan menghasilkan output
sama dengan nol jika sinyal kedua input simultan yang biasa disebut
“Common mode”. Secara praktik sinyal “Common mode” tidak
diberikan pada inputnya dan dikeluarkan pada outputnya.
237
Sinyal CMRR (Common Mode Rejection Ratio) selalu diekspresikan
dengan rasio dari penguatan sinyal beda OP-AMP dengan harga
sebesar 90 dB.
10. Transition frequency (fT)
Secara umum OP-AMP pada frekuensi rendah mempunyai penguatan
tegangan sekitar 100 dB. Kebanyakan OP-AMP mempunyai frekuensi
transisi fT setiap 1 MHz dan penguatan pada harga sebesar 90 dB.
Gambar 2.189 Frekuensi Respon OP-AMP
11. Slew rate (s)
Untuk penormalan batas lebar band (bandwidth limitations) yang juga
biasa disebut “slew rate limiting”, yaitu suatu efek untuk membatasi rate
maksimum dari perubahan tegangan output peranti OP-AMP. Normalnya
“slew rate” volt per mikrodetik (V/? S), dan range-nya sebesar 1 V/? S
sampai 10 V/? S pada OP-AMP yang sudah populer. Efek lain dari “slew
rate” adalah membuat “bandwidth” lebih besar untuk sinyal output yang
rendah daripada sinyal output yang besar.
2.2.11.1.1.2. Karakteristik OP-AMP
Dari parameter-parameter penting yang dipunyai OP-AMP,
karakteristiknya tidak jauh berbeda dengan parameternya.
Besarnya level magnitude dari tegangan beda pada input yang absolut
kecil akan mempengaruhi perubahan level tegangan output. Jelasnya,
238
jika referensi tegangan yang digunakan = 1 volt, hanya diperlukan hanya
sekitar 200 ? V untuk membuat output dari saturasi level negatif ke level
positif. Perubahan ini disebabkan oleh sebuah pergeseran dari hanya
0,02 % pada sinyal 1 volt input. Rangkaian ini yang menyebabkan
fungsinya menjadi fungsi komparator tegangan yang presisi atau detektor
seimbang (balance detector).
Gambar 2.190 Karakteristik Transfer Rangkaian Komparator Tegangan
Beda
’
2.2.11.1.2. SEJARAH PERKEMBANGAN OP-AMP
Pengembangan rangkaian terpadu IC luar telah ada sejak tahun 1960,
pertama telah dikembangkan pada “chip” silikon tunggal. Rangkaian
terpadu itu merupakan susunan antara transistor, diode sebagai penguat
beda, dan pasangan Darlington.
Kemudian tahun 1963 industri semikonduktor Fairchild memperkenalkan
IC OP-AMP pertama kali ? A 702, yang mana merupakan pengembangan
IC OP-AMP yang lain sebelumnya, di mana tegangan sumber (catu daya)
dibuat tidak sama, yaitu +Ucc = +12 V dan -UEE = -6 V, dan resistor
inputnya rendah sekali yaitu (40 K? ) dan gain tegangan (3600 V/V). IC
tipe ? A702 ini tidak direspon oleh industri- industri lain karena tidak
universal.
Tahun 1965 Fairchild memperkenalkan IC MA709 merupakan kelanjutan
sebagai tandingan dari ? A702. Dengan banyak kekhususan tipe ? A709
mempunyai tegangan sumber yang simetris, yaitu +UCC = 15 V dan –
UEE = -15 V,resistan input yang lebih tinggi (400 K? ) dan gain tegangan
- +
EE
239
yan lebih tinggi pula (45.000 V/v). IC ? A709 merupakan IC linier pertama
yang cukup baik saat itu dan tidak dilupakan dalam sejarah dan
merupakan generasi OP-AMP yang pertama kali. Generasi yang
pertama OP-AMP dari Motorola yaitu MC1537.
Beberapa hal kekurangan OP-AMP generasi pertama, yaitu:
Tidak adanya proteksi hubung singkat. Karena OP-AMP sangat rawan
terhadap hubung singkat ke ground, maka seharusnya proteksi ini
penting.
Suatu kemungkinan problem “latch up”. Tegangan output dapat di-“latch
up” sampai pada beberapa harga yang karena kesalahan dari perubahan
inputnya.
Memerlukan jaringan frekuensi eksternal sebagai kompensasi (dua
kapasitor dan resistor) untuk operasi yang stabil.
Selanjutnya tahun 1968 teknologi OP-AMP dikembangkan oleh Fairchild
dengan IC ? A741 yang telah dilengkapi proteksi hubung singkat, stabil,
resistor input yang lebih tinggi (2 M? ), gain tegangan yang ekstrim
(200.000 V/V) dan kemampuan offset null (zerro offset). OP-AMP 741
termasuk generasi kedua dan IC yang lain juga termasuk OP-AMP
generasi kedua, yaitu LM101, LM307, ? A748, dan MC1558 merupakan
OP-AMP yang berfungsi secara umum sebagaimana LM307.
Untuk tipe-tipe OP-AMP yang khusus seperti mengalami peningkatan dari
segi kegunaan atau fungsinya seperti: LM318 (dengan kecepatan tinggi
sekitar 15 MHz). Lebar band kecil dengan “slew rate” 50 V/? S. IC ? A 771
merupakan OP-AMP dengan input bias arus yang rendah, yaitu 200 pA
dan “slew rate” yang tinggi 13 V/? S. Lalu ? A714 yaitu IC OP-AMP yang
presisi dengan noise rendah (1,3 ? A/10C), offset tegangan yang rendah
(75 ? V), offset arus yang rendah (2,8 nA).
Tipe IC OP-AMP lain, yaitu ? A791 merupakan OP-AMP sebagai penguat
daya (power amplifier) dengan kemampuan arus output 1A. Dan IC OPAMP
? A776 adalah OP-AMP yang multiguna bisa diprogram. Generasigenerasi
yang akhir inilah yang banyak dijumpai dalam pameranpameran
untuk pemakaian-pemakaian khusus.
IC linier dalam pengembangannya tidak cukup hanya di situ saja bahkan
sudah dibuat blok-blok sesuai keperluan seperti untuk keperluan
konsumen (audio, radio, dan TV), termasuk keperluan industri seperti
(timer, regulator, dan lain-lainnya). Bahkan belakangan ini dikembangkan
OP-AMP dengan teknologi BI-FET dan “laser trimming”. Karena dengan
teknologi BI-FET lebar band bisa ditekan dan “slew rate” cepat, bersama
ini pula bias arus rendah dan offset input arus rendah. Contoh tipe OPAMP
BI–FET LF351, dan LF353 dengan input bias (200 pA) dan offset
240
arus (100 pA), bandwidth gain unity yang besar (4 MHz), dan “slew rate”
yang cepat (13 V/MS) dan ditambah lagi pin kaki-kakinya sama dengan
IC ? A741 (yang ganda) dan IC MC1458).
Industri Motorola melanjutkan pengembangan OP-AMP dengan teknologi
“trimming dan BI-FET” (disingkat TRIMFET) untuk memperoleh
kepresisian karakteristik input dengan harga yang rendah. Contoh
MC34001/MC34002/MC34004 masing-masing adalah OP-AMP tunggal,
ganda, dan berjumlah empat (guard).
2.2.11.1.3. JENIS OP-AMP DAN BENTUK KEMASANNYA
IC (Integrated Circuit) dibedakan ke dalam “Digital” dan “Analog”. IC
Analog biasanya termasuk bagian IC linier. IC ini merupakan rangkaian
integrasi kumpulan dari beberapa komponen aktif diskrit seperti
transistor, diode, atau FET dan lain-lainnya serta komponen pasif seperti
resistor, kapasitor, dan lain-lainnya.
IC linier biasanya digunakan sebagai penguat, filter, pengali frekuensi
(frequency multiplier) serta modulator yang biasanya memerlukan
komponen dari luar agar sempurna seperti kapasitor, resistor, dan lainlainnya.
Mayoritas IC linier adalah OP-AMP, yang biasanya digunakan
sebagai penguat, filter aktif, integrator, dan diferensiator serta untuk
aplikasi-aplikasi lainnya.
Sedangkan OP-AMP yang untuk keperluan rangkaian khusus seperti
aplikasi komparator, regulator tegangan suplai, dan fungsi-fungsi khusus
yang lainnya termasuk penguat daya besar.
Beberapa fungsi IC linier yang umum dan khusus akan diberikan lengkap
beserta contohnya, termasuk kode produksi sampai ke bentuk model
kemasannya.
2.2.11.1.3.1. Jenis IC Linier Berdasarkan Fungsi dan Fabrikasi
IC linier atau analog yang fungsi umumnya digunakan pada rangkaianrangkaian
integrator, diferensiator, penguat penjumlah (summing
amplifier) atau yang lainnya. Contoh IC yang umum adalah LM/? A741
atau tipe 351.
Di sisi lain untuk IC linier yang khusus (spesial) biasanya hanya
digunakan pada aplikasi-aplikasi khusus. Contoh untuk tipe LM380 hanya
bisa digunakan pada aplikasi penguat audio (audio amplifier).
Tipe seri IC linier mempunyai pengertian yang berbeda sesuai dengan
fabrikasi atau pabrik pembuat IC tersebut. Di Amerika saja sekitar 30
industri memproduksi IC sebanyak 1 juta lebih setiap tahunnya. Masing241
masing industri mempunyai kode-kode tertentu dan tanda-tanda khusus
untuk penomorannya.
Berikut ini diberikan tipe dan inisial serta penomoran dan kode produksi
IC linier yang beredar di pasar elektronika selama ini:
Nama Industri: Inisial/kode/tipe
- Fairchild ? A; ? AF
- National Semiconductor LM; LH; LF; TBA
- Motorola MC; MFC
- R C A CA; RD
- Texas Instruments SN
- Sprague ULN; ULS; ULX
- Intersil ICL; IH
- Siliconix, Inc. L
- Signetics N/S; NE/SE; SU
- Burr-brown BB
Selain industri pembuat IC linier tersebut masih banyak lagi seperti
Mitsubishi, Hitachi, Matsushita, Sony, Sharp, Sanyo, dan lain-lainnya.
Untuk mengenal pengertian kode dan inisial ini diberi contoh satu IC linier
yang umum diproduksi oleh beberapa industri:
LM741 : IC OP-AMP 741 diproduksi National Semiconductor
MC17141 : IC OP-AMP 741 diproduksi Motorola
CA3741 : IC OP-AMP 741 diproduksi R C A
SN52741 : IC OP-AMP 741 diproduksi Texas Instruments
N5741 : IC OP-AMP 741 diproduksi Signetics
Dari tipe di atas dapat dijelaskan bahwa angka tiga digit terakhir masingmasing
industri IC menyatakan tipe Op-AMP, yaitu 741, dan semua
industri membuat dengan spesifikasi yang sama yaitu internasional.
Untuk mendapatkan informasi yang banyak dan khusus biasanya
pembuat IC selalu menyertakan pembuatan buku data (data book)
sebagai referensi atau petunjuk.
Beberapa IC linier mempunyai kemampuan dan kelompok yang berbedabeda,
seperti kelas A, C, E, S, dan SC. Sebagai contoh, IC 741, 741A,
741C, 741E, 741S, dan 741SC semuanya adalah OP-AMP. Namun
biasanya dibedakan menurut suhu operasi. Contoh, untuk OP-AMP
keperluan militer mempunyai suhu sekitar –55oC s.d. 125oC, sedangkan
OP-AMP komersial mempunyai kisaran suhu 0oC s.d. 75oC dan kisaran
suhu OP-AMP industri –40oC s.d. +85oC.
Di sisi lain untuk 741A dan 741E merupakan improvisasi dari tipe 741 dan
741C, yang masing-masing mempunyai spesifikasi yang lebih. IC 741C
dan 741E merupakan IC yang identik dengan 741 dan 741A dengan
242
kisaran suhu 0oC s.d. 75oC, namun jangkauan suhu 741C dan 741E
sekitar –55oC s.d. 125oC. Sedangkan IC 741S dan 741SC adalah OPAMP
tipe militer dan komersial yang masing-masing dengan pengubah
rate tegangan output per unit waktu lebih tinggi (higher slew rate)
dibandingkan tipe 741 dan 741C.
2.2.11.1.3.2. Bentuk Kemasan
Ada tiga macam bentuk kemasan IC linier, yaitu:
1. Bentuk kemasan datar (flat pack)
2. Bentuk kemasan logam/transistor (metal or transistor pack)
3. Bentuk kemasan sisi gari ganda (dual-in-line pack)
(DIP)
(Dual- in Line Package)
Gambar 2.191 Bentuk kemasan IC linier
2.2.11.1.4. IDENTIFIKASI PIN DAN PERANTI
Secara umum tipe IC linier dikelompokkan dalam tipe kemasan (package
type), tipe peranti (device type) dan tipe range temperaturnya.
Dari tipe peranti (device type) dibedakan berdasarkan inisial industri
pembuat dan fungsi dari peranti tersebut. Contoh IC ? A741, LM 741, dan
MC1741 masing-masing telah menunjukkan fungsi IC linier yang sama,
yaitu OP-AMP, tetapi dari pabrik pembuat yang berbeda yaitu masingmasing
dibuat oleh industri Fairchild, National Semiconductor, dan
Motorola.
243
2.2.11.1.4.1. Identifikasi Pin
Identifikasi pin (kaki) IC linier adalah cara menentukan pin (kaki) IC linier
secara berurutan baik untuk tipe kemasan datar (flat pack), kemasan
logam (metal pack), dan kemasan dual-in-line pack (DIP).
(a) DIP
2 3 4 5 6 7
14 13 12 11 10 9 8
Indeks
(b) Metal Pack
-
+
(c) Flat pack
Gambar 2.192 Cara menentukan nomor kaki (pin) IC linier
Cara menentukan kaki (pin) IC ini selalu dimulai dari tanda indeks, lalu
diteruskan berurutan berlawanan arah jarum jam.
2.2.11.1.4.2. Identifikasi Peranti
Identifikasi peranti (device identification) adalah menentukan tipe peranti,
yaitu termasuk menentukan IC OP-AMP atau bukan, dari pabrik pembuat
mana, tipe kemasan yang mana, dan bahkan sampai menggunakan
kisaran suhu berapa. Ini semua cukup dibaca dari data IC yang ada di
badan IC, biasanya tertulis di bagian depan IC.
Contoh:
IC berikut ini dapat diartikan sebagai berikut:
? A 741 T C
Produksi Fairchild Range temperature komersial (0o C s..d.70oC)
Tipe IC OP-AMP Tipe kemasan DIP
Agar lebih jelas berikut diberikan IC linier produksi lain lengkap dengan
pengertian inisial dan kemasan serta kisaran suhunya.
C 34001 P 0o to 70oC
Produksi Motorola OP-AMP Tipe kemasan Range
temperature
DIP (Plastik) Komersial
244
LM 101A F
Produksi National (NSC) Semiconductor kemasan flat
2.2.11.1.5. CARA PEMBUATAN SUMBER TEGANGAN
Umumnya, IC linier memerlukan sumber tegangan positif dan negatif
karena IC linier kebanyakan menggunakan satu atau lebih penguat beda
(differential amplifier). Namun di sisi lain ada juga IC linier yang
menggunakan sumber tegangan positif saja. IC tersebut di antaranya OPAMP
LM 702 dan LM 324 dan masih ada juga yang lainnya terutama OPAMP
yang mempunyai aplikasi khusus. Dan biasanya setiap seri IC
mempunyai buku data sebagai manual dan referensi petunjuk pin
maupun data-data lain.
Sumber tegangan positif dan negatif yang sering digunakan pada OPAMP
adalah (+12 V dan -12 V); (+15 V dan -15 V), dan lain-lainnya.
Sumber tegangan ini biasa diberi simbol (+UCC dan –UEE ) atau (U+ dan
U-). Untuk lebih jelasnya berikut diuraikan beberapa cara pemberian dan
pembuatan sumber tegangan positif dan negatif pada OP-AMP.
2.2.11.1.5.1. Pembagi Tegangan (Voltage Devider)
Pembagi tegangan yang biasa digunakan untuk pemberian tegangan
positif dan negatif cukup menggunakan dua buah resistor sama besar,
lalu distabilkan dengan kapasitor. Hal ini dilakukan karena sumber
tegangan yang dimiliki hanya satu, yaitu positif saja.
Berikut gambar rangkaian cara pembagian tegangan:
+
-
Us
+
-
I I
I
R
R
1
2
1
2
1
2
+
-
+
-
C
C
+ U
GND
- U
CC
EE
Gambar 2.193 Sistem Pembagi Tegangan
245
Besarnya R1 = R2, dan supaya arus suplai I tidak mengalir ke resistor
semua, maka (R1 + R2) harus ? 10 k? . Sehingga besarnya +UCC dan -
UEE bisa dihitung sebagai berikut:
UCC
US
2 dan
UEE
US
2
2.2.11.1.5.2. Sambungan Seri Dua Buah Sumber Tegangan
Dua buah sumber tegangan, yaitu +Us dan +Us dapat disambungkan seri
untuk dijadikan sumber tegangan positif dan negatif.
Gambar berikut menunjukkan cara penyambungan sumber tegangan seri
menggunakan dua buah sumber tegangan.
1
Gambar 2.194 Sistem Sambungan seri dari dua sumber tegangan
Syarat sumber tegangan bisa disambungkan seri adalah kedua sumber
tegangan ini harus simetris atau sama besar.
2.2.11.1.5.3. Sistem Sambungan Seri Dua Buah Zener
Dengan memakai dua buah diode zener secara seri, maka sumber
tegangan tunggal dapat dibuat menjadi positif dan negatif. Namun dalam
pemasangan diode zener harus diberikan tahanan depan.
Gambar berikut menunjukkan rangkaian sistem sambungan diode zener
seri untuk memperoleh sumber tegangan positif dan negatif.
246
+
- Us
+
-
I R
1
2
+
-
+
-
C
C
+ U
GN D
- U
ZD
1
ZD2
CC
EE
S
1
2
Uz
Uz
S
Gambar 2.194 Sistem Sambungan Seri Dari Dua Buah Zener
Besarnya +UCC = Uz1 dan -UEE = -Uz2 atau sama dengan +UCC = +Us
- Is Rs dan untuk tegangan negatif -UEE = -Us + Is. Rs
2.2.11.1.5.4. Sistem Dua Buah Diode dan Potensiometer
Cara pembuatan sumber tegangan dengan sistem ini jarang digunakan,
karena sangat kesulitan untuk penyetelan potensiometer.
Gambar berikut adalah rangkaian sistem dua buah diode dan potensioner
.
+
-
Us
+
-
R
+
-
+
-
+ U
GND
- U
CC
EE
P
D1
UD1
D2
Gambar 2.195 Sistem Dua Buah Diode dan Potensioner
Besarnya:
UCC
US UD1
2 , kondisi Rp di tengah (center)
UEE
US UD2
2 , kondisi Rp di tengah (center)
247
2.2.11.1.6. RANGKAIAN EKUIVALEN
Secara prinsip rangkaian ekuivalen OP-AMP merupakan rangkaian
penguat diferensial yang menggunakan beberapa transistor dengan
sistem kopel langsung (direct coupling). Untuk satu buah OP-AMP paling
sedikit terdiri atas delapan buah transistor yang terangkai secara
diferensial sistem kopel langsung. Sebuah OP-AMP terdiri dari beberapa
blok rangkaian, yaitu:
1. Bagian input terdiri dari “Dual input balanced output differensial
amplifier” dan “Dual input inbalanced output differensial amplifier.”
2. Bagian penguat arus yaitu Emitter follower.
3. Bagian penguat daya.
Gambar berikut menunjukkan rangkaian ekuivalen OP-AMP yang terdiri
dari beberapa blok rangkaian.
Blok Input
Blok Penguat
Bagian
Tengah
Blok
Penggeser
Level
Blok
Output
Output
Dual In put Balance
Output Diff erentia l
Amplifie r
Dual Input
Unbalanced Out put
Diff erent ial Amp lifier
Emitt er
Fo llowe r
Using Const ant
Cur rent Sou rce
Complementary
Symetry Push-Pull
Amplifie r
N.i Input
+
Inv. In put
_
Gambar 2.195 Blok Diagram Ekuivalen OP-AMP
Bagian input (input stage) terdapat input ganda (dual input), dengan
output seimbang (balanced output). Pada bagian ini secara umum
menguatkan tegangan dan menentukan tahanan input OP-AMP. Dan
pada bagian penguat tengah merupakan bagian penguat beda yang
mendorong bagian output bagian output yang pertama. Amplifier pada
bagian ini biasanya dengan input ganda dan dengan output tunggal tidak
seimbangan. Hal ini dikarenakan menggunakan kopel langsung, yaitu
pada output penguat bagian tengah ini adalah tegangan DC.
Pada bagian penggeser level secara umum adalah rangkaian translator
(shifting) untuk menggeser level DC pada output dari bagian penguat
tengah menuju ke 0 volt. Sedangkan bagian akhir selalu menggunakan
rangkaian penguat komplemen “Push Pull” (Push Pull Complementary).
Outputnya yaitu tegangan dan kemampuan arusnya menjadi naik.
Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada rangkaian ekuivalen beserta
beberapa analisis pendekatan secara perhitungan teori.
248
+
-
Non Inv ert ing
Input
Invert ing Input
GND
Ui1
Ui2
Ic1
Uc1
Uc2
R1
R2
T1
T2
T3
R3
I
UE1
E3
IB3
UB3
R6
R5
IE4
T4
T5
UBE5
R4
Ucc = 12 V
UBE6
UBE7
BE8 U
T6
UE8
IE8
R8 R7
UE6
UE
7
I1
R9
Ic8
T8
IE7
T7
GND
2K
400
3K8
9K1
5K5
3K3
6K7
6K7
Dual Input
balanced - out put
diferent ial amp.
Out put
stage
Emitter
follower
Dual input
umbalanced - output
diferential amp.
UE4
IE6
15K
- UEE
Gambar 2.196 Rangkaian Ekuivalen OP-AMP
Besarnya tegangan beda (Diferensial Voltage) UD:
UD = Ui1 – Ui2 ? UBET1 – UBET2 ? 0
(1.1)
UC1 = UCC - IC1 ? .R1
(1.2)
UEA = UC1-UBE5
(1.3)
Karena IB3 = 0 (kecil sekali)
Maka:
I E4
UE4 UEE
R5 R6
(1.4)
UE3 = UB3 – UBE3
(1.5)
I E3
UE3 UEE
R3 ( 1 - 6 )
Karena IE3 = 2? IC1 dan IC1 = IC2
Maka :
2 I C1
R6 UCC UBE
R5 R6 R3
R6 R1 I C1
R5 R6 R3
0,7
R3
(1.7)
UE4 = UC1 – UBE5
(1.8)
IE4
UE4 UEE
R5 R6
IE3
UE 1 - 7 3 - UEE
R3
IE3
UE3 UEE
R3
249
2 I E4
UE4 UEE
R5 R6
(1.9)
UCE5 = UCC – ( R4 )? IC5
(1.10)
UE6 = UC5 – UBE6
(1.11)
I E6
UE6 UEE
R7 (1.12)
UE7 = UC8 = UE6 + UBE7 (1.13)
I 1
UCC UE7
R9 (1.14)
Karena
IC7 = IB8 dan IC7 = IE7
I1 = IC8 + IB8 (1.15)
UE8 = U0 = - UEE + ( R8 ) IE8 (1.16)
250
LATIHAN 1
1. Apakah Op-Amp itu? Gambarkan simbolnya!
2. Sebutkan parameter-parameter penting OP-AMP!
3. Berdasarkan karakteristik OP-AMP, sebutkan ciri-ciri ideal OPAMP
berikut ini (pada kondisi “open loop”):
a. Sifat impedansi input OP-AMP (Zi)
b. Sifat impedansi output OP-AMP (Zo)
c. Sifat penguatan tegangan (AOL)
4. Menurut sejarah pembuatan OP-AMP, IC linier OP-AMP ? A702
merupakan pembuatan IC linier tahun 1963, berapakah sumber
tegangan untuk IC linier ? A702 ini? Dan produksi industri
manakah IC tersebut?
5. Sebutkan dari industri mana serta terangkan arti seri nomor IC
linier di bawah ini:
a. MC 1741 P -55o to 125oC
b. ? A 324 TC
c. LM 741 AF
6. Sebutkan cara pembuatan dan pemberian sumber tegangan pada
OP-AMP yang memerlukan sumber tegangan positif dan negatif!
Gambarkan pula rangkaiannya!
7. OP-AMP jika dibuat rangkaian ekuivalennya terdiri dari blok apa
sajakah di dalamnya?
8. Apakah beda power supply untuk IC digital dan IC analog/linier
secara umum?
9. Sebutkan macam-macam kemasan IC linier!
10. Sebutkan kelompok IC linier berdasarkan suhu dan fungsinya!
2.2.11.2. PENGUAT BEDA DAN KASKADE
(DIFFERENTIAL AND CASCADE AMPLIFIER)
Sub bab ini akan membahas OP-AMP dengan analisisnya. Analisis yang
digunakan adalah dengan parameter-r, termasuk perhitunganperhitungan
secara numerik pada penguat beda (differential amplifier)
dan pada penguat kaskade (cascade amplifier).
Karena penguat beda adalah dasar dari penguat operasi (OP-AMP),
maka analisis untuk penguat beda merupakan bahasan utama pada bab
ini. Dengan analisis penguat beda tidak hanya mempelajari operasi OPAMP,
tetapi juga sekaligus membuat analisis karakteristik OP-AMP lebih
mudah dimengerti.
Pengembangan analisis ini termasuk juga mengontrol parameterparameter
OP-AMP seperti penguatan tegangan dan resisten input–
output dari OP-AMP yang telah dibuat industri.
251
2.2.11.2.1. PENGUAT BEDA (DIFFERENTIAL AMPLIFIER)
Penguat beda (differential amplifier) sering disebut juga penguat
diferensial, biasanya dibuat dengan sistem transistor yang dirangkai
secara rangkaian “emitter–biased“.
R
R
- U
+ U
Q
C
E
B
CC
C1
E
EE
1
1
1
1
1
R
R
- U
+ U
Q
C
E
B
CC
C2
E
EE
2
2
2
2
2
Gambar 2.197 Dua Rangkaian “Emiter–biased“ yang identik 0
Transistor Q1 mempunyai karakteristik yang sama dengan transistor Q2,
RE1 = RE2; RC1 = RC2 dan level, amplitudo +UCC sama dengan level
amplitudo -UEE. Sumber tegangan +UCC dan -UEE ini semua terukur
terhadap ground (1).
Untuk memperoleh rangkaian tunggal seperti Gambar 2.198 berikut,
maka harus menyambung kedua rangkaian itu (Gambar 2.197) seperti
berikut:
+ Uc c
Uo
- +
Sumber sinyal
+ Sumber s inyal
-UEE
+
- -
Gambar 2.198 Penguat diferensial input ganda, output seimbang (Dual-
Input, balanced–output differential amplifier)
252
Menyambung +UCC (tegangan sumber) dari kedua rangkaian (Gambar
2.197) menjadi (Gambar 2.198). Hal ini dilakukan jika polaritas dan
amplitudonya sama besar, termasuk sama juga pada –UEE.
Menyambung E1 transistor Q1 ke E2 pada Q2, ini berarti menyambung
paralel RE1 danRE2 (RE = RE1//RE2).
Memberikan sinyal input Ui1 pada B1 dari transistor Q1 dan Ui2 pada B2
dari Q2.
Memberi nama output Uo, yaitu antara C1 dan C2 atau sering disebut
tegangan output diferensial.
Karena RC1 = RC2, maka tahanan kolektor ini cukup diberi nama RC, dan
RE = RE1 // RE2. Jika RE1 = RE2, maka RE = ½RE1 = ½RE2.
2.2.11.2.1.1. Konfigurasi Rangkaian Penguat Diferensial
Ada empat macam konfigurasi rangkaian penguat diferensial, yaitu:
penguat diferensial, input-ganda, output seimbang (dual–input, balanced
output differential amplifier)
penguat diferensial, input ganda, output tak seimbang (dual–output,
inbalanced output differential amplifier)
penguat diferensial, input-tunggal, output seimbang (single–input,
balanced output differential amplifier)
penguat diferensial, input-tunggal, output tak seimbang (single–input,
unbalanced output differential amplifier)
Konfigurasi rangkaian pada penguat diferensial didefinisikan sebagai
jumlah sinyal yang digunakan dan tegangan output yang diukur. Jika
digunakan dua buah sinyal input, maka konfigurasinya dikatakan “dual
input” atau input ganda, atau yang lainnya, yaitu konfigurasi “single input”
atau input tunggal. Pada sisi lain, jika tegangan output diukur di antara
dua kolektor, hal ini sebagai output seimbang (balanced output), ini
dikarenakan kedua kolektor mempunyai tegangan DC yang sama
terhadap ground.
Namun sebaliknya, jika output diukur pada satu kolektor terhadap ground
saja, konfigurasi ini disebut output tak seimbang (unbalanced output).
Sebelum membahas beberapa analisis rangkaian, perlu dibahas lebih
dahulu tentang beberapa hal penting bagian dan uraian detail secara
umum.
2.2.11.2.1.2. Pemakaian Penguat Diferensial
Dua buah tipe semikonduktor yang hampir sama, yaitu BJT (Bipolar
Junction Transistor) dan FET (Field Effect Transistor) diperlukan untuk
aplikasi pembuatan penguat diferensial. Semua komponen ini dalam dua
rangkaian “emitter-biased”, yang kedua komponennya harus memiliki
253
karakteristik yang sesuai. Termasuk sumber tegangan (power supply)
+UCC dan -UEE harus mempunyai level amplitudo yang sama besar.
Untuk desain penguat yang multitingkatnya, dengan mendapatkan
penguatan tegangan yang besar, maka dapat digunakan sebuah
rangkaian searah yang langsung antara semua tingkat dari penguat
diferensial tersebut.
Pengertian rangkaian searah langsung adalah dengan menghilangkan
frekuensi mati (cut off frequency) yang lebih rendah yang biasa
menggunakan kopel kapasitor, maka kopel kapasitor ini harus
dihilangkan, sehingga menjadi kopel langsung. Oleh karena itu, penguat
diferensial mempunyai kemampuan menguatkan sinyal DC yang baik,
sama seperti menguatkan sinyal AC. Dalam sistem instrumentasi,
penguat diferensial juga baik dan banyak digunakan sebagai pembanding
dua buah sinyal input.
2.2.11.2.2. PENGUAT DIFERENSIAL INPUT GANDA, OUTPUT
SEIMBANG (DUAL INPUT, BALANCED OUTPUT
DIFFERENTIAL AMPLIFIER)
Rangkaian penguat diferensial input ganda ditunjukkan pada Gambar 2.2.
Dua buah sinyal input (dual input), Ui1 dan Ui2 diberikan ke Basis B1 dan
B2 dari transistor Q1 dan Q2. Output Uo diukur di antara dua kolektor, C1
dan C2, yaitu merupakan tegangan DC. Karena sama-sama tegangan DC
pada kolektor terhadap ground, maka output disebut output seimbang
(balanced output).
2.2.11.2.2.1. Analisis DC
Untuk menentukan besarnya titik kerja (operating point) penguat
diferensial (ICQ dan VCEQ) Gambar 2.2, diperlukan rangkaian ekuivalen
secara rinci. Rangkaian ekuivalen DC dapat diperoleh secara sederhana
dengan mereduksi sinyal input Ui1 dan Ui2 sama dengan nol. Gambar 2.3
berikut ini menunjukkan rangkaian ekuivalen Gambar 2.2.
254
+ Ucc
+
-
+
+ +
+
-UEE
Gambar 2.199 Rangkaian Ekuivalen DC dari Penguat Diferensial (dual
input, balanced output)
Resistor internal dari sinyal input adalah Rin, sebab Rin1 = Rin2. Karena
kedua bagian menggunakan “emitter biased”, maka penguat diferensial
ini adalah simetris (matched in all respects). Untuk menentukan titik kerja
diperlukan arus kolektor ICQ dan tegangan kolektor Emitor UCEQ untuk
satu bagian rangkaian. Sebaiknya harga rangkaian ICQ dan UCEQ dari
transistor Q1 yang ditentukan karena dengan ICQ dan UCEQ pada Q1,
kemudian dapat untuk menentukan juga Q2.
Menggunakan hukum tegangan Kirchoff, loop basis-emitor pada
transistor Q1 adalah:
Rin? IB - UBE - RE (2IE) + UEE = 0 (2.1)
Karena:
I B
I C
dc
dan IC ? IE , maka I B
I E
DC
Maka arus emitor pada Q1 ditentukan langsung dari persamaan 2.1.
2 IE . RE = - Rin . IB – UBE + UEE
2 IE . RE + Rin . IB =+ UEE – UBE
2 I E RE Rin
I E
dc
UEE UBE
I E 2 RE
Rin
dc
UEE UBE
255
I E
UEE UBE
2 RE
Rin
dc
(2.2)
Secara umum Rin / ? dc << 2 RE, maka:
I E
UEE UBE
2 RE
(2.3)
UBE = 0,6 V untuk transistor silikon dan 0,3 V untuk transistor germanium.
Dari persamaan (2.3) RE diset untuk arus emitor pada transistor Q1 dan
Q2 yang diberikan ke sumber -UEE. Dengan perkataan lain dengan
memilih harga RE, maka diperoleh arus emitor dengan -UEE yang telah
diketahui. Arus emitor ini tidak tergantung pada resistor kolektor RC pada
transistor Q1 dan Q2.
Selanjutnya untuk menentukan tegangan kolektor-emitor, UCE, adalah
dengan pendekatan bahwa tegangan pada emitor transistor Q1 mendekati
sama -UBE. Jika diasumsikan drop tegangan Rin sangat kecil dan arus
emitor berdasarkan pengalaman IE ? IC, maka dapat diperoleh tegangan
kolektor UC sebagai berikut:
UC = UCC – RC . IC
Sehingga tegangan kolektor-emitor UCE adalah:
UCE = UC- UE UE ? -UBE
= UCC – RC. IC )- (-UBE)
= UCC + UBE -RC. IC
Dengan persamaan (2.2) dan (2.4) dapat ditentukan ICQ dan UCEQ
masing-masing, sebab titik kerja IE = ICQ dan UCE = UCEQ.
Analisis DC pada persamaan (2.2) dan (2.4) adalah aplikatif untuk
keempat konfigurasi penguat diferensional sepanjang sistem bias dari
keempat konfigurasi itu sama.
2.2.11.2.2.2. Analisis AC
Pada analisis AC penguat tegangan (voltage gain) dari penguat
diferensial diekspresikan dengan Ad dan resistan input Ri seperti pada
Gambar 2.200 dengan cara:
Set tegangan DC +UCC dan –UEE pada kondisi nol.
Subtitusikan model ekuivalen –T untuk sinyal kecil dari transsistor.
Gambar berikut ini ditunjukkan tentang rangkaian ekuivalen dari input
ganda, output seimbang, dan penguat diferensial.
256
-
+
- +
ib1
+
-
+
-
+ -
+ +
- -
- +
-
+
+
-
Uo
-
I II +
Gambar 2.201 Rangkaian ekuivalen AC untuk diferensial amplifier (input
ganda, output seimbang)
Tega ngan
waktu
Gambar 2.202 Bentuk gelombang output diferensial amplifier
Penguatan Tegangan (Voltage Gain)
Sebelum menerangkan secara detail penguatan tegangan pada penguat
diferensial Ad, ada beberapa hal penting yang perlu diketahui dari
gambar rangkaian ekuivalen (2.4), yaitu:
IE1 = IE2, karena itu RE1 = RE2. Di mana RE adalah resistan emitor dari
transistor Q1 dan Q2
Tegangan pada masing-masing resistor Collector phasa pada output
berbalik 180o terhadap inputnya Ui1 dan Ui2. Karena penguatnya
merupakan penguat dengan konfigurasi emitor bersama yang
menggunakan dua buah rangkaian emitor bersama yang identik.
Polaritas tegangan output Uo ditentukan oleh tegangan pada kolektor C2
diasumsikan lebih positif daripada tegangan pada kolektor C1. Ini berarti
tegangan pada kolektor C1 lebih negatif terhadap ground.
257
Dengan persamaan hukum Kirchoff pada loop I dan loop II dari Gambar
2.4 adalah:
Ui1 – Rin1 ib1 – re ie1- RE(ie1 + ie2) = 0 (2.5)
Ui2 – Rin2 ib2 – re ie2 – RE( ie1 + ie2 ) = 0 (2.6)
Karena ib1 = ie1 / ? ac dan ib2 = ie2 / ? ac, jika ie1 ? ic1 dan ie2 ? ic2, maka:
Secara umum Rin1/? ac dan Rin2/? ac sangat kecil, karena itu supaya
penyederhanaan lebih mudah dihilangkan, sehingga:
(re+ RE) ie1 + (RE) ie2 = Ui1 (2.7)
(RE) ie1 + (re + RE) ie2 = Ui2 (2.8)
Dari persamaan (2.7) dan (2.8) dapat diselesaikan secara simultan untuk
ie1 dan ie2 dengan persamaan hukum Cramer.
( ) ( )
( ) 2
2
e E E
e E i1 E i2
e1 r +R R
r + R U R U
i =
-
× - ×
(2.9a)
Dan dengan hal yang sama didapat:
( ) ( )
( ) 2
2
e E E
e E i2 E i1
e1 r +R R
r + R U R U
i =
-
× - ×
(2.9b)
Tegangan output adalah:
UO = UC2 – UC1
= - RC ? iC2 – (- RC? iC1)
= iC1 – RC? iC2
UO = RC (iC1 – iC2), untuk iC ? ie (2.10)
Dengan hubungan arus ic1 – ic2 disubtitusikan ke persamaan (2.10)
( )
( )
( )
( ) ú
ú
û
ù
ê ê
ë
é
-
× - ×
-
-
× - ×
2
2
2
2
e E E
e E i1 E i1
e E E
e E i1 E i2
O C r + R R
r + R U R U
r + R R
r + R U R U
U = R
( ) ( ) ( )
( ) ú
ú
û
ù
ê ê
ë
é
-
× - × -
2
2
e E E
e E i1 i2 E i1 i2
O C r + R R
r +R U U + R U U
U = R
( ) ( )
ú ú
û
ù
ê ê
ë
é
- -
× -
2 2 2 2
2
e e E E E
e E i1 i2
O C r r R +R R
r + R U U
U = R
( ) ( )
( ) ú
û
ù
êë
é × -
e e E
e E i1 i2
O C r r + R
r + R U U
U = R
2
2
( ) i1 i2
e
C
O U U
r
R
U = × - (2.11)
Karena itu penguat diferensial merupakan penguat beda antara dua
sinyal input. Di mana pada Gambar 2.202 Uid = Ui1 – Ui2 sebagai
258
tegangan input beda, sehingga persamaan penguatan tegangan dari
input ganda, output seimbang adalah:
e
c
id
o
d r
R
=
U
U
A = (2.12)
Jadi, penguatan tegangan pada penguat diferensial tidak tergantung RE
(lihat persamaan 2.12). Di sisi lain pada persamaan ini identik dengan
persamaan penguatan tegangan dari penguat konfigurasi Emitor
bersama.
Resistan Input Beda
Resistor input beda didefinisikan sebagai resistan ekuivalen yang diukur
pada terminal inputnya sendiri dengan terminal ground yang lain. Ini
berarti bahwa resistan input Ri1 merupakan resistan dari sumber sinyal
input Ui1 dan Ui2 yang diset nol (0). Dengan cara yang sama sumber
sinyal input Ui2 untuk menentukan resistan input Ri2 (lihat rangkaian
ekuivalen Gambar 2.4) dan Ui1 diset nol (0).
Karena Ri1 dan Ri2 sangat kecil dan hampir merupakan penderevatifan
input Ri1 dan Ri2. Sehingga persamaan menjadi:
Ri1
Ui1
ib1 Ui2 0
Ui1
ie1
ac Ui2 0
Ri1
ac Ui1
r e RE Ui1 RE 0
r e RE
2 R
E2
Ri1
ac RE r e 2RE
r e RE
(2.13)
Secara umum RE » re, di mana implementasi dari (re + 2 RE) = 2 RE dan (re
+ RE) = RE, sehingga persamaan (2.13) menjadi:
Ri1
ac r e 2RE
RE
2 ac r e (2.14)
Dengan cara yang sama didapatkan pula:
Ri2
ac r e 2RE
RE
2 ac r e (2.15)
Resistan Output
Resistan output didefinisikan sebagai resistan ekuivalen yang diukur
pada masing-masing terminal output terhadap ground. Oleh karena itu,
resistor output Ro1 diukur antara kolektor C1 dan ground yang berarti
sama dengan resistor kolektor Rc (lihat Gambar 2.201). Dengan cara
259
yang sama resistor output yang kedua Ro2 diukur pada kolektor C2
terhadap ground yang berarti sama dengan resistor kolektor Rc.
Jadi, besarnya resistor output adalah:
Ro1 = Ro2 = Rc (2.16)
Pengertian arus dari penguat diferensial tidak didefinisikan. Oleh karena
itu, persamaan penguatan arus tidak akan didapatkan dari keempat
konfigurasi penguat diferensial yang ada. Selanjutnya seperti penguat
dengan emitor bersama, penguatan diferensial memperkuat sinyal yang
kecil. Oleh karena itu, secara umum digunakan sebagai penguat
tegangan dan tidak sebagai penguat arus atau penguat daya.
2.2.11.2.2.3. Input Inverting dan Noninverting
Input-input ini biasa diartikan sebagai input pembalik (inverting input) dan
input bukan pembalik (non-inverting input). Pada Gambar 2.203
rangkaian penguat diferensial tegangan input Ui1 disebut “non-inverting
input” sebab tegangan positif Ui1 sendiri akan menghasilkan tegangan
output positif. Ini dapat dilihat pada persamaan (2.11). Dengan hal yang
sama, bila tegangan positif Ui2 sendiri akan menghasilkan tegangan
output negatif, karena itu Ui2 disebut input “inverting”. Konsekuensinya,
basis B1 sebagai Ui1 input bukan pembalik (noninverting input terminal)
dan basis B2 sebagai Ui2 input pembalik (inverting input terminal).
2.2.11.2.2.4. Common Mode Rejection Ratio
Suatu karakteristik penguat diferensial input ganda, output seimbang
yang penting adalah kemampuan menekan gangguan (noise) yang tidak
diinginkan. Jika pasangan transistor yang sesuai digunakan dalam
penguat diferensial, sinyal-sinyal yang tidak diinginkan seperti noise atau
hum dengan frekuensi 60 Hz, maka kedua input basis dan karena itu
output yang bersih (tanpa noise) secara teori harus nol. Secara praktik
dengan efektif dari sinyal “Common Mode Rejection Ratio” (CMRR)
tergantung pada derajat kesesuaian antara bentuk dua emitor bersama
dari penguat diferensial. Dengan perkataan lain secara persamaan
tertutup adalah arus-arus di dalam input transistor Q1 dan Q2, lebih baik
dari CMRR (lihat Gambar 2.204). Jika diaplikasikan pada tegangan yang
sama pada kedua terminal input dari penguat diferensial, maka dikatakan
operasi dalam CMRR.
Kemampuan penguat diferensial untuk me-reject sinyal “Common Mode”
yang diekspresikan dengan Common Mode Rejection Ratio (CMRR). Hal
ini merupakan perbandingan penguatan diferensial Ad dengan penguatan
“Common mode Acm”.
CM
d
A
A
CMRR = (2.17)
260
Penguatan tegangan mode bersama (common mode voltage gain) Acm
dapat ditentukan seperti di atas dan seperti Gambar 2.204 Dengan diberi
nama tegangan yang telah diketahui Ucm pada kedua terminal input dari
penguat diferensial seperti ditunjukkan pada Gambar 2.204 dan tegangan
output sisa Uocm. Kemudian dengan menggunakan persamaan (2.19)
dapat dihitung Acm sebagai berikut:
cm
ocm
CM U
U
A = (2.18)
+ Ucc
-UEE
+
-
Gambar 2.203 Penguat diferensial pada konfigurasi common mode
Secara ideal, Acm harus nol (0), bahwa Uocm = 0 V. Dengan perkataan
lain, CMRR yang dipunyai oleh penguat diferensial secara ideal adalah
tak terhingga. Oleh karena itu, dalam praktik keuntungan dari penguat
diferensial mempunyai CMRR yang lebih tinggi, dan penguat ini lebih
bagus kemampuannya untuk me-reject sinyal-sinyal mode bersama.
Untuk penambahan CMRR OP-AMP akan dibahas khusus pada bab
selanjutnya.
2.2.11.2.3. PENGUAT INPUT GANDA, OUTPUT TAK SEIMBANG
(DUAL-INPUT, UNBALANCED-OUTPUT DIFFERENTIAL
AMPLIFIER)
Pada konfigurasi ini digunakan dua buah sinyal input di mana output
diukur pada hanya satu dari kedua kolektor terhadap ground.
Output diferensikan sebagai output tak seimbang (unbalanced output)
sebab kolektor sebagai tegangan output diukur pada beberapa titik
potensial terhadap ground. Dengan perkataan lain, beberapa tegangan
DC pada terminal output tanpa beberapa sinyal input. Output diukur pada
terminal kolektor transistor Q2 terhadap ground (lihat Gambar 2.18).
261
2.2.11.2.3.1. Analisis DC
Prosedur analisis DC untuk penguat diferensial input ganda, output tak
seimbang adalah identik dengan analisis pada input ganda, output
seimbang sebab kedua konfigurasi menggunakan bias yang sama. Oleh
karena itu, arus emiter dan tegangan Emitor-kolektor untuk input ganda,
output tak seimbang ditentukan dengan persamaan (2.2) dan (2.4)
masing-masing adalah: (lihat Gambar 2.18)
I E I CQ
UEE UBE
2RE
Rin
dc
UCE = UCEQ = UCC + UBE – RC ICQ
Pada gambar berikut (2.204) menunjukkan rangkaian penguat diferensial
input–ganda, output tak seimbang.
.
+ Ucc
+
-UEE
+
- -
Uo
Gambar 2.204 Penguat diferensial input ganda, output tak seimbang
2.2.11.2.3.2. Analisis AC
Gambar 2.19 menunjukkan rangkaian ekuivalen model T dari penguat
diferensial input ganda, output tak seimbang dengan sinyal kecil yang
disubtitusikan dari transistor.
262
-
+
ib1
+
-
+
-
+ -
+ +
- -
-
+
+
-
-
I II +
E1,E2
Uo
Gambar 2.205 Rangkaian ekuivalen AC dari penguat diferensial input
ganda, output tak seimbang
Penguatan Tegangan
Dengan hukum Kirchoft dari Loop I dan Loop II.
Ui1 – Rin1 ib1 – re ie1 – RE (ie1 + ie2) = 0
Ui2 – Rin2 ib2 – re ie2 – RE (ie1 + ie2) = 0
Persamaan ini sama dengan persamaan (2.5) dan (2.6), sedangkan
ekspresi ie, dan ie2 sama dengan persamaan (2.9a) dan (2.9b).
ie1
r e RE Ui1 RE Ui2
r e RE
2 R
E2
ie1
r e RE Ui2 RE Ui1
r e RE
2 R
E2
Tegangan
waktu
T
Gambar 2.206 Bentuk gelombang input dan output dari penguat
diferensial input ganda, output tak seimbang
263
Tegangan output (Uo):
Uo = Uc2 = - Rc. Ic2 = - Rc ie2, bila ie ? ic
Distribusikan ke persamaan ie2
UO RC
r e RE Ui2 RE Ui1
r e RE
2 R
E2
UO RC
RE Ui1 r e RE Ui2
r e r e 2RE
Secara umum RE » re, karena itu (re + RE) ? RE dan (re + 2 RE) ? 2 RE,
karena itu,
UO RC
RE Ui1 RE Ui2
2r e RE
UO RC
RE Ui1 Ui2
2r e RE
UO
RC
2r e
Ui1 Ui2 (2.19)
Ad
Uo
Uid
RC
2r e
(2.20a)
Jadi, penguatan tegangan dari input ganda, output tak seimbang adalah
setengahnya dari penguatan tegangan pada input ganda, output
seimbang karena untuk input ganda, output tak seimbang:
Ad
Uo
Uid
RC
2r e
(2.20b)
Sedangkan untuk peguatan tegangan pada input ganda, output
seimbang.
Ad
Uo
Uid
RC
r e
(2.20c)
Untuk penguat diferensial tipe ini (input ganda, output tak seimbang)
tegangan DC pada terminal output merupakan tegangan “error” dari
sinyal output yang yang tak diinginkan. Oleh karena itu, tegangan ini
tereduksi sampai sama dengan nol (0). Konfigurasi ini secara umum
direduksi oleh rangkaian translator level (level translator circuit).
264
Resistan Input Diferensial
Antara rangkaian Gambar 2.13 dan Gambar 2.18 yang berbeda adalah
titik pengukuran output, sehingga untuk resistan input Ri1 dan Ri2 adalah
sama cara menentukannya. Ri1 = Ri2 = 2 ? ac re
Resistan output
Resistan output Ro diukur pada Collector C2 terhadap ground ini adalah
sama dengan Rc (Resistan Collector) Ro = Rc
2.2.11.2.4. PENGUAT DIFERENSIAL INPUT TUNGGAL, OUTPUT
SEIMBANG (SINGLE INPUT, BALANCED-OUTPUT
DIFFERENTIAL AMPLIFIER)
Penguat diferensial input tunggal, output seimbang ditunjukkan pada
rangkaian gambar berikut.
+ Ucc
-UEE
+
-
Ui
- +
Gambar 2.07 Penguat diferensial input tunggal, output seimbang
Dari rangkaian ini input tunggal dihubungkan pada Basis Q1 dan output
Uo diukur di antara kedua kolektor Q1 dan Q2, yang mana pada potensial
DC yang sama. Oleh karena itu, outputnya dikatakan output seimbang
(balanced output).
2.2.11.2.4.1. Analisis DC
Analisis DC untuk prosedur dan persamaan bias dari rangkaian ini identik
dengan 2 konfigurasi yang terdahulu, sebab rangkaian ekuivalen DC
untuk semua konfigurasi adalah sama. Oleh karena itu, persamaan bias:
I E I CQ
UEE UBE
2RE
Rin
dc
UCE=UCEQ=UCE+UBE-RC.ICQ
265
2.2.11.2.4.2. Analisis AC
Rangkaian ekuivalen untuk penguat diferensial dengan input tunggal,
output seimbang menggunakan model ekuivalen T dapat dilihat pada
gambar berikut ini.
-
+ +
-
+
-
+ - + -
-
+
I II
Gambar 2.208 Rangkaian ekuivalen penguat diferensial input tunggal,
output seimbang
Tegangan
waktu
Ui
Gambar 2.209 Bentuk gelombang input dan output
Penguatan Tegangan
Sebelum mengekspresikan penguatan tegangan diferensial Ad berikut
diuraikan beberapa catatan penting dari Gambar 2.209.
Pada saat kondisi sinyal input setengah periode positif (atau jika U1
tegangannya positif). Tegangan Basis-Emitor dari transistor Q1 adalah
positif dan transistor Q2 adalah negatif (lihat rangkaian Gambar 2.208). Ini
berarti bahwa arus kolektor dari transistor Q1 naik dan dalam transistor
266
Q2 turun dari harga titik kerjanya ICQ. Perubahan dalam arus kolektor ini
membuat bentuk tegangan seperti Gambar 2.209, yang mana kedua
sumber ic1 dan ic2 ditunjuk dengan arah yang sama. Kemudian pada saat
yang sinyal input negatif pada setengah periode berikutnya (atau jika U1
tegangannya negatif), maka akan berkebalikan sinyal yang dihasilkannya
yaitu arus kolektor Q1 turun dan transistor Q2 naik.
Polaritas tegangan pada masing-masing resistor kolektor sesuai dengan
arah arus ic1 dan ic2. Itu berarti tegangan yang ada pada resistor kolektor
transistor Q2 adalah positif dan tegangan yang ada pada resistor kolektor
Q1 adalah negatif semuanya terhadap ground (Gambar 2.208).
Tanda polaritas tegangan output Uo sesuai dengan besarnya tegangan
output, yaitu sama dengan tegangan pada kolektor C2 dikurangi (minus)
tegangan pada kolektor C1.
Dengan hukum Kirchof persamaan tegangan dari Loop I dan Loop II dari
Gambar 2.208 adalah:
Ui - Rin ib1 – re ie1 – RE iE = 0 (2.21)
Ui - Rin ib1 – re ie1 – re ie2 = 0 (2.22)
Disubtitusi ke persamaan arus:
iE = (ie1 – ie2); di mana ib1 ? ie1 / ? ac dan ib2 ? ic2 / ? ac
Maka didapatkan:
Ui
Rin
ac
ie1 r e ie1 RE ie1 ie2 0
Ui
Rin
ac
ie1 r e ie1 r e ie2 0
Secara umum Rin/? ac adalah sangat kecil dan biasanya dihilangkan,
sehingga persamaan menjadi:
(re + RE) ie1 – (RE) ie2 = Ui (2.23)
(re) ie1 + (re) ie2 = Ui (2.24)
Dari persamaan (2.23) dan (2.24) dapat diselesaikan secara simultan
untuk ie1 dan ie2 menggunakan hukum Cramer :
ie1
r e RE Ui
r e r e 2RE
(2.25)
Dengan cara yang sama:
ie2
RE Ui
r e r e 2RE
(2.26)
Tegangan output:
Uo = Uc2 – Uc1
= Rc.ic2 – (- Rc. ic1)
= Rc (ic2 + ic1)
Uo = Rc (ic2 + ic1), untuk ie ? ic (2.27)
267
Disubtitusikan ke arus ie1 dan ie2 dalam persamaan (2.27) didapatkan:
( )
( )
( )
( )
e ( e E )
e E i
C
e e E
e E i
e e E
E i
O r r + R
r + R U
= R
r r + R
r +R U
+
r r + R
R U
U =
2
2
2 2
×
UO
RC
r e
Ui (2.28)
Karena itu:
Ad
UO
Ui
RC
r e
(2.29)
Jadi, penguatan tegangan dari input tunggal, output seimbang adalah
sama dengan input ganda, output seimbang.
Resistansi Input Diferensial (Ri)
Resistansi input Ri diambil dari sinyal sumber sebagai input ditentukan
sebagai berikut:
Ri
Ui
ib1
Ui
ie1
ac
Ui ac
i e1
Disubtitusikan ke ie1 dari persamaan (2.25) didapatkan:
c Ui
r e RE Ui
r e r e 2RE
ac r e r e 2RE
r e RE
Ri = 2 ? ac. re untuk RE » re (2.30)
Resistansi Output (Ro)
Ro diukur pada masing-masing terminal terhadap ground. Karena itu
resistan output Ro1 diukur pada kolektor C1 dan resistan output Ro2 diukur
pada kolektor C2, sehingga didapatkan persamaan:
Ro1 = Ro2 = Rc
2.2.11.2.5. PENGUAT DIFERENSIAL INPUT TUNGGAL, OUTPUT TAK
SEIMBANG
Beberapa catatan pada penguat diferensial tipe ini, yaitu:
Penguat ini identik dengan penguat emitor bersama, yang tidak hanya
memerlukan banyak komponen, tetapi juga pengantar tegangannya lebih
kecil dari bentuk yang pertama.
Tegangan output DC diperoleh tanpa beberapa sinyal input (hanya satu
input saja)
Konfigurasi ini diperoleh untuk sinyal input melalui Basis dari salah satu
transistor dan diukur pada salah satu kolektor (Q2).
268
+ Ucc
-UEE
+
-
Uo
+
-
+
+
-
Gambar 2.210 Penguat Diferensial Input Tunggal, Output Tak Seimbang
2.2.11.2.5.1. Analisis DC
Rangkaian ekuivalen dari konfigurasi ini identik dengan konfigurasi input
ganda, output seimbang
Besarnya ICQ dan UCEQ sama dengan persamaan pada konfigurasi input
ganda, output seimbang yaitu:
I E I CQ
UEE UBE
2RE
Rin
dc
UCE = UCEQ = UCC + UBE – Rc ? ICQ
2.2.11.2.5.2. Analisis AC
Rangkaian ekuivalen dari input tunggal, output tak seimbang dapat dilihat
pada gambar berikut.
-
+
+
-
+
-
+ - + -
-
+
II
I
+
-
Uo
Gambar 2.211 Rangkaian ekuivalen penguat diferensial input tunggal,
output tak seimbang
269
Tegangan
waktu
Gambar 2.212 Bentuk Gelombang input dan output
Penguatan Tegangan
Besarnya tegangan output (Uo) adalah:
Uo = Uc2 = Rc.ic2 = Rc.ic2, jika ic ? ie
Disubtitusikan ke persamaan ie2, maka
UO RC
RE Ui
r e r e 2RE
UO RC
RE Ui
r e 2RE
untuk RE >> re
UO
RC Ui
2RE
(2.31)
Besarnya Penguatan beda (Penguatan diferensial):
Ad
UO
Ui
RC
2r e
(2.32)
Resistansi Input Diferensial (Ri)
Resistansi input Ri pada konfigurasi ini identik dengan salah satu
sebelumnya.
Ri = 2 ? acre, untuk RE » re
Resistansi Output (Ro)
Resistanssi output Ro pada konfigurasi ini diukur pada kolektor C2
terhadap ground, sehingga Rc = Ro.
Untuk lebih jelas, berikut ini ditabelkan dari hasil uraian di atas yaitu
beberapa konfigurasi dari penguat diferensial.
270
Tabel 2.1 Rangkaian Konfigurasi Rangkaian Penguat Diferensial
No Konfigurasi Rangkaian Penguatan Tegangan Resistansi
Input
Resistansi
Output
1. Dual input, balanced output (Input
ganda, output seimbang)
Tabel2-1
+ Ucc
Uo
- +
+
-UEE
+
- -
Ri1 = 2 bacre
Ri2 = 2 bacre
Ro1 = Rc
Ro2 = Rc
2. Dual input, unbalanced output
(Input ganda, output tak seimbang)
+ Uc c
+
-UEE
+
- -
Uo
Ri1 = 2 bacre
Ri2 = 2 bacre
Ro = Rc
3. Single input, balanced output
(Input tunggal, output seimbang)
+ Ucc
U o
+ -
-U EE
+
-
Ri1 = 2 bacre Ro1 = Rc
Ro2 = Rc
4. Single input, unbalanced output
(Input tunggal, output tak
seimbang)
+Uc c
-UEE
+
-
Uo
R o
Ri1 = 2 bacre Ro = Rc
re
Rc
A=d
2re
Rc
A=d
re
Rc
A=d
2re
Rc
A=d
271
2.2.11.2.6. PENGUAT DIFERENSIAL DENGAN RESISTOR SWAMPING
Dengan penerapan beberapa transistor RE’ pada masing-masing Emitor
dari transistor Q1 dan Q2 akan mempengaruhi penguatan tegangan
penguat diferensial sehingga bervariasi penguatan tegangannya, karena
hal ini akan mereduksi re.
+ Ucc
Uo
- +
+
-UEE
+
- -
' '
E1 E2
Gambar 2.213 Penguat diferensial input ganda output seimbang dengan
resistor emiter RE’
Dengan menggunakan RE1 kelinieran penguat diferensial dapat dinaikkan.
Secara umum RE’ cukup besar untuk memberikan efek “swamp”
(menghempas) atau mereduksi re untuk itu pemberian RE’ disebut
sebagai “swamping resistor” (resistor penghempas).
Arus Emitor pada masing-masing transistor dapat ditentukan dengan
hukum Kirchoff tegangan, yaitu Loop Basis-Emitor pada Q1 dengan Ui1 =
Ui2 = 0 V.
Rin IB – UBE – RE
’ .IE – RE (2 IE) + UEE = 0
Untuk IB ? IE / ? dc dan disederhanakan, maka akan didapatkan:
I E
UEE UBE
2RE RE '
Rin
dc
(2.33)
Sehingga besarnya tegangan UCE
UCE = UCC + UBE – Rc. Ic
Jika resistor eksternal RE
’ ditambahkan pada masing-masing kaki Emitor,
maka penguatan tegangan dan resistan input yang baru dapat dipeoleh
dari beberapa konfigurasi tersebut yaitu dengan penempatan (re + RE
’),
sehingga diperoleh:
Ad
Uo
Ue
Rc
r e RE ' (2.34)
272
Dan resistansi input yang baru adalah
Ri1 = Ri2 = 2 ? ac (re + RE
1) (2.35)
Sedangkan resistansi output dengan dan tanpa RE
’ adalah:
Ro1 = Ro2 = Rc
2.2.11.2.7. BIAS ARUS KONSTAN
Dalam penguat diferensial telah dibicarakan jauh tentang RE dan UEE
yang digunakan sebagai penyetelan arus Emitor DC. Di sini juga dapat
digunakan untuk penyetelan arus emitor DC pada rangkaian arus bias
konstan jika dinginkan. Karena pada kenyataannya rangkaian bias arus
konstan lebih baik sebab dengan rangkaian ini diperoleh kestabilan arus
dan kestabilan titik kerja dari penguat diferensial.
+ Ucc
Uo
- +
+ +
- -
+
-
-UEE
+
-
-
+
Gambar 2.213 Penguat diferensial input ganda, output seimbang
menggunakan bias arus konstan
Dengan menggunakan resistor RE pada rangkaian arus bias transistor
konstan (Q3). Arus DC pada kolektor Q3 ditentukan oleh R1, R2, dan RE
seperti persamaan berikut:
UB3
R2 UEE
R1 R2
UE3 UB3 UBE 3
R2 UEE
R1 R2
UBE 3
Karena itu:
273
I E3 I C3
UE3 UEE
RE
I C3
UEE
R2 UEE
R1 R2
UBE 3
RE
Karena dua dari bagian penguat diferensialnya simetris, masing-masing
mempunyai ½ dari IC3, maka:
I E1 I E2
I C3
2
UEE R2.UEE R1 R2 UBE
2RE
(2.36)
Arus kolektor IC3 dari transistor Q3 adalah tetap dan tidak bervariasi
karena tidak ada sinyal yang diinjeksikan ke masing-masing Emitor atau
Basis dari Q3. Sehingga transistor Q3 merupakan sumber arus Emitor
yang konstan dari Q1 dan Q2 sebagai penguat diferensial.
Kembali kita lihat persamaan RE » re pada penguat diferensial dengan
bias Emitor. Di samping pemberian suplai atau catu daya dengan arus
Emitor yang konstan, diperoleh juga dari rangkaian ini tahanan sumber
yang sangat tinggi untuk rangkaian ekuivalen AC sedangkan untuk
sumber arus DC secara ideal adalah rangkaian terbuka (open circuit).
Penguatan tegangan (voltage gain) : (Ad) sama dengan persamaan:
Ad
Uo
Uid
Rc
r e
-UEE
+
-
+
+
-
+
-
+ -
Gambar 2.214 Bias Arus Konstan dengan Kompensasi
Diode untuk variasi UBE
274
Untuk perbaikan dan stabilitas efek panas dari arus transistor yang
konstan (Q3) adalah R1 digantikan dengan diode D1 dan D2, yaitu untuk
membantu penghentian arus Emiter IE3 konstan yang sekaligus
mengubah suhu. Karena jika I2 telah mengalir (lihat Gambar 2.214) ke
titik Basis dari Q3 dan IB3 dan jika suhu Q3 naik tiba-tiba, maka tegangan
Basis Emitor UBE3 turun. Yang mana untuk bahan silikon UBE turun hingga
2 mV/oC. Di sini mereduksi UBE3 yang tegantung pada tegangan drop
pada RE dan arus Emitor IE3. Pada saat tegangan UBE3 tereduksi,
tegangan drop pada D1 dan D2 juga ikut turun, yang akan
mengkontribusikan pada ID
, sehingga besarnya ID
ikut naik. Ini
menyebabkan IB3 turun, yaitu untuk mengatasi kenaikan IE3.
Gambar 2.215 berikut menunjukkan rangkaian transistor dalam bentuk
terintegrasi tipe CA 3086.
-UEE
8 9 10 11 12 13 14
7 6 5 4 3 2 1
CA 3086
Gambar 2.215 Diagram Fungsi IC tipe CA 3086
Dari Gambar 2.215 di atas bahwa arus Emitor IE3 ditentukan sebagai
berikut:
UB3 = - UEE + 2 UD
UE3 = UB3 – UBE3 = - UEE + 2 UD – UBE3
I E3
UE3 UEE
RE
2UD UEE UEE UBE3
2RE
I E3
UE3 UEE
RE
2UD UEE UEE UBE3
2RE
I E3
2UD UBE 3
2RE
UD
RE
, untuk UD=UBE3=0,6V.2.37)
Karena dengan adanya RE, maka arus Emitor IE3 tergantung pada drop
tegangan pada diode D1 dan D2. Sedangkan fungsi drop tegangan pada
diode untuk difungsikan arus Id-nya saja, yaitu sesuai karakteristik kurva
diode, di mana ID merupakan bagian dari I2 yang ditentukan oleh harga
R2. Ini berarti bahwa perubahan harga IE3 dengan memvariasi salah satu
dari R2 atau RE.
275
Gambar 2.215 berikut merupakan modifikasi Gambar 2.213.
-UEE
+
-
+
+
-
-
+
Gambar 2.215 Rangkaian bias arus konstan dengan menggunakan diode
Zener
Untuk mendesain rangkaian bias arus konstan dari rangkaian digunakan
berapa step, yaitu:
Pilihlah harga IE3 yang diinginkan
Asumsikan bahwa UD = 0,7 V, tentukan harga RE menggunakan
persamaan (2.37)
Asumsikan I2 = IE3 dan UD1 = UD2 = 0,7 V, tentukan harga R2 dengan
persamaan
R2
UEE 1,4V
I E3
Namun sering kali diode D1 dan D2 digantikan dengan diode Zener
seperti Gambar 2.228. Karena diode Zener mempunyai kelebihan yaitu
lebar range dari tegangan konduksi, dan kesesuaian koefisiensi suhu
terhadap tegangan dari transistor. Maka persamaan dapat dibuat:
UB3 = - UEE + UZ
Dan besarnya tegangan pada Emitor adalah (UE3):
UE3 = - UEE + UZ – UBE3
Sedangkan arus Emitor (IE3)
I E3
UE3 UEE
RE
I E3
UZ UBE 3
RE
(2.39)
Seharusnya R2 dipilih dengan ketentuan I2 ? 1,2 IZ, di mana IZ minimum
diperoleh dari diode zener saat konduksi pada daerah arah reverse
(balik), itu berarti terjadi pengeblokan tegangan zener UZ. Biasanya besar
IZ terdapat pada buku data diode zener.
Besarnya R2 ditentukan sebagai berikut:
276
R2
UEE UZ
I 2
(2.40)
Di mana I2
? I.2IZ, penggunaan diode zener di sini untuk menjaga
tegangan basis agar konstan dan mengubah arus emitor dari rangkaian
bias arus konstan.
2.2.11.2.8. RANGKAIAN ARUS BAYANGAN (CURRENT MIRROR)
Suatu rangkaian di mana arus output tenaganya sama dengan arus input
dikatakan sebagai rangkaian arus bayangan (current mirror circuit).
Karena itu rangkaian arus bayangan arus output adalah sebuah
bayangan dari arus input. Berikut digambarkan secara diagram blok
(Gambar 2.216) dan rangkaian arus bayangan (Gambar 2.217).
CURRENT
MIRROR
ISink
ISource
Gambar 2.216 Diagram Blok Arus Bayangan
-UEE
+
-
+
-
+
-
E4
4 4 E3
= ~
Gambar 2.217 Rangkaian Arus Bayangan
I2 diset tertentu, arus IC3 secara otomatis mendekati I2. Arus bayangan
adalah hal yang khusus dari bias arus konstan dan karena itu digunakan
untuk mengeset arus emitor yang konstan dalam bagian penguat
diferensial.
Ketika transistor Q3 dan Q4 identik, tegangan Basis-Emitor harus juga
sama dan arus basis dan arus kolektor harus juga mendekati sama.
UBE3 = UBE4
IC3 = IC4
IB3 = IB4
Pada Node UB3 dilakukan penjumlahan
277
I2 = IC4 + I = IC4 + 2 IB4 = IC3 + 2 IB3
I 2 I C3 2
IC3
dc
I 2 I C3 1
I C3
dc
(2.41)
Secara umum ? dc cukup besar. Karena itu 2/? dc dihilangkan atau
ditiadakan karena harganya kecil sekali. Dari data ? dc dari CA3086 =100.
Maka besarnya arus kolektor dari Q3 sama besar dengan arus I2.
I2 ? IC3
I2 diperoleh dengan menerapkan hukum Kirchoff tegangan, yaitu:
-R2. I2 – UBE3 + UEE = 0
I 2
UEE UBE
R2
(2.42)
Dengan persamaan di atas ini berarti R2 dapat dipilih sesuai dengan
pengesetan arus kolektor dalam rangkaian arus bayangan yang
diinginkan, yang penting kedua transistor ini seharusnya identik.
Contoh 2.5:
Penguat diferensial memberikan spesifikasi sebagai berikut:
Gambar rangkaian seperti Gambar 2.21, RD = 3,9 k? , RG = 1 M? RE =
1,5 k? , R2 = 82 ? , Rin1 = Rin = 50 ? ; Ucc = + 10 V, dan - UEE = - 10 V. Di
mana Q1 dan Q2 adalah JFET yang berpasangan dengan gm = 8000 MS,
sedangkan Q3 adalah BJT dengan UBE = 0,6 V dan ? ac = ? dc = 100,
sedangkan diode zener D1 adalah IN 3826 dengan UZ = 5,1 V dan IZ = 49
mA. Tentukan:
Arus emitor pada transistor Q3
Penguatan tegangan pada penguat diferensial
Resistan input dari penguat diferensial
+ Uc c
Uo
- +
+
-UEE
+
- -
-
3
3
3
G G
D D
Gambar 2.218 Penguat diferensial JFET dengan diode zener
sebagai bia arus konstan
278
Penyelesaian:
I E3
UZ UBE 3
RE
5,1 0,6
1500
3mA
Ad = gm . RD = (8000 MS) . (3,9 k? ) = 31,2
Ri1 = Ri2 = 1 M? . (Resistan input masing-masing sama dengan RG)
Contoh 2.6:
Desainlah penguat diferensial input ganda, output seimbang dengan bias
arus konstan (menggunakan diode) dengan data seperti berikut:
Penguatan tegangan beda Ad = 40 ? 10
Suplai arus oleh bias konstan = 4 mA
Suplai tegangan Us = ? 10 V
Penyelesaian:
Step desain berdasarkan outline adalah:
Menentukan arus Emitor IE3 = 4 mA (lihat Gambar 2.219) dan lihat bagian
dari subbab 7.
Asumsikan bahwa diode D1 dan D2 identik dan UD1 = UD2 = 0,7 V
Maka didapatkan persamaan:
RE
UD
I E3
Substitusikan ke persamaan tersebut:
RE
0,7V
4mA
175 (gunakan 150 ? )
Harga R2 dapat dihitung:
R2
UEE 1,4
I E3
10V 1,4V
4mA
2,15k (gunakan 2 k? )
Selanjutnya tentukan harga resistor kolektor Rc.
IE1=IE2=2mA dan r e
25mV
2mA
12,5
-UEE
+ Ucc
Uo
- +
150 W
500 W 500 W
Non
Inverting Input Invert ing Input
10 V
10 V
Gambar 2.219 Penguat diferensial
279
Untuk memperoleh penguatan 40 diperlukan resistor collector :
Rc = (Ad) . re
= (40) (12,5) = 500 O (gunakan 560 O )
2.2.11.2.9. PENGUAT DIFERENSIAL CASCADE
Konfigurasi penguat diferensial telah dianalisis pada bab dan subbab
terdahulu, karena itu kini selanjutnya bagaimana penguat diferensial ini
dibuat cascade dalam hubungan seri. Gambar 2.220 berikut
menunjukkan dua tingkat penguat diferensial. Rangkaian pertama
merupakan penguat diferensial “Dual input, balanced output”. Dan
rangkaian kedua merupakan penguat diferensial yang berfungsi sebagai
penggerak (pendorong) dari output rangkaian penguat diferensial yang
pertama. Output diambil pada bagian akhir dengan sistem output tunggal
(single ended atau “inbalanced”) dari penguat diferensial yang kedua.
Kedua tingkat penguat ini menggunakan teknik bias emitor (kombinasi
dari RE dan UEE) untuk mengeset arus emitor dari pasangan diferensial.
R k2 RC2 2 k 2
7,8 3V
RC3 1 k2
Q3
Q4
RC4
Uo1
Q 1 Q2
- 0 ,7 15
RE1 4k7
100 W
IE3 IE4
RE
RE
7 ,12 V
Uid 2 IE 4
Non
Inverting Input
Inverting Input
- UEE
- 10V
RE 2 = 15 k
IE3
9,32V
Uo
UCC
+ 10V
Gambar 2.220 Penguat Diferensial Cascade
Dari kebanyakan rangkaian kesesuaian transistor termasuk juga harga
resistor adalah hal yang penting dalam tingkatan penguat diferensial.
Contoh 2.8:
Penguat Diferensial Cascade (Gambar 2.25), tentukan:
Arus kolektor (IC) dan tegangan kolektor–emitor (UCE) untuk masingmasing
transistor
Penguatan tegangan
Resistor input
Resistor output
Jika diasumsikan transistor array menggunakan CA 3086 dengan hFE =
100, hfe = 100, dan UBE = 0,715 V.
Penyelesaian:
Pada transistor Q1 dan Q2 diasumsikan IE ? IC ; dc =
B
E
I
I
.
280
Maka:
I E
UEE UBE
2RE1
Rin
dc
10 0,715 V
2 4700 0
;
Rin
dc
<<
= 0,988mA
Karena simetris Ic1 = Ic2 = IE1 = 0,988 mA
UC1 = Ucc – Rc1 Ic1 = 10 V – (2,2 k? ) (0,988 mA) = 7,83 V
UC1 = UC2 = 7,83 V
Pada saat UE pada Q1 dan Q2 = -0,715 V
UCE1 = UCE2 = UC1 – UE1 = 7,83 + 0,715 = 8,545 V
Arus kolektor (IC) pada Q3 dan Q4 dengan hukum kirchoft tegangan dari
loop Basis–Emitor transistor Q3.
UCC – RC2 . IC2 – UBE3 – RE IE3 – RE2 (2 IE3) + UEE = 0
10-(2,2 k? ) (0,988 mA)-0,715V-(100) (IE3)-(30 k? )-(IE3) 10V =0
10 V – 2,17 V – 0,715 V + 10 V – (30,1 k? ) > IE 3 = 0
IE3 = 30,1kO
17,12 V
= 0,569 mA = IE4
Karena itu tegangan kolektor pada Q3 dan Q4 adalah:
UC3 = UC4 = UCC – RC4 . IC4
= UCC – RC3 . IC3
= 10 V – (1,2 k? ) (0,569 mA)
= 9,32 V (lihat Gambar 2.25 UE3 = 7,12 V)
Karenanya, UCE3 = UCE4 = UC3 - UE3 = (9,32-7,12) V = 2,2 V
Akibatnya pada Q1 dan Q2, serta Q3 dan Q4
ICQ1,2= 0,988 mAICQ3,4 = 0,569 mA
UCEQ1,2 = 8,545 VUCQ3,4 = 2,2 V
Terminal output (UC4) adalah 9,32 V dan tidak nol volt.
Maka resistor emitor AC re dari masing-masing tingkat dan kemudian
penguatan tegangan adalah
r e1
25mV
I E1
25mV
0,988mA
25,3 r e2
r e3
25mV
I E3
25mV
0,569mA
43,95 r e4
Pada tingkat I, penguat diferensial “dual input, balanced output”, karena
itu penguatan tegangannya (penguatan beda).
Ad1
Uo1
Uid
RC1
Ri2
r e1
Di mana: Ri2 = 2 ? ac (re3 + RE)
= (200) (143,94) = 28,79 k?
281
Ad1
2,2k
28, 79k
25,3
80,78
Pada tingkat II (penguatan beda)
Ad1
Uo1
Uo
RC4
2 RE r e4
1,2k
287,88
4,17
Penguatan tegangan total: (Ad)
Ad = (Ad1) (Ad2) = (80,78) (4,17) = 336,85
Resistor input:
Ri1 = 2 ? ac (re1) = (200) (25,3) = 5,06 k?
Resistor output
Ro2 = Rc4 = 1,2 k?
2.2.11.2.10. REDEKSI PENERJEMAH LEVEL (LEVEL TRANSLATOR)
Dari hasil Contoh 2.8 penguat diferensial cascade dapat dibuat suatu
“Level Translator”.
Karena kopel langsung (direct coupling), level DC pada kenaikan emitor
dari tingkat satu sampai ke tingkat yang lainnya.
Kenaikan level DC ini dijaga untuk digeser titik kerjanya sampai ke tingkat
yang dianggap sempurna dan oleh karena itu akan membatasi swing
tegangan output dan mengubah sinyal output.
Contoh dari soal dengan Gambar 2.25 di mana tegangan emitor dari Q1
dan Q2 dari tingkat pertama sebesar –0,715 V, sedangkan tegangan
Emitor dari Q3 dan Q4 sebesar 7,12 V. Berikut ini digambarkan rangkaian
“level translator“ (Gambar 2.26)
Jika menggunakan satu tingkat, maka tegangan emitor dari Q3 dan Q4
akan sebesar –0,715 V. Karena itu akan menaikkan tegangan emitor
pada tingkat kedua dan akan mengubah titik kerja dari tingkat penguat
diferensial.
Tegangan output pada tingkat kedua Gambar 5.38 semuanya terhadap
ground. Level DC ini tidak diinginkan karena hal ini dijaga untuk
membatasi swing tegangan output puncak ke puncak (peak to peak)
tanpa adanya distorsi dan juga termasuk menjaga adanya kesalahankesalahan
sinyal output DC.
Pada Gambar 2.25 bagian tingkat akhir adalah termasuk penggeser level
output DC dari tingkat kedua sampai berkisar 0 V terhadap ground.
Tingkat ini sering disebut “Level Translator” atau “shifter”. Karena itu
penguat diferensial kaskade adalah untuk menggeser level output DC ke
282
bawah sampai 0 volt, sehingga bagian tingkat akhir harus dibuat
rangkaian translator.
(a) (b)
(c)
Gambar 2.221 Rangkaian “Level traslator”: (a) “Emitter follower” dengan
Pembagi tegangan, (b) “Emitter follower” dengan bias
arus konstan, (c) “Emitter follower” dengan “current
mirror”
2.2.11.2.10.1. CONFIGURASI BASIS BERSAMA–EMITOR BERSAMA
(CE–CB CONFIGURATION)
Seperti diketahui bahwa konfigurasi penguat untuk sinyal kecil ada tiga,
masing-masing yaitu: Emitor Bersama (Common Emitter), Basis bersama
(Common base), kolektor bersama (Common Collector) atau biasa
disebut dengan “Emitter flower”.
283
Untuk rangkaian penguat diferensial dikembangkan dari satu tingkat
penguat dengan satu “Common” menjadi hubungan rangkaian dua
tingkat atau lebih dan dengan sistem dua “common”. Sehingga
sambungan “common” merupakan gabungan dari keduanya.
Secara sambungan kombinasi dari sistem konfigurasi rangkaian penguat
diferensial ada beberapa, yaitu:
Sambungan kolektor bersama-kolektor bersama (CC-CC connection)
Sambungan kolektor bersama-emitor bersama (CC-CE connection)
Sambungan kolektor bersama-basis bersama (CC-CB connection)
Sambungan emitor bersama-emitor bersama (CE-CE connection)
Sambungan emitor bersama-basis bersama (CE-CB connection)
Untuk pasangan Darlington dapat digunakan sebagai konfigurasi CCCC.
Ini terdiri dari dua transistor di mana kedua kolektor transistor
disambung bersama-sama dan basis dari transistor kedua disambungkan
dengan emitor yang pertama. Ini secara prinsip untuk mempertinggi
faktor penguatan arus ? .
Keuntungan lain CC-CC adalah untuk memperoleh tegangan output yang
sama dengan tegangan output yang sama dengan tegangan input, dan
memperoleh penguatan arus yang tinggi.
Konfigurasi CC-CE, menggunakan pasangan Darlington pada transistor
tunggal dalam konfigurasi CE.
Pada konfigurasi ini penguatan arus dan resistansi input telah diperbaiki
terutama factor ? yang lebih pada penguatan konfigurasi CE.
Analisis DC
Pada penguat kaskade seperti tampak pada Gambar 2.28 berikut R1, R2,
dan R3 adalah bentuk rangkaian Q1 dan Q2.
+Ucc
Uo
Q2
CB
Q1
CE
RE
UE1
CS1
-UEE
UBE1
R3
R2
R1
CS2
Ci
+
-
Gambar 2.222 Penguat Kaskade
284
Cs1 dan Cs2 merupakan saluran sinyal AC terhadap ground dari emitor
Q1dan basis Q2 dan Ci adalah kapasitor kopel, pada rangkaian ini
diasumsikan bahwa transistor Q1 identik dengan Q2 dan pada kondisi DC
kapasitor-kapasitor ini diasumsikan terbuka (open circuit).
Karena transistor Q1 dan Q2 identik dan kopel langsung antara tingkat CECB,
maka:
IE1 = IE2 atau IC1 = IC2 dan IB1 = IB2
Ini berarti bahwa dalam menentukan arus emitor hanya dari Q1 saja
dengan menggunakan pembagi tegangan:
UR1
R1 UCC
R1 R2 R3
(2.43)
UE1 = UR1 – UBE1
Sehingga I E1
UE1
RE
Disubtitusikan akan didapat:
I E1
R1 UCC
R1 R2 R3
UBE1
RE
Karena itu dari sini bisa ditentukan semua arus dan tegangan pada ketiga
terminal dari transistor Q1 dan Q2 jika diinginkan.
Analisis AC
Dengan rangkaian ekuivalen T untuk sinyal kecil pada penguat kaskade
seperti Gambar 2.223 berikut ini.
Rin = 0
iin ib 1 B1
iRB ie 1
RB
re 1
+
-
E 1
ic 1
C1 E2
ie2
-
+
re2
ic2
C2
RC
io
Uo
+
-
B2
Gambar 2.223 Rangkaian Ekuivalen T untuk sinyal kecil dari Penguat
Kaskade
Di sini rangkaian ekuivalen disajikan dalam realisis frekuensi rendah, dan
diasumsikan bahwa kapasitor merupakan elemen hubung singkat (short
circuit).
285
Maka besarnya penguatan tegangan, arus dan resistansi input dapat
ditentukan sebagai berikut:
Penguatan Tegangan (Voltage Gain)
Ui = (re1 ) (ie1) jika RB » re1
Uo1 = - (re2) ( ie1)
Catatan dari Gambar 2.29 bahwa RB = R1 // R2 ; re1 ? re2 untuk IE1 ? IE2
dan Uo2 adalah tegangan output dari tingkat penguat CE serta ? dc1 = ? dc2
dan ? ac1 = ? ac2.
Dengan ditentukan bahwa ie2 = ie1 dan ic1 ? ie1, maka ie2 ? ic2, maka
penguatan tegangan Au1 dari tingkat CE adalah:
Aui
Uo1
Ui
r e2 ii2
r e1 ie1
1 jika re1=re2
Tegangan output
Uo = - (Rc) (io )
io = ic2 = ie2 dan
ie2
Uo1
r e2
Disubtitusikan ke ie2 akan didapatkan:
Uo Rc
Uo1
r e2
Maka penguatan tegangan dari tingkat CB:
Uo
Uo1
Rc
r e2
(2.44)
Penguatan tegangan total dari konfigurasi CE-CB adalah:
Au
Uo
Ui
Uo1 Uo
Ui Uo1
RC
r e2
(2.45)
Dengan catatan re1 = re2
Penguatan Arus (Current Gain)
Penguatan arus Ai dari konfigurasi CE-CB adalah:
Ai
io
ii
ib1
ii
ie1
ib1
ie2
ie2
ic2
ie2
io
ic2
Karena ie1 = ic1 =ie2 = ic2 = io
286
Maka: Ai
ib1
ii
ie1
ib1
Menggunakan pembagi arus pada rangkaian input didapatkan:
I b1
RB ii
RB ac r e1
di mana RB = R1 // R2
Akibatnya: ie1 = ? ac . ib1
Sehingga persamaan penguatan arus menjadi:
Ai
RB ac
RB ac r e1
(2.46)
Resistansi Input (Ri)
Ui = re1 . ie1 = ? ac . re1 . ib1, jika ie1 = ? ac . ib1
Disubstitusikan:
I b1
RB ii
RB ac r e1
Ui ac r e1
RB ii
RB ac r e1
Karena perbandingan Ui / ii adalah sama dengan resistansi input, maka:
Ri
Ui
ii
ac RB r e1
RB ac r e1
(2.47)
2.2.11.3. INTERPRETASI DATA DAN KARAKTERISTIK OP-AMP
2.2.11.3.1.1. PENGANTAR
Sebelum menggunakan OP-AMP, secara prinsip harus mengerti lebih
dahulu tentang arti yang ada dalam data manual (data sheet) dari IC OPAMP
tersebut dan lebih baik lagi jika mengenali dan mengerti
karakteristiknya.
Secara umum “data sheet“ memberikan informasi tentang rating
maksimum mutlak, aplikasi, karakteristik kelistrikan, batasan performasi
(unjuk kerja), diagram pin, rangkaian ekuivalen dari peranti (device), dan
lain-lainnya.
Pada bab ini banyak dibahas bagaimana membaca data OP-AMP,
mendefinisikan parameter kelistrikan dan mengevaluasi signifikasi dari
OP-AMP serta mencari bagaimana mengekuivalenkan atau mencari
persamaan-persamaan dengan yang lain. Dengan mengerti karakteristik
dan mengerti data dan interpretasi dari OP-AMP, maka dapat memilih
OP-AMP yang akan digunakan pada macam-macam aplikasi.
287
2.2.11.3.2. OP-AMP KONDISI IDEAL
Op-Amp secara ideal memiliki karakteristik kelistrikan sebagai berikut:
1. Penguatan tegangan
(voltage gain) Au tak terhingga (? )
2. Resistansi input Ri sangat
besar (? )
3. Resistansi output Ro
sangat kecil (0)
4. Tegangan output nol jika
tegangan input nol
5. Bandwidth (lebar band)
sangat besar (? )
6. CMRR sangat besar (? )
dengan tegangan noise “common mode” (0)
7. Slew rate sangat besar
(? ), oleh karena itu tegangan perubahan tegangan input.
Secara praktik OP-AMP dapat dibuat dengan beberapa pendekatan
karakteristik ini, yaitu dengan menggunakan umpan balik negatif
(negative feedback).
288
2.2.11.4. RANGKAIAN APLIKASI OP-AMP
2.2.11.4.1. PENDAHULUAN
OP-AMP dalam praktiknya dirangkai dengan konfigurasi yang bermacammacam
dan dalam kondisi “closed loop” mempunyai penguatan yang
sangat tinggi (very high) dan hanya untuk sinyal yang lebih kecil (dalam
orde mikrovolt atau lebih kecil lagi) dengan frekuensi yang sangat rendah
dikuatkan secara akurat tanpa distorsi. Untuk sinyal-sinyal yang sekecil
ini sangat mudah terkena noise dan tak mungkin didapatkan pada suatu
laboratorium.
Di sisi lain penguatan tegangannya selain besar, juga tidak konstan.
Penguatan tegangannya bervariasi dengan perubahan suhu dan sumber
daya (sumber tegangan). Variasi penguatan tegangan ini relatif besar
untuk kondisi “open loop”, sehingga untuk penggunaan atau aplikasi
rangkaian linier tak mungkin. Hal ini disebabkan kebanyakan aplikasi
linier outputnya proporsional terhadap inputnya dari tipe OP-AMP yang
sama.
Dengan alasan di atas maka OP-AMP kondisi “open loop” secara umum
tidak digunakan dalam aplikasi linier. Untuk mengatasi hal di atas, maka
dilakukan dengan memodifikasi rangkaian dasar OP-AMP, yaitu dengan
tujuan mengontrol penguatannya. Modifikasi rangkaian dasar ini adalah
dengan menerapkan penggunaan umpan balik (“feedback”), yaitu sinyal
pada output diumpanbalikkan ke input secara langsung melalui jaringan
atau peralatan lain.
Klasifikasi umpan balik (“feedback”) ada dua macam, yaitu:
· Umpan balik negatif/degeneratif (negative feedback)
· Umpan balik positif/regeneratif (positive feedback)
Umpan balik negatif (negative feedback) sering disebut “degenerative”
karena mereduksi amplitudo tegangan output yang sekaligus akan
mereduksi penguatan tegangan dan biasanya berbalik fase terhadap
inputnya. Namun untuk umpan balik positif (positive feedback) sering
disebut “regenerative”, karena pada outputnya akan selalu besar
amplitudonya, dan outputnya sefase terhadap inputnya, maka sangat
sesuai digunakan sebagai rangkaian osilator.
289
2.2.11.4.2. RANGKAIAN DASAR
Pada dasarnya OP-AMP mempunyai penguatan tegangan dan impedansi
input yang sangat tinggi dan impedansi output yang rendah (lebih kecil
dari 100? ) dan tergantung pada beban.
a. Simbol OP-AMP
Uid R Au Uid
Ui2
Ui1
i
Ro
Uo RL
ii
+
-
+
-
b. Rangkaian ekuivalen OP-AMP
Gambar 2.224 Rangkaian Dasar OP-AMP
Penguatan tegangan untuk loop terbuka (open loop) adalah:
AUOL
UO
Uid
AUOL = penguatan tegangan “open loop”
Uid = tegangan input beda kedua terminal (Ui1 – Ui2)
Karena penguat pada OP-AMP dianggap linier, maka tegangan
saturasinya dengan persamaan pendekatan:
? Uosat = - (Ucc – 2) < uo < Ucc – 2 (2.48)
Misalkan: OP-AMP dengan Uosat = 10 V dengan penguatan tegangan
kondisi “open loop” = -105 dan Ri = 100 k? .
Maka besarnya Uid adalah:
Uid
Uoast
AOL
10
105 0,1mV
Dan besarnya arus input saat itu adalah:
I I
Uid
Ri
0,1 10 3
100 103 1nA
290
2.2.11.4.2.1. Input Pembalik (Inverting Input)
OP-AMP dengan metode input pembalik (inverting input) seperti Gambar
4.2 ini mempunyai input pada terminal inverting (-) dan terminal
noninverting dihubungkan ke ground (sebagai “common”) dan terminal
output diukur terhadap ground.
+
-
Uo
+
-
Uid
R1 iid
Rf
OP-AMP
i i
Ui
+
- -
+
if
Gambar 2.225 Rangkaian OP-AMP “inverting input”
Dari Gambar 2.225 dapat digambar rangkaian ekuivalennya.
+
-
Uo
+
-
Uid
R1 iid
Rf
OP-AMP
i i
Ui
+
- -
+
if
a. Rangkaian ekuivalen OP-AMP dengan penguatan konstan
R1 R
f
Ui
Ri = Au Uid
R
o
Uid
Uo
+
-
¥
b. Rangkaian ekuivalen OP-AMP untuk sinyal AC
Gambar 2.226 Rangkaian ekuivalen OP-AMP “Inverting Input”
291
Polaritas tegangan output Uo dari rangkaian ini adalah kebalikan
terhadap inputnya, atau jika inputnya AC, maka outputnya berbalik 180o
terhadap inputnya.
Sehingga metode “Node” tegangan diperoleh dari Gambar 2.226a
adalah:
iid
Uid
Ri
Ui Uid
R1
Uo Uid
RF
(4.3)
iid
Uo
AUOL
1
Ri
Ui Uo
AU0L
R1
Uo Uo
AUOL
RF
Dari persamaan di atas, jika AUOL = ? , maka didapatkan:
iid
Uo .
1
Ri
Ui 0
R1
Uo 0
RF
0
Ui
R1
U
R1
Uo
RF
Ui
R1
Uo
RF
Uo
Ui
RF
R1
Karena penguatan tegangan OP-AMP AU
Uo
Ui
, maka penguatan
tegangan (Au) untuk penguat “inverting input”:
AU
Uo
Ui
RF
R1
(4.4)
292
2.2.11.4.2.2. Input Bukan Pembalik (Noninverting Input)
Rangkaian OP-AMP dengan input bukan pembalik (noninverting input)
dengan sistem pengali penguatan yang konstan. Untuk menentukan
penguatan tegangan dari rangkaian OP-AMP ini terlebih dahulu
direpresentasikan dalam bentuk rangkaian ekuivalen (lihat Gambar
2.227).
+
-
Op Amp Uo
Ui
R1 Rf
Rangkaian OP-AMP “Noninverting Input”
Uo
Ui Rf
R1
Uid= 0
b) Rangkaian ekuivalen “Noninverting Input”
Gambar 2.227 Rangkaian OP-AMP dengan “Noninverting Input”
Dari rangkaian ekuivalen didapatkan:
Untuk: Uid = 0.
UI
R1
R1 RF
.UO
UO
UI
R1 RF
R1
1
RF
R1
Karena penguatan tegangan AU
UO
UI
,maka
Au
UO
UI
1
RF
R1
(4.5)
Atau dengan cara lain dapat ditentukan secara langsung dengan
membuat arus input OP-AMP mendekati 0.
293
+
-
Uo
Ui
f R
Ui R1
Uid
i f
i1
i
Gambar 2.228 Rangkaian inverting input dengan metode arus input
mendekati nol
Jika Ui positif, Uo didapat positif pula dan akibatnya i juga positif.
Tegangan U1 = I . R1, dan arus yang menuju terminal input noninverting
adalah mendekati nol. Sehingga arus yang lewat R1 dan RF harus identik,
maka didapatkan persamaan:
iF = i
UO U1
RF
U1
R1
,KarenaAU
U0
Ui
Maka
UO U1
U1
RF
R1
UO
U1
U1
U1
RF
R1
UO
U1
1
RF
R1
UO
U1
1
RF
R1
Karena arus input ke terminal “noninverting input” dianggap mendekati
nol, maka Uid ? 0, sehingga didapatkan Ui = U1.
AU
UO
U1
UO
UI
1
RF
R1
(2.49)
2.2.11.4.2.3. 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 (Gambar 2.229) menunjukkan rangkaian penguat
penjumlah. Rangkaian ini dianalisis dalam bentuk operasi fungsi linier.
294
+
-
Uo
U
R1
Uid Op Amp
R
R
2
3
U
U
1
2
3
a) Rangkaian “Summing Amplifier”
+
-
Uo
U
R1
Uid = 0
R
R
2
3
1 U2 U3
Rf
- -
+ +
b) Rangkaian Ekuivalen “Virtual Ground” dari “Summing Amplifier”
Gambar 2.229 Rangkaian “Summing Amplifier” dan Ekuivalen “Virtual
ground”
Besarnya tegangan output (Uo) tergantung pada tahanan depan (R1, R2,
dan R3) pada masing-masing tegangan input (U1, U2, dan U3) serta
tergantung pada tahanan umpan balik (RF).
Sehingga besarnya Uo adalah:
UO
RF
R1
.U1
RF
R2
.U2
RF
RR3
.U3 (2.50)
UO
U1
R1
U2
R2
U3
R3
RF
2.2.11.4.2.4. Rangkaian Pengurang (Substractor Circuit)
Rangkaian pengurang yang menggunakan OP-AMP pada dasarnya
saling mengurangkan dari dua buah inputnya. Gambar 2.230
menunjukkan rangkaian OP-AMP sebagai pengurang (“subtractor”), atau
kadang-kadang disebut juga penguat beda (differential amplifier).
295
+
-
Uo
R
R
OP-AMP
if 2
1
R4
R3 U
U1
2
i1
i2
Ui
Ui
1
2
Gambar 2.230 Rangkaian “Subtractor”
Jika arus yang masuk ke OP-AMP dianggap ideal, ii ? 0, maka dengan
persamaan “loop” (Ideal OP-AMP).
UI Ui1 iF .R2 Ui1 R2
Ui1 U0
R1 R2
Dengan menggunakan pembagi tegangan pada “node” “noninverting”:
U2
R4
R4 R3
.Ui2
Karena OP-AMP dianggap ideal, maka Uid ? 0, sehingga U1 = U2 Maka
besarnya tegangan output (Uo).
UO
R2
R1
Ui2 Ui1
R4
R3
Ui2 Ui1
Jika R2 = R4 = RF dan R1 = R3 = R, maka tegangan output (Uo):
UO
RF
R
Ui2 Ui1 (4.7)
Atau dengan cara lain yaitu metode superposisi, maka tegangan output
(Uo).
UO
R4
R3 R4
.
R1 R2
R1
.Ui2
R2
R1
.Ui1
Jika persamaan ini dibuat seperti ketentuan pemisahan di atas, yaitu R2 =
R4 = RF dan R1 = R3= R, maka persamaan menjadi:
296
UO
RF
R RF
.
R RF
R
.Ui2
RF
R
.Ui1
RF
R
.UI1
RF
R
.UI1
RF
R
Ui2 Ui1
Jadi, besarnya tegangan output (Uo) pada rangkaian substractor sama
saja dengan metode apa pun. Untuk pemakaian lebih lanjut bisa juga
menggunakan dua buah OP-AMP.
+
-
U
R1
OpAmp
R
R
2
3
1
+
-
Op Amp Uo
U2
Rf
Rf
+
-
Gambar 2.231 Rangkaian “Subtractor“ dengan 2 OP-AMP
Besarnya tegangan output (Uo) adalah:
UO
RF
R3
.
RF
R1
. U1
RF
R2
. U2
RF
R2
.U2
RF
R3
.
RF
R1
U1
RF
R2
U2
R
F2
R3 R1
U1
UO RF
U2
R2
RF U1
R1 R3
(4.8)
2.2.11.4.2.5. 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 fasenya. Di
samping itu, biasanya menggunakan OP-AMP yang mempunyai
impedansi input yang sangat tinggi dan impedansi output yang sangat
rendah. Gambar 2.232 berikut rangkaian “unity gain amplifier” (“buffer”).
297
+
-
Uo
Ui
Gambar 2.232 Rangkaian OP-AMP sebagai “buffer”Besarnya
tegangan output (Uo)
UO Ui (4.9)
Jadi, besarnya penguatan tegangannya adalah 1 dan oleh karena itu
biasanya disebut “unity follower amplifier”.
2.2.11.4.2.6. Rangkaian Integrator (Integrator Circuit)
Rangkaian integrator yang menggunakan OP-AMP hampir sama dengan
rangkaian-rangkaian “closed loop” lain yang menggunakan umpan balik
resistor. Bedanya di sini umpan baliknya menggunakan kapasitor (C).
Lebih jelasnya lihat rangkaian integrator (Gambar 4.10) berikut ini beserta
persamaan analisisnya.
+
-
Uid OpAmp Uo
R
i
f
i
i C
Gambar 2.233 Rangkaian Integrator dengan OP-AMP
Dari gambar rangkaian di atas dapat dibuat rangkaian ekuivalen berdasar
“virtual ground” sebagai berikut:
298
Uid = 0 Uo
R Xc
Jika Uid ? 0 dan xc =
1
j .w.k
1
2 . f .c
Atau dengan notasi Laplace xc =
1
jwc
1
s.c
Ini berarti jw = s (notasi Laplace), sehingga besarnya penguatan dapat
dicari secara berurutan sebagai berikut:
i
Ui
R
UO
xc
UO
1
s
C s.UOC s.C.Uo
Maka besarnya penguatan tegangan
i
O
U
U
UO
Ui
1
s.CR (2.51)
Sehingga besarnya tegangan output (Uo) dengan fungsi terhadap domain
waktu (time domain).
UO
1
C
i dt
1
C
ii dt
1
R C
Ui dt
UO
1
R C
Ui dt
1
R C
Ui t dt
(2.52)
2.2.11.4.2.7. Rangkaian Diferensiator (Differentiator Circuit)
Rangkaian diferensiator yang menggunakan OP-AMP, hampir sama
dengan rangkaian integrator, hanya saja umpan baliknya dan tahanan
depan ditukar. Gambar 2.234 berikut ini menunjukkan rangkaian
diferensiator.
299
+
-
Uo (t)
iid
R
OP-AMP
Ui (t)
if
i i
Gambar 2.234 Rangkaian Diferensiator
ii C
dUi
dt
Arus yang melewati kapasitor C juga sekaligus melalui R (iin = 0)
Maka:
UO iF .R ii .R RC
dU i
dt
JadiUO t R.C
dUi t
dt
(2.53)
2.2.11.4.3. SISTEM PENGONTROL SUMBER
Penguat operasi (OP-AMP) dapat digunakan untuk bermacam-macam
pengontrolan sumber. Dengan sebuah tegangan input dapat digunakan
untuk mengontrol tegangan atau arus output. Atau sebaliknya dengan
sebuah arus input dapat untuk pengontrolan ini biasanya digunakan pada
variasi-variasi hubungan pada rangkaian instrumentasi.
2.2.11.4.3.1. Tegangan Mengontrol Tegangan Sumber
Pada rangkaian ini tegangan output tergantung pada tegangan input
(dengan faktor skala pembalik). Rangkaiannya dengan menggunakan
OP-AMP seperti Gambar 2.235 berikut ini.
+
-
Uo
R1
Rf
OP-AMP
U1
300
+
-
Uo
R
Rf
OP-AMP
U
R
1 c
1
Gambar 2.235 Rangkaian Tegangan Mengontrol Tegangan Sumber
Gambar berikut menyatakan rangkaian ekuivalen ideal dari tegangan
mengontrol tegangan sumber secara ideal.
+
-
U1
kU1
+
-
Gambar 2.236 Rangkaian Ekuivalen Ideal
Gambar 2.235 dan 2.236 pada dasarnya hampir sama, hanya saja pada
inputnya berbeda, yaitu antara “inverting input” dan “noninverting input”.
Dalam Gambar 2.237a untuk menentukan tegangan output (Uo) sebagai
hasil pengontrolan:
UO
RF
R1
.U1 k .U1 (2.54)
Besarnya faktor pengontrolan:
k
UO
Ui
RF
R1
Sedangkan pada Gambar 2.237b untuk menentukan tegangan output
(Uo) adalah:
UO 1
RF
R1
.U1 k .U1 (2.55)
Dengan faktor pengontrolan k 1
RF
R1
301
2.2.11.4.3.2. Tegangan Mengontrol Arus Sumber
Suatu pengontrolan arus oleh tegangan input, kontrol ini memanfaatkan
arus pada rangkaian yang melalui R1 dan RF. Gambar 2.237a berikut
akan menjelaskan secara aliran arus.
+
-
Uo
R
Rf
OP-AMP
U
I
I1
0
1 1
Gambar 2.237a Rangkaian Tegangan Mengontrol Arus Sumber
Rangkaian ekuivalen ideal dari tegangan mengontrol arus sumber dapat
dilihat pada Gambar 2.237b berikut ini:
+
-
U1
Io
kU1
Gambar 2.237b Rangkaian Ekuivalen Ideal
Besarnya arus hasil pengontrolan oleh tegangan input adalah identik arus
yang melalui RF, yaitu:
I O
U1
R1
k .U1
302
2.2.11.4.3.3. Arus Mengontrol Tegangan Sumber
Suatu pengontrolan tegangan oleh arus input, kontrol ini memanfaatkan
arus input yang melalui RF.
Untuk lebih jelasnya lihat Gambar 2.238a dan 2.238b berikut ini.
+
-
Uo
R
Rf
OP-AMP
U
I
I1
0
1 1
Gambar 238a Rangkaian Arus Mengontrol Tegangan Sumber
+
-
kI1 0
I1
U
Gambar 2.238 b Rangkaian Ekuivalen Ideal
Besarnya tegangan output (Uo) adalah:
UO I 1.RF k .I 1
(2.56)
2.2.11.4.3.4. Arus Mengontrol Arus Sumber
Rangkaian ini harus output tergantung arus input, sebagai pengontrolan
terdapat arus yang melalui R1 dan RF seperti tampak pada Gambar
2.238a dan 2.238b berikut ini:
303
+
-
Uo
R Rf
OP-AMP
I
I
1
0
2
R1
I2
I
1
Gambar 2.239a Rangkaian Arus Mengontrol Arus Sumber
kI1
I1 I0
Gambar 2.239b Rangkaian Ekuivalen Ideal
Besarnya arus output sebagai pengontrolan dari arus input adalah:
I O I 1 I 2 I 1
I 1 R1
R2
1
R1
R2
I 1 k. I 1 (2.59)
2.2.11.4.4. FILTER AKTIF (ACTIVE FILTER)
Aplikasi OP-AMP yang populer adalah sebagai penyaring aktif (active
filter). Rangkaian filter aktif terdiri dari komponen pasif resistor-kapasitor.
Disebut “active filter” karena adanya penambahan komponen aktif berupa
penguat, yaitu OP-AMP, untuk memperoleh penguatan tegangan dan
pengisolasian sinyal atau penggerak sinyal (buffer).
Sebuah filter memperoleh output yang konstan dari kondisi dc sampai
dengan frekuensi “cut off” (fOH) dan tidak akan melalukan sinyal pada
frekuensi itu yang biasa disebut filter pelalu frekuensi rendah (low pass
filter). Sebaliknya, suatu filter yang akan melakukan sinyal sampai
frekuensi “cut off” (fOL) dan tidak akan melakukan sinyal pada frekuensi di
bawah itu disebut filter pelalu frekuensi tinggi (high pass filter). Dan bila
filter itu bekerja melakukan sinyal di antara kedua batasan frekuensi “cut
off” antara “low pass” dan “high pass filter” disebut “band pass filter”.
Untuk memudahkan penyebutan, filter-filter itu biasanya disingkat dalam
beberapa huruf saja, seperti:
- High Pass Filter (HPF)
- Low Pass Filter (LPF)
- Band Pass Filter (BPF)
304
Gambar berikut memperlihatkan peta daerah respon (tanggapan) dari
filter ideal seperti penjelasan di atas.
Low Pass
Filter
Band Pass
Filter
High Pass
Filter
f(Hz)
Gambar 2.240 Daerah Respon Filter Ideal
2.2.11.4.4.1. Filter Pelalu Frekuensi Rendah (LowPass Filter)
Filter pelalu frekuensi rendah menggunakan komponen resistor dan
kapasitor tunggal dengan sistem orde satu.
Gambar berikut 2.241a menunjukkan rangkaian “low pass filter” dan
Gambar 2.241b merupakan karakteristik respon ideal “low pass filter“.
+
-
Uo
R Rf
OP-AMP
2
U
R1
1 C1
Gambar 2.241a Rangkaian “Low Pass Filter”
Besarnya penguatan tegangan pada output kondisi frekuensi “cut off”
adalah konstan.
AU 1
RF
R2
(2.60)
305
Uo
Ui
- 20 db / decade
f (Hz)
foH
Gambar 2.242 Karakteristik respon ideal “Low Pass filter”
Dengan turun -20 dB pada frekuensi “cut off” per dekade, maka dapat
ditentukan frekuansi “cut off” (fOH).
f OH
1
2 1.C1
(2.61)
Berdasarkan teori rangkaian LPF (low pass filter) pada prinsipnya hanya
menggunakan resistor dan kapasitor dirangkai dengan sistem rangkaian
integrator seperti gambar berikut ini.
+
-
Uo
Ui
Op Amp
R
C
Gambar 2.243 Prinsip rangkaian LPF dengan sistem integrator
Jika Ui = Um sin wt, dan simetris serta linier, maka:
XC
1
2 .c
1
.c
Bila R dan C konstan dengan frekuensi bervariasi, maka dapat ditentukan
besarnya tegangan output Uo.
Untuk f «, maka Xc », sehingga: UO
Xc
R
.Ui ? »
Untuk f », maka Xc «, sehingga: UO
Xc
R
.Ui
Atau secara matematika dapat diuraikan sebagai berikut:
f ? 0 HZ ? Uo ˜ Ui (bila tanpa penguat tegangan)
306
f > fOH HZ ? Uo ˜ 0
Dengan kata lain sinyal input dengan frekuensi rendah sinyal input
diteruskan atau dilakukan ke output, yang besarnya hampir sama besar
dengan inputnya bila tanpa penguat. Sedangkan pada frekuensi tinggi
sinyal input diredam hampir mendekati nol.
2.2.11.4.4.2. Filter Pelalu Frekuensi Tinggi (High Pass Filter)
Besarnya frekuensi “cut off” tergantung pada besarnya kapasitor dan
resistor yang digunakan pada rangkaian filter.
Gambar 2.244 rangkaian filter aktif pelalu frekuensi tinggi (high pass filter:
HPF).
+
-
Uo
R Rf
OP-AMP
2
R1
C1
Gambar 2.244 Rangkaian Filter Aktif Pelalu Frekuensi Tinggi
Besarnya frekuensi “cut off” dari penguat tersebut adalah:
f OL
1
2 1C1
(2.62)
Berdasarkan teori, rangkaian filter pelalu frekuensi tinggi (HPF) dapat
digunakan rangkaian diferensiator seperti gambar berikut ini:
+
-
Uo
R
OP-AMP
U1 C
Gambar 2.245 Prinsip rangkaian HPF dengan sistem diferensiator
307
Jika Ui = Um sin wt dan XC
1
2 fc
1
.c
Maka: UO
R
XC.
Ui
Besarnya tegangan output secara matematika ditentukan (Uo) dalam dua
kondisi ekstrim, yaitu:
· Untuk f », maka Uo ? Ui (bila tanpa penguat tegangan)
· Untuk f «, maka Uo ? 0
Uo
Ui
- 20 db /
decade
f (Hz)
fol
Gambar 2.246 Karakteristik respon ideal “High Pass Filter”
2.2.11.4.4.3. Filter Pelalu Frekuensi Antara (Band Pass Filter)
Dalam rangkaian aktif, “Band Pass Filter” biasanya menggunakan dua
tingkat penguat, yaitu penguat tingkat pertama sebagai filter pelalu
frekuensi tinggi (HPF) dan filter tingkat kedua sebagai filter pelalu
frekuensi rendah (LPF). Dengan mengombinasikan kedua filter ini akan
dioperasikan sebagai respon “bandpass” sesuai dengan keinginan.
+
-
U
R1
OpAmp
R2
1
+
-
Op Amp Uo
RG RF
RG RF
C1
C2
(HPF) (LDF)
Gambar 2.247 Rangkaian Band Pass Filter
308
Uo
Ui
- 20 db /
decade
f (Hz)
0 fol foH
Gambar 2.248 Karakteristik respon ideal “Band Pass Filter”
Besarnya frekuensi batas dari respon BPF adalah:
f ol
1
2 1.C1
UntukHPF
f OH
1
2 2 .C2
untukLPF
2.2.11.4.5. RANGKAIAN INSTRUMENTASI
Aplikasi OP-AMP lainnya yang populer adalah sebagai penunjang dalam
pembuatan alat-alat ukur atau instrumentasi seperti voltmeter AC atau
voltmeter DC.
Peralatan lain dalam instrumentasi yang menggunakan OP-AMP adalah
“display driver”, instrumentasi amplifier, dan sebagainya.
2.2.11.4.5.1. Voltmeter DC
OP-AMP pada peralatan voltmeter DC ini digunakan sebagai penguat
dasar yang mempunyai karakteristik impedansi input yang tinggi dan
faktor skalanya tergantung pada harga resistor dan akurasinya.
+
-
Uo
R
Rf
OP-AMP
U1 1
M
100 k
100 k
Io
0 -1 mA Rs 10W
Gambar 2.249 OP-AMP sebagai Multimeter dc
309
Dari Gambar 4.249 di atas dapat dianalisis secara fungsi transfer,
sehingga diperoleh persamaan seperti berikut:
I O
UO
RF
R1
1
RS
100k
100k
.
1
10
1mA
10mV
Dari sini artinya setiap pengukuran Ui = 10 mV akan menghasilkan arus
yang mengalir melalui meter M sebesar 1 mA, sehingga jika tegangan
input Ui = 5 mV akan menghasilkan arus 0,5 mA atau penyimpangan
jarum adalah setengah dari skala penuh. Hal ini dapat diubah tingkat
kepekaannya yaitu dengan mengubah RF atau R1 dari rangkaian yang
ada pada OP-AMP.
2.2.11.4.5.2. Voltmeter AC
Pada dasarnya rangkaian Voltmeter AC sama dengan Voltmeter DC,
hanya saja perlu pembuatan sinyal AC yang masuk pada miliampere
meternya. Untuk rangkaian Voltmeter AC dapat dibangun seperti
Volmeter DC, hanya dilengkapi diode dan kapasitor pada outputnya.
+
- R
Rf
OP-AMP
U1
1
100k
100k
Rs W
M
10
C C
C
2
3 D1 D2
Gambar 2.250 OP-AMP sebagai Multimeter AC
Dalam hal ini sensitivitas multimeter AC ditentukan dengan menggunakan
fungsi transfer arus output dan tegangan input.
I O
UO
RF
R1
1
RS
100k
100k
.
1
10
1mA
10mV
2.2.11.4.5.3. Display Driver
“Display driver” yang dimaksudkan adalah sebagai penggerak penampil
(display). Contohnya lampu atau LED (Light Emiting Diode).
310
Adapun cara memasang display dapat ditentukan dengan cara
mengetahui input yang diberikan pada OP-AMP termasuk pemasangan
driver-nya.
Input
+
-
Uo
358
+ Ucc (5V)
RB
30 mA I = 600 mA
100 k
UBE
Q1(B > 20)
Gambar 2.251 OP-AMP sebagai “driver” Lampu
Input
+
-
Uo
358
+ Ucc (+ 5V)
RB
20 mA
180 k
I =
ULED = 1,5V
Gambar 2.252 OP-AMP sebagai “driver” LED
Menentukan komponen RB dan RD pada masing-masing Gambar 4.26
dan 4.27 adalah:
RB
UO UBE
I B
Icon
I B
I CQ1
hFE
I CQ1 I
. Tergantung transistor
Maka dari Gambar 4.26 jika IB = 30 mA dan I = 600 mA, maka hFE =
600
30
20,
311
baru dipilih transistor jenis apa yang mempunyai kemampuan ? , Ic, IB
sebesar tersebut.
Dari Gambar 4.47 akan didapatkan besarnya RD, yaitu:
RD
UO ULED
I
UO 1,5V
20mA
2.2.11.4.5.4. OP-AMP sebagai Amplifier Instrumentasi
Rangkaian ini pada dasarnya mempunyai sebuah output yang diperoleh
dari perbedaan kedua terminal input.
Lebih jelasnya dapat dilihat prinsip dasar OP-AMP sebagai amplifier pada
Gambar 2.253 berikut ini:
+
-
R
U2
+
-
U1
+
-
Uo
Op - Amp
R
R
R
R
R
R
p
Op - Amp
Op - Amp
Gambar 2.253 Rangkaian OP-AMP sebagai Amplifier Instrumentasi
Dengan menggunakan tiga OP-AMP yang semuanya terdapat pada
kemasan tunggal yang berisi empat OP-AMP (single quad OP-AMP),
maka tegangan output (Uo) dapat ditentukan sebagai berikut:
UO
U1 U2
1
2R
Rp
Sehingga: UO 1
2R
RP
U1 U2 k U1 U2 (4.22)
312
LATIHAN 4
1. Dari Gambar 4.2 jika telah ditentukan RF = 100 k? ?R1 = 50 k? ?dan
Ui = 2 mV, tentukan besarnya tegangan output Uo!
2. Dari Gambar 4.4a ditentukan RF = 100 k? dan R1 = 50 k? ?Bila
pada tegangan output (Uo) terukur = 1500 mV, tentukan berapakah
tegangan input (Ui) yang harus dimasukkan!
3. Dari soal 4.6.1 bila Uo = -450 mV, Ui = 150 mV, dan R1 = 50
k? ?tentukan RF!
4. Dari soal 4.6.2 bila Ui = -50 mV, Uo = -500 mV, dan RF = 9 k? ?
tentukan besarnya R1!
5. Berikan penjelasan tentang ciri-ciri penguat OP-AMP dengan input
inverting pada outputnya!
6. Penggunaan OP-AMP yang populer ada beberapa peralatan,
berikan contohnya (sebanyak 4 macam)!
7. Sebuah OP-AMP noninverting input dengan tegangan input Ui = 5
V dan mempunyai RF = 500 k? dan R1 = 10 k? dan tegangan
sumber ? 12 V DC. Berapakah besar tegangan Uo secara teori dan
secara praktik? Mengapa antara perhitungan teori dan praktik tidak
sesuai? (Gambarkan rangkaian seperti Gambar 4.4a)
8. Berapakah besar tegangan saturasi OP-AMP absolut?
3.
4.
LAMPIRAN A.1
DAFTAR PUSTAKA
Beuth, Klaus,“Elektronik 4 Digitaltechnik”, Vogel-Buchverlag,
Wuerzburg, 1982ac
”Elektronika Daya”, Gunadarma
ELWE, ”Lehrsysteme Leistungelektronik”.
Europalehrmittel, “Fachkunde Information Elektronik“, Verlag
Stuttgart hal 13/14.
Horn / Nur Lesson plan 51520104 PPPGT Malang 1988.
Horn / Rizal, Lesson Plan 51510102.
Horn / Sutrisno Lesson plan 52520203 PPPGT Malang 1988.
ITB, Polyteknik Mekanik Swiss, ”Teknik Listrik Terpakai”, hal 39
– 47
Kamajaya, ”Fisika 1”, Ganeqa Exact, Bandung, 1994.
MC68HC11F1 Technical Data, Motorola Inc., Arizona, 1990
MC68HC11F1 Programming Reference Guide, Motorola Inc.,
Arizona
M68HC11 Reference Manual, Motorola Inc., Arizona, 2002
MC68HC11F1 Technical Summary 8-Bit Microcontroller,Motorola
Inc., Arizona, 1997
M. Affandi Agus Ponijo, ”Pengetahuan Dasar Teknik Listrik”
M. Affandi Agus Ponijo, ”Pengetahuan Dasar Teknik Listrik”
“Microprocessor and Microcomputer”, ITT Fachlergänge,
Pforzheim, 1979
Nur / Supr , Lesson plan 51520101, PPPG Teknologi Malang,
1988.
Ogata, K(1997). “Teknik Kontrol Automatik”. Jilid 1. Erlangga:
Jakarta
PEDC, “Ilmu Listrik”, Bandung, PEDC, 1981, hal 127-129,PT
Gunung Agung, 1981.
LAMPIRAN A.2
Pflaum, Richard. ”Elektronik IVA Leistungelektronik (lehrbuch)
Werner Dzieia”, Verlag
KG Munchen
Pitowarno, E.(2006). “Robotika Disain, Kontrol, Dan Kecerdasan
Buatan”. Andi: Yogyakarta
Schmidt, Walf Deiter (1997). ”Sensor Schaltungs Technik”. Vogel
(Wurzburg). Germany
Sugihartono, Drs.(1996). “Dasar-dasar Kontrol Pneumatik”.
Tarsito: Bandung
Suma’mur P.K, Msc, Dr ; “Keselamatan kerja dan Pencegahan
kecelakaan” ;
Stielew, Roth, Prof, Dr, Ing. ”Institutfur Leistungselektronik und
Elektrische Antriebe”
W. Ernest, ”Elektrotecnik“, FranKfruft, Sauerlaender 1982, hal
13,14, 15-17.
Wil Helm Benz, ”Tabellen Buch Elektronik”, Kohl & Noltemeter &
10, Frankfurt, 1989
Uma’mur P.K, Msc, Dr ; ”Keselamatan kerja dan Pencegahan
Kecelakaan”
http://www.bbc.co.uk/schools/gcsebitesize/design/systemscontrol
/pneumaticsrev1.shtml. (12.01.2008)
http://64.78.42.182/sweethaven/MechTech/hydraulics01/module
main.asp? whichMod=0100. (12.01.2008)
en.wikipedia.org/wiki/Brushless_DC_electric_motor - 40k.
(12.01.2008)
LAMPIRAN B.1
DAFTAR ISTILAH
AC Choper
ADC
adder
aktuator
akumulator
alkali
alternatif current
ALU
amper
amplifier
amplitudo
AND
anoda
aritmatika
arus cerat
arus listrik
arus pusar
asam nitrat
assembler
atom
band pas filter
basis
beda potensial
bias
biner
biner
biner
bit
BJT
boolean
break down
bus
caption
carry
celcius.
chip
clock
coil
common
coulomb
counter
CPU
crowbaring
cut-off
daya listrik
DC Choper
dekoder
demodulasi
density
depletion Layer
depolarisator
desimal
destilasi
DIAC
diagram bode
diamater
dielektrikum
difusi
digital
dimmer
dioda
dioda Schottky
dioda varactor
dioda zener
dipole
direct current
diskrit
double
download
drain
efisiensi
ekivalen
LAMPIRAN B.2
ekonomis
elekrolisa
elektro statis
elektroda
elektrolit
elektron
elektronika daya
emitor
EXOR
Fahrenheit.
farad
fase
ferro magnetik
filter
flag
flip-flop
flow chart
fluks
form
forward bias
foto cell
frekuensi
frekuensi modulasi
fungsi
fuzzy
fuzzylemps
galvanis
gate
gaya gerak listrik
gaya gerak magnet
generator
HandShaking
henry
hertz
hidrolika
high pass filter
histerisis
hole
horse power
hukum Kirchhoff
hukum ohm
IGBT
Impendansi
indeks
induksi
induktansi
induktor
input
input pembalik
instrumentasi
integer
ionisasi
ISA
isolasi
jembatan Wheatstone
jendela
joule
Joule
junction
kapasitansi
kapasitas panas
katoda
katup
kelvin.
kimiawi
kode program
koefisien
kolektor
kondensator
konduksi
konfigurasi
konstanta
kontrol
kontroler
konveksi
konversi
konverter
korona
LAMPIRAN B.3
korosi
kursor
LDR
loop
loop
low pass filter
LPT
LSI
medan magnit
mekanik
memori
mikrokomputer
mikrokontroller
mneumonic
modulasi
MOS
MOSFET
motor stepper
muatan listrik
multiplekser
Neutron
NOT
offset
ohm
oksidasi
op-amp
op-code
OR
orde dua
orde satu
oscilator
osilasi
osilator
osiloskop
output
overflow
parallel
parity
pengalamatan
penghantar
penyearah
penyulutan
penyulutan
permitivitas listrik
pewaktu
phasa
piston
plant
plasma
pneumatik
pointer
pointer
polarisasi
polaritas
pop
port
port
potensial barier
potensiometer
potensiometer
power supply
PPI
PROM
prosedur
Proton
pulsa
push
PWM
radiasi
radiator
radioaktif
RAM
Reamur.
register
register
reluktansi
RePROM
resonansi
LAMPIRAN B.4
reverse bias
ROM
root locus
RS232
satu fase
sekuensial
semi penghantar
semikonduktor
semikonduktor
sensor
seri
servo
siemens
silicon
silikon
sinyal
sinyal
Source
stack
statement
stator
string
subrutin
tabel kebenaran
tahanan
tahanan jenis
tegangan
Tegangan Knee
tegangan listrik
temperatur
tesla
thermocouple
thyristor
tiga fase
timer
Titik Q
Toleransi
Transistor
transistor
transistor bipolar,
Transkonduktansi
transportasi
triac
Unijunction Transistor
unipolar
usaha listrik
USB
valensi
variabel
variant
visual basic
volt
watt
weber