3-1

BAB III

PIRANTI SEMIKONDUKTOR

Kata “piranti” dapat diartikan sebagai alat atau perkakas atau devais.

Piranti semikonduktor dapat diartikan sebagai alat atau komponen yang

berbahan semikonduktor, yang banyak digunakan dalam membangun suatu

peralatan elektronik, seperti dioda dan transistor. Pada bagian ini, akan

dibahas tentang dioda (termasuk dioda-dioda khusus) , transistor bipolar

(BJT), dan transistor unipolar atau transistor efek medan (FET).

3.1 Dioda

Dioda adalah komponen zat padat (solid state) yang paling dasar. Ada banyak tipe

dioda menurut karakteristik operasi dan aplikasinya misalnya dioda zener, dioda

pemancar cahaya (light emitting diode, LED) dan lain-lain. Dioda adalah devais dua

elektroda yang berlaku sebagai konduktor satu arah. Dioda tipe dasar adalah dioda

sambungan pn, yang terdiri atas bahan tipe p dan n yang dipisahkan oleh sambungan

(junction).

3.1.1 Sambungan p-n

Bila dilakukan doping pada kristal tunggal semikonduktor dengan impuritas (atom

pengotor) akseptor di salah satu sisi dan impuritas donor di sisi lain, maka terbentuklah

sambungan pn seperti terlihat pada Gambar 3-1. Bagian p konsentrasi lubangnya lebih

besar dibandingkan konsentrasi lubang bagian n, sebaliknva konsentrasi elektron di bagian

n lebih besar dibandingkan konsentrasi elektron di bagian p. Karena perbedaan konsentrasi

pembawa muatan tadi, mengakibatkan terjadi peristiwa difusi lubang dari bagian p ke n dan

elektron dari bagian n ke p.

Segera setelah lubang masuk ke bagian n yang kaya akan elektron, terjadi

rekombinasi (penggabungan kembali) antar lubang dan elektron. Demikian juga elektron

yang masuk ke bagian p yang kaya akan lubang segera bergabung dengan lubang. Akibat

rekombinasi ini daerah di sekitar sambungan menjadi kekurangan pembawa muatan dan

disebut daerah deplesi (kekurangan) atau daerah muatan ruang (space charge region)

atau daerah transisi.

Rapat muatan ruang ρ adalah nol pada sambungan, positif di sebelah kanan dan

negatif di sebelah kiri sambungan. Maka di daerah transisi terdapat medan elektris

3-2

dxEx

xo ερ= ∫

∫−= EdxV

or2

2

dxVd

εερ−=

ερ−=

dengan garis gaya dari kanan ke kiri. Medan elektris ini sebanding dengan integral rapat

muatan yang diturunkan dari persamaan Poisson berikut:

(3-1)

dengan ε = permitivitas, εr = permitivitas relatif, dan εo = permitivitas ruang bebas.

Gambar 3-1. Diagram skematik sambungan p-n. Dengan integrasi Persamaan (3-1) dan mengingat bahwa E = -dV/dt

maka:

(3-2)

Medan elektris ini menghalangi meningkatnya difusi lubang maupun elektron.

Perubahan potensial elektrostatis di daerah deplesi adalah integral negatif dari

fungsi medan elektris E.

(3-3)

Perubahan potensial ini membentuk tenaga potensial penghalang (barrier) yang

melewan difusi lubang lebih lanjut melewati sambungan. Tenaga potensial ini adalah

potensial x muatan, dengan muatan lubang adalah positif. Tenaga potensial penghalang

bagi elektron yang berdifusi dari sisi n lewat sambungan adalah sama dengan untuk

lubang, hannya bentuk kurvanya terbalik, karena muatan elektron adalah negetif.

Terlihat pada potensial kontak Vo pada daerah deplesi yang besarnya tergantung pada

konsentrasi lubang dan elektron serta suhu.

3.1.2 Sambungan p-n Sebagai Penyearah

Sambungan p-n sebagai penyearah (rectifier) berarti hannya dapat mengalirkan

muatan ke satu arah dan menahan aliran ke arah sebaliknya. Hal ini disebabkan adanya

perubahan prasikap (bias) tegangan pada dioda.

3-3

Prasikap/Prategangan Balik (Reverse Bias)

Prasikap balik diperoleh dengan menghubungkan bagian p dengan kutub negatif

baterai dan bagian n dengan kutub positif baterai (Gambar 3-2).

Gambar 3-2. (a). Sambungan p-n diberi prasikap balik (b). Simbol dioda sambungan p-n yang mendapat prasikap balik Lubang-lubang pada bagian p dan elektron-elektron pada bagian n akan menjauhi

sambungan. Akibatnya lubang-lubang pada bagian p akan mengalir ke kiri sedangkan

elekton-elektron pada bagian akan mengalir ke kanan, sehingga daerah deplesi menjadi

lebih lebar. Aliran pembawa muatan ini tidak dapat berlangsung terus karena untuk

menimbulkan aliran lubang, lubang ini harus diberikan oleh bagian n lewat sambungan.

Pada hal lubang di bagian n sangat sedikit, maka tidak terjadi arus. Tetapi sebenarnya

terjadi arus yang sangat kecil akibat timbulnya pasangan lubang-elektron pada kristal

akibat tenaga termis. Lubang-lubang yang dibangkitkan di bagian n akan mengalir ke

bagian p, demikian juga elektron-elektron yang dibangkitkan di bagian p akan mengalir

ke bagian n. Arus yang terjadi disebut arus balik jenuh (Io).

Mekanisme konduksi pada prasikap balik dapat diterangkan dengan cara lain. Bila

suatu tegangan V diberikan pada arah balik, maka tenaga potensial penghalang akan

bertambah sebesar qV. Hal ini akan mengurangi aliran pembawa mayoritas (lubang

pada n dan elektron di bagian n), tetapi pembawa minoritas tidak terpengaruh.

Prasikap/Prategangan Maju (Forward Bias)

Prasikap maju pada dioda sambungan p-n diperoleh dengan menghubungkan

bagian p dengan kutub positif baterai sedangkan bagian n dengan kutub negatif baterai

(Gambar 3-3). Dengan prasikap maju, tenaga potensial penghalang pada sambungan

akan diperendah. Lubang-lubang akan melewati sambungan dari bagian p ke bagian n

dan membentuk arus minoritas. Demikian juga elektron-elektron akan melewati

sambungan dari bagian n ke bagian p membentuk arus minoritas di bagian p. Arus total

yang melewati sambungan adalah jumlah arus minoritas elektron dan lubang.

3-4

( )arusdarivoltkesetaraan11600

TVT =

Gambar 3-3. (a). Sambungan p-n diberi prasikap maju (b). Simbol dioda sambungan p-n yang mendapat prasikap maju 3.1.3 Karakteristik Sambungan p-n

Hubungan arus dan tegangan pada dioda sambungan p-n dinyatakan dengan persamaan:

I = Io (eV/η V

T -1) (3-4)

dengan Io = arus balik jenuh η = 1 (untuk germanium), merupakan suatu faktor. ≈ 2 (untuk silikon)

(3-5)

= 0,026 pada suhu kamar T = 300 K

Persamaan (3-5) adalah persamaan relasi Einstein (Widodo, 2002:11).

Bentuk grafik karakteristik volt-amper yang diberikan oleh Persamaan (3-4)

diperlihatkan pada Gambar 3-4a. Untuk V positif yang besar (beberapa kali VT), angka

1 dalam kurung dapat diabaikan, sehingga arus naik secara eksponensial terhadap

tegangan, kecuali di suatu lingkungan yang kecil di titik pangkal. Apabila dioda

berprategangan mundur dan V beberapa kali VT, I ≈ -Io (arus balik tetap). Oleh karena

itu Io disebut arus balik jenuh. Bagian lengkungan yang terdiri dari garis patah-patah

pada prategangan balik Vz, karakteristik dioda memperlihatkan adanya penyimpangan

yang menyolok dan mendadak dari Persamaan (3-4). Pada tegangan kritis ini arus balik

yang besar mengalir dan dikatakan bahwa dioda ini berada dalam daerah dadal

(breakdown).

Dioda silikon dan germanium mempunyai sejumlah perbedaan yang penting untuk

perencanaan rangkaian. Perbedaan karakteristik volt-amper diperlihatkan pada Gambar

3-5 (dengan mengambil contoh dioda germanium IN270 dan dioda silikon IN3605).

3-5

Gambar 3-4. (a). Karakteristik volt-amper dari sebuah dioda p-n ideal (b). Karakteristik volt-amper dioda germanium, dengan skala diperbesar

pada arus balik

Gambar 3-5. Karakteristik volt-amper dari dioda germanium (IN270) dan silikon (IN3605) pada suhu 25 oC

Suatu ciri yang perlu dicatat dari Gambar 3-5, adalah adanya suatu tegangan potong-

masuk (cut in), titik putus (break point) atau ambang (threshold), Vγ. Di bawah

tegangan ini, arus sangat kecil. Di atas Vγ arus akan naik sangat cepat. Dari Gambar 3-5,

terlihat bahwa Vγ kira-kira sama dengan 0,2 V untuk dioda germanium, dan 0,6 V untuk

silikon. Referensi lain menggunakan istilah tegangan offset atau tegangan lutut yang

besarnya sekitar 0,7 V untuk dioda silikon (Malvino, 1994:37).

Pendekatan dioda:

Tahanan biasanya mempunyai toleransi ±5%, tegangan lutut dioda dapat

mempunyai toleransi sampai ±10%. Yang mempunyai arti di dalam dunia nyata

elektronika sehari-hari adalah jawaban-jawaban pendekatan.

3-6

a. Dioda ideal

Suatu dioda ideal berlaku sebagai konduktor yang sempurna (bertegangan nol)

jika diberi forward bias, dan berlaku sebagai isolator sempurna (berarus nol) jika diberi

reverse bias, seperti pada Gambar 3-6.

Gambar 3-6.(a) Karakteristik dioda ideal, (b).Saklar adalah ekivalen dengan dioda ideal

Dioda ideal berlaku seperti saklar (switch). Bila dioda diberi forward bias, ia bertindak

sebagai saklar yang tertutup, dan jika diberi reverse bias, bertindak sebagai saklar

terbuka. Ada kondisi di mana pendekatan ideal sangat tidak akurat, untuk itu diperlukan

pendekatan yang lain.

b. Pendekatan kedua.

Jika memperhitungkan tegangan offset, maka dioda dianggap sebagai sebuah

saklar yang diseri dengan baterai dengan tegangan offset (0,7 V untuk dioda silikon).

Jika tegangan sumber lebih besar dari 0,7 V, maka saklar menutup dan tegangan dioda

adalah 0,7 V. Jika tegangan sumber kurang dari 0,7 V atau jika tegangan sumber

negatif, maka saklar akan membuka (Gambar 3-7).

Gambar 3-7. (a). Karakteristik pendekatan kedua, (b). Rangkaian ekivalen terdiri atas saklar dan baterai

b. Pendekatan ketiga.

Pada pendekatan ketiga dari dioda, kita perhitungkan tahanan bulk rB. Dioda

konduk pada tegangan 0,7 V, kemudian tegangan selebihnya nampak pada tahanan

bulk, hingga tegangan dioda total lebih besar dari 0,7 V. Setelah dioda silikon konduk,

3-7

+

arus menghasilkan tegangan pada rB. Makin besar arus, makin besar tegangan tersebut.

Karena rB linier maka tegangan naik secara linier mengikuti kenaikan arus.

Gambar 3-8. (a). Karakteristik pendekatan ketiga, (b). Rangkaian ekivalen

Rangkaian ekivalen untuk pendekatan ketiga adalah sebuah saklar yang diseri

dengan baterai 0,7 V dan tahanan bulk rB (Gambar 3-8b). Setelah rangkaian luar

melewati potensial barier, arus dioda menghasilkan tegangan jatuh IR pada tahanan

bulk. Jadi tegangan total pada dioda silikon, adalah:

VF = 0,7 + IF rB (3-6)

Untuk kebanyakan hal praktis, pendekatan yang kedua adalah kompromi yang terbaik.

Contoh:

Pakailah pendekatan kedua untuk memperoleh arus dioda pada Gambar 3-9a (Gambar

3-9b merupakan rangkaian skematis yang diringkas, dan biasanya digunakan di

industri).

Gambar 3-9.

Penyelesaian:

Dioda dalam keadaan forward bias maka tegangan jatuhnya adalah 0,7 V, sehingga

tegangan pada tahanan adalah: (10 – 0,7) V = 9,3 V.

Jadi, arus dioda adalah: ID = 9,3[V]/5[kΩ] = 1,86 [mA].

3-8

3.1.4 Pengaruh Suhu

Pengaruh suhu terhadap perubahan Io adalah kira-kira 7%/oC. Karena (1,07)10 ≈

2 maka Io berlipat dua kali untuk setiap kenaikan 10 oC. Arus Io pada suhu T adalah:

Io (T) = Io1. 2(T-T

1)/10 (3-7)

Dengan Io1 : arus Io pada suhu T1.

Untuk arus yang konstan dV/dT turun dengan naiknya suhu:

dV/dT ≈ -2,5 mV/oC (3-8)

3.1.5 Rangkaian Dioda

a. Dioda Sebagai Elemen Rangkaian

Rangkaian dioda dasar diperlihatkan pada Gambar 3-10, yang terdiri atas dioda

yang seri dengan dengan tahanan beban RL dan suatu sumber sinyal masuk vi.

Gambar 3-10. Rangkaian dioda dasar

Dari Gambar 3-10, hukum tegangan Kirchhoff menyatakan bahwa:

v = vi – i RL (3-9)

Satu persamaan ini tidak cukup untuk menentukan dua variabel (v dan i) yang terdapat

dalam persamaan tersebut. Akan tetapi hubungan yang kedua antara kedua besaran ini

diberikan oleh persamaan karakteristik statik dari dioda (Gambar 3-5). Gambar 3-11a

ditunjukkan penyelesaian serempak dari Persamaan (3-9) dan karakteristik dioda. Garis

lurus yang digambarkan oleh Persamaan (3-9) disebut garis beban. Garis beban

memiliki titik-titik i = 0, v = vi dan i = vi/RL, v = 0. Perpotongan dengan sumbu

tegangan adalah vi dan sumbu arus vi/RL. Oleh karena itu kemiringan garis ini

ditentukan oeh RL, nilai negatif dari kemiringan sama dengan 1/RL. Titik perpotongan A

dari garis beban dengan lengkungan statik memberikan iA yang akan mengalir dalam

keadaan ini. Lukisan ini menentukan arus mengalir dalam rangkaian apabila potensial

sesaat vi.

3-9

Jika tegangan masuk berubah maka prosedur di atas harus diulang untuk setiap

nilai tegangan. Suatu grafik dari arus terhadap tegangan masuk disebut karakteristik

dinamik, dapat diperoleh dengan jalan berikut: arus iA digambar vertikal di atas vi di

titik B (Gambar 3-11b). Bila vi berubah, kemiringan dari garis beban tak berubah karena

RL tetap. Jadi apabila potensial yang diterapkan mempunyai nilai vi’ maka arus yang

bersesuaian dengannya iA’ . Arus ini digambarkan sebagai sebagai ntitik B’ di atas vi’.

Lengkungan yang diperoleh OBB’ dengan mengubah-ubah vi disebut karakteristik

dinamik.

Gambar 3-11. (a). Lengkungan statik dan garis beban, (b). Metode melukis kurva dinamik dari lengkungan statik dan garis

beban.

Lengkungan yang menghubungkan tegangan keluaran vo dan tegangan masuk

vi, dari setiap rangkaian disebut karakteristi transfer (alih) atau transmisi (penerusan).

Oleh karena dalam Gambar 3-10, vo = i RL maka lengkungan transfer mempunyai

bentuk yang sama dengan karakteristik dinamik.

b. Dioda Sebagai Pengaman Peralatan Elektronik

Oleh karena dioda hanya dapat menghantar arus dalam satu arah maka dioda

dapat digunakan untuk mencegah kerusakan peralatan elektronik akibat tertukarnya

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

(Gambar 3-12a & b).

(a) (b) Gambar 3-12. Rangkaian pengaman peralatan elektronik dengan menggunakan dioda

DF

PeralatanElektro-

nik

+

-

SumberDC

3-10

Pada Gambar 3-12a, ada jatuh tegangan sebesar tegangan offset pada dioda, sedangkan

pada Gambar 3-12b, tidak ada jatuh tegangan pada dioda, dan fuse (F) akan putus jika

polaritas (+) dan (-) terbalik.

c. Dioda Sebagai Elemen Rangkaian Penyearah

Hampir semua rangkaian elektronik memerlukan suatu sumber daya dc. Baterai

dapat digunakan sebagai sistem daya rendah yang dapat dibawa. Akan tetapi sering alat-

alat elektronik diberi energi oleh catu daya (power supply) suatu alat yang mengubah

bentuk gelombang balik-balik dari PLN menjadi tegangan yang searah. Suatu alat,

seperti dioda semikonduktor yang dapat mengubah suatu bentuk gelombang masukan

sinusoidal (yang nilai rata-ratanya sama dengan nol) menjadi gelombang searah

(walaupun tidak tetap) dengan komponen rata-rata taksama dengan nol disebut suatu

penyearah.

Penyearah Setengah Gelombang

Rangkaian dasar dari penyearah setengah gelombang diperlihatkan pada Gambar

3-13.

Gambar 3-13. Penyearah setengah gelombang. Oleh karena masukan dalam rangkaian penyearah vi = Vm sin ωt, mempunyai nilai

puncak Vm yang sangat besar dibanding dengan tegangan potong/offset Vγ dari dioda,

kita anggap dalam pembahasan berikut bahwa Vγ = 0. Dengan dioda dibayangkan

sebagai tahanan Rf dalam keadaan ON dan sebagai suatu hubungan terbuka dalam

keadaan OFF, arus i dalam dioda atau dalam beban RL adalah:

i = Im sin α bila 0 ≤ α ≤ π

i = 0 bila π ≤ α ≤ 2π (3-10)

3-11

di mana α = ωt, dan Lf

mm RR

VI

+= (3-11)

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

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

sehingga nilai rata-ratanya tidak sama dengan nol. Menurut defenisi nilai rata-rata suatu

fungsi periodik diberikan oleh suatu luas dari kurva satu periode dibagi alas. Secara

matematik:

∫π

απ

=2

0

dc di2

1I (3-12)

Untuk rangkaian setengah gelombang:

π

=ααπ

= ∫π

m

0

mdc

IdsinI

2

1I (3-13)

Tegangan keluaran dc:

fdcmLm

Ldcdc RIVRI

RIV −π

=π

== (3-14)

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

keluaran dc dapat dituliskan:

[ ] efm

0m

0

m

T

0

mdc V45,0V

cosV2

10dsinV

2

1dsinV

T

1V =

π=α−

π=+αα

π=αα= π

π

∫∫ (3-15)

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

Contoh :

Suatu penyearah setengah gelombang dengan menggunakan transformator 220/12 V

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

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

tegangan output penyearah = 5,4 – 0,7 = 4,7 V. Jika resistansi beban diketahui, maka

arus beban rata-rata Idc dapat dihitung.

Karena penyearah setengah gelombang adalah rangkaian satu loop, arus dioda

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

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

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

(breakdown), puncak tegangan balik ini harus lebih rendah daripada batas kemampuan

PIV dioda.

3-12

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

gelombang, frekuensi riak sama dengan tegangan input.

Penyearah Gelombang Penuh

Rangkaian dari penyearah gelombang penuh diperlihatkan pada Gambar 3-14.

Gambar 3-14. Penyearah gelombang penuh

Rangkaian ini mengandung dua rangkaian penyearah setengah gelombang yang

dihubungkan sedemikian sehingga penghantaran terjadi melalui satu dioda selama

setengah periode dan melalui dioda yang lain selama setengah periode yang kedua. Arus

ke beban, yang merupakan jumlah dari kedua arus ini mempunyai bentuk seperti yang

ditunjukkan pada Gambar 3-14b.

Nilai dc dari arus dan tegangan dalam sistem tersebut adalah:

fdcmLm

dcm

dc RIV2RI2

V;I2

I −π

=π

=π

= (3-16)

Dengan cara yang sama pada Persamaan (3-15) maka diperoleh tegangan dc pada

penyearah gelombang penuh (dengan mengabaikan tahanan dioda Rf):

efm

dc V9,0V2

V =π

= (3-17)

Contoh :

Suatu penyearah gelombang penuh dengan menggunakan transformator 220/12 V

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

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

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

3-13

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

penyearah gelombang penuh setiap dioda konduksi secara bergantian (D1 konduksi

untuk siklus positif dan D2 konduksi pada siklus negatif), sehingga arus dc pada setiap

dioda sama dengan ½ arus beban dc-nya. PIV dioda sama dengan tegangan

puncak/maksimum sisi sekunder transformator. Frekuensi riak sama dengan dua kali

frekuensi tegangan input.

Penyearah Jembatan

Gambar 3-15. Penyearah jembatan

Penyearah jembatan merupakan penyearah gelombang penuh yang menggunakan 4

dioda dan setiap siklus tegangan input melewati 2 dioda. Pada penyearah gelombang

penuh biasa, hanya menggunakan 2 dioda, tetapi transformator yang digunakan adalah

trasformator yang mempunyai tap di tengah (transformator CT/center tap).

Penyearah yang paling banyak digunakan adalah penyearah jembatan, sehingga pabrik

banyak yang membuat penyerah jembatan dalam satu modul.

Penapis (Filter) Kapasitor

Karena output penyearah masih merupakan tegangan yang masih berdenyut /

beriak, maka untuk memperoleh tegangan DC yang rata (nilai tetap) dibutuhkan sebuah

penapis (filter). Filter yang banyak digunakan adalah kapasitor yang dipasang paralel

terhadap beban.

Gambar 3-16 menunjukkan pendekatan bentuk gelombang tegangan beban vo dalam

suatu penyearah gelombang penuh dengan tapis kapasitor.

Apabila total tegangan pengosongan muatan kapasitor (riak tegangan) diberikan oleh Vr

maka nilai rata-rata dari tegangan kira-kira:

Vdc = Vm – Vr/2 (3-18)

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

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

3-14

menyatakan seluruh waktu tak menghantar, kapasitor akan kehilangan muatan IdcT2

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

dalam tegangan kapasitor adalah IdcT2/C atau:

Vr = (IdcT2)/C (3-19)

Gambar 3-16. Bentuk gelombang tegangan output penyearah gelombang penuh dengan

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

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

adalah frekuensi dasar listrik PLN. Maka:

fC2

IV dc

r = (3-20)

dan dari Persamaan (3-18), diperoleh:

Cf4

IVV dc

mdc −= (3-21)

Persamaan (3-21) berlaku untuk penyearah gelombang penuh, sedangkan untuk

penyearah setengah gelombang: Cf2

IVV dc

mdc −= .

d. Rangkaian Pelipat Tegangan (Voltage Multiplier)

Pelipat tegangan adalah dua atau lebih penyearah puncak yang menghasilkan

tegangan DC sama dengan perbanyakan puncak tegangan input (2Vp, 3Vp, 4Vp, dan

seterusnya). Catu daya ini digunakan untuk alat-alat tegangan tinggi/arus rendah.

Pelipat dua tegangan terdiri dari dua macam, yaitu pelipat dua tegangan setengah

gelombang dan pelipat dua tegangan gelombang penuh. Gambar 3-17 memperlihatkan

rangkaian penyearah pelipat dua tegangan setengah gelombang dan Gambar 3-18

memperlihatkan rangkaian penyearah pelipat dua tegangan gelombang penuh.

3-15

Pada penyearah pelipat dua tegangan setengah gelombang seperti pada

Gambar 3-17, pada puncak setengah siklus negatif, D1 berprategangan maju dan D2

berprategangan balik. Idealnya, C1 dimuati sampai tegangan puncak Vp. Pada puncak

setengah siklus positif, D1 berprategangan balik dan D2 berprategangan maju. Karena

sumber dan C1 terhubung seri, C3 akan berusaha mengisi lewatannya sampai 2Vp.

Setelah beberapa siklus, tegangan melintas C2 akan sama dengan 2Vp. Selama RL besar

atau diberi beban yang ringan, tegangan output idealnya akan sama dengan 2Vp. Karena

kapasitor output C2 hanya dimuati sekali setiap siklus, maka frekuensi riaknya sama

dengan frekuensi sumber.

Gambar 3-17. Rangkaian penyearah pelipat dua tegangan setengah gelombang

Pada penyearah pelipat dua tegangan gelombang penuh seperti pada Gambar

3-18, pada setengah siklus positif dari sumber, kapasitor C1 dimuati sampai tegangan

puncak dengan polaritas seperti pada gambar. Pada setengah siklus berikutnya, C2

dimuati sampai tegangan puncak Vp seperti pada gambar. Untuk beban yang ringan,

tegangan output mendekati 2Vp. Rangkaian ini disebut pelipat dua tegangan gelombang

penuh karena salah satu kapasitor outputnya dimuati setiap setengah siklus. Dengan

pendekatan lain, riak outputnya sama dengan 2 kali frekuensi input. Frekuensi riak ini

menguntungkan sebab mudah difilter.

Gambar 3-18. Rangkaian penyearah pelipat dua tegangan gelombang penuh.

3-16

3.2 Dioda-dioda Untuk Tujuan Khusus

3.2.1 Dioda Zener

Dioda zener berbeda dengan dioda biasa yang tidak pernah dengan sengaja

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

pada daerah tembus. Dioda zener merupakan tulang-punggung pengatu tegangan, yaitu

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

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

beban.

Gambar 3-19. Lambang dioda zener Gambar 3-20. Grafik I-V dioda zener

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

daerah maju, ia menghantar seperti pada dioda biasa. Pada daerah bocor (antara nol dan

tembus), ia hanya mempunyai arus bocor yang sangat kecil. Pada dioda zener,

lengkungan di sekitar titik tembusnya berbentuk lutut yang sangat tajam, tegangannya

hampir tetap (mendekati VZ) pada hampir semua daerah tembus. Lembaran data

biasanya menetapkan nilai VZ pada arus pengesetan tertentu (IZT).

Batas Kemampuan Maksimum

Pembuangan daya pada dioda zener sama dengan hasil kali tegangan dan arusnya.

PZ = VZ IZ (3-22)

Selama PZ lebih kecil daripada batas kemampuan daya, dioda zener dapat beroperasi di

daerah tembus tanpa mengalami kerusakan. Lembaran data kadang-kadang

mencantumkan arus maksimum yang dapat dilewatkan dioda zener tanpa melebihi batas

kemampuan dayanya. Arus maksimum ini berhubungan dengan batas kemampuan daya

sebagai berikut:

IZM = PZM/VZ (3-23)

di mana : IZM = batas kemampuan arus zener maksimum PZM = batas kemampuan daya VZ = tegangan zener

VZ

I

V IZT

IZM

3-17

Pendekatan Dioda Zener

(a) (b) (c)

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

mempertahankan tegangan output yang tetap meskipun arus yang melaluinya berubah.

∆VZ = ∆IZ. RZ (nilai RZ kecil).

Gambar 3-22. Pengatur zener

Perbandingan riak output terhadap riak input sama dengan perbandingan resistansi

zener terhadap resisitansi seri.

S

Z

S

Z

R

R

V

V =∆∆

(3-24)

Supaya sebuah pengatur zener dapat menjaga agar tegangan outputnya tetap, maka

dioda zener harus tetap berada di daerah tembus dalam segala keadaan operasi, ini

berarti bahwa harus selalu ada arus zener untuk semua tegangan sumber dan arus beban.

Resistansi seri maksimum yang diperbolehkan:

(max)L

Z(min)S(max)S I

VVR

−= (3-25)

VZVZ

RZGambar 3-21. a. Lambang dioda zener b. Pendekatan ideal c. Pendekatan yang memperhitungkan resistansi zener

SLS

LTH V

RR

RV

+=

Supaya zener beropersi pada daerah breakdown : VTH > VZ

Arus seri IS = (VS – VZ)/RS

Arus beban VL ≅ VZ IL = VL/RL

Arus zener IZ = IS – IL

3-18

Contoh 1.

Gambar 3-23. Penyelesaian :

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

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

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

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

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

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

output sama dengan tegangan pada zener.

Contoh 2.

Gambar 3-24.

a. Berapa nilai pendekatan arus zener

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

c. Berapa nilai kritis resistansi seri

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

bekerja?

Penyelesaian :

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

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

b. S

Z

S

Z

R

R

V

V =∆∆

mV,VVR

RV S

S

ZZ 7264

1500

10 ==∆=∆

VZ

Rs

Vs Vout

Z VZ

Rs

VsRL

Diketahui rangkaian dengan dioda zener seperti pada Gambar 3-24. RS = 1,5 kΩ, Tahanan zener = 10 Ω, VZ = 10 V, RL = 1 kΩ

Diketahui rangkaian dengan dioda zener seperti pada Gambar 3-23. RS = 820 Ω, Tahanan zener = 7 Ω, VZ = 10 V, hitunglah perubahan tegangan zener jika tegangan sumber VS berubah dari 20 V ke 40 V !

3-19

c. (max)L

Z(min)S(max)S I

VVR

−= = (40 – 10)V/10 mA = 3 kΩ

d. SLS

LTH V

RR

RV

+= < VZ RL/(1,5+RL)40 < 10. RL < 0,5 kΩ

RL < 500 Ω

3.2.2 Alat-Alat Optoelektronika

Optoelektronika adalah teknologi yang menggabungkan optika dan elektronika.

Bidang yang menyajikan ini meliputi beberapa alat yang didasarkan atas perilaku

persambungan pn. Contoh alat optoelektronika adalah LED, fotodioda dan optocoupler

(penggabung optika).

a. Dioda Pemancar Cahaya (Light Emitting Diode : LED)

Pada dioda berprategangan maju, electron bebas melintasi persambungan dan

jatuh ke dalam lubang (hole). Pada saat electron ini jatuh dari tingkat energi yang lebih

tinggi ke tingkat energi yang lebih rendah, ia memancarkan energi. Pada dioda-dioda

biasa, energi ini dalam bentuk panas, tetapi pada LED energi ini memancar sebagai

cahaya. Dioda-dioda biasa dibuat dari silicon, tetapi LED dibuat dari bahan gallium,

arsen, dan fosfor. LED ada yang memancarkan cahaya warna merah, hijau, kuning,

biru, jingga, atau infra merah (tak tampak). LED yang menghasilkan pemancaran di

daerah cahaya tampak amat berguna dalam instrumentasi, alat hitung (kalkulator) dan

sebagainya. LED inframerah, pemakaiannya dijumpai dalam sistem bahaya pencuri dan

bidang-bidang lain yang memerlukan pemancaran cahaya tak tampak.

Kecemerlangan LED tergantung dari arusnya. Cara berikut merupakan cara yang umum

untuk merangkai LED yang dihubung seri dengan sebuah tahanan.

Gambar 3-25. Rangkaian LED

Contoh aplikasi LED dalam suatu rangkaian catu daya:

+Vs

Rs

LED

Arus pada LED:

S

LEDS

R

VVI

−= (3-26)

3-20

Gambar 3-26. Rangkaian catu daya yang dilengkapi LED Jika LED pada Gambar 3-26, mempunyai jatuh tegangan minimum = 1,5 V dan

maksimum = 2,3 V, tegangan beban = 10 V dan R1 = 470 Ω, hitunglah nilai minimum

dan maksimum dari arus dioda !

Arus LED maksimum pada saat jatuh tegangan min. : Imax = (10-1,5)/470 = 0,018 A =

18 mA.

Arus LED minimum pada saat jatuh tegangan maks. : Imin = (10-2,3)/470 = 0,016 A =

16 mA.

Gambar 3-27a memperlihatkan penunjuk tujuh-segmen, yang terdiri dari 7 LED

segi-empat (A sampai G). Setiap LED disebut segmen karena ia membentuk bagian dari

karakter yang sedang ditampilkan. Gambar 3-27b adalah diagram skematik dari

penampilan tujuh-segmen. Dengan menghubungkan satu atau lebih tahanan dengan

bumi, kita dapat membentuk semua bilangan dari 0 sampai dengan 9.

(a) (b)

Gambar 3-27. Penunjuk tujuh-segmen b. Fotodioda

Fotodioda adalah satu alat yang dibuat berfungsi paling baik berdasarkan

kepekaanya terhadap cahaya. Pada dioda ini, sebuah jendela memungkinkan cahaya

untuk masuk melalui pembungkus dan mengenai persambungan. Cahaya yang datang

TrafoRL1000 uF

R1

LED

R2

Z

SumberAC

A

B

C

D

E

F G

+V

A B C D E F G

3-21

menghasilkan electron bebas dan lubang. Makin kuat cahayanya makin banyak jumlah

pembawa minoritas dan makin besar arus baliknya. Gambar 3-28 memperlihatkan

lambang skematis fotodioda.

Gambar 3-28. Fotodioda

Fotodioda merupakan salah satu contoh fotodetektor, yaitu sebuah alat optoelektronika

yang dapat mengubah cahaya datang menjadi besaran listrik.

c. Optocoupler

Optocoupler (disebut juga optoisolator atau isolator yang tergandeng optik)

menggabungkan LED dan fotodioda dalam satu kemasan. Gambar 21 menunjukkan

salah satu contoh dari optocoupler, yang mempunyai LED pada sisi input dan fotodioda

pada sisi output.

Gambar 3-29. Optocoupler Tegangan sumber V1 dan tahanan seri R1 menghasilkan arus melalui LED. Cahaya dari

LED mengenai fotodioda, dan menyebabkan timbulnya arus balik I2.

Vout = V2 – I2 R2. (3-27)

Tegangan output tergantung pada arus balik I2. Bila tegangan input V1 berubah, jumlah

cahayanya juga berubah. Ini berarti bahwa tegangan output berubah sejalan dengan

tegangan input. Itulah sebabnya mengapa gabungan LED dan fotodioda disebut

optocoupler. Keuntungan utama dari optocoupler ialah adanya pemisahan secara listrik

antara rangkaian input dengan rangkaian output (hanya hubungan secara optik).

Pemisahan secara ini dibutuhkan dalam pemakaian-pemakaian bertegangan tinggi, yang

potensial di antara dua rangkaian itu dapat berbeda sampai beberapa ribu volt.

R

Vs