BAB II LANDASAN TEORI

Transkripsi

1 BAB II LANDASAN TEORI 2.1 Tinjauan Pustaka Pada Proyek Akhir ini PLC yang digunakan merupakan salah satu jenis PLC baru yang dimiliki oleh institusi Politeknik Negeri Bandung. Dengan adanya pembuatan perangkat keras simulator Hotwater Tank Easy Veep 2.1 diharapkan dapat membantu mahasiswa dan para trainer untuk mempelajari PLC FESTO secara nyata. PLC Festo ini merupakan jenis PLC yang bisa digunakan pada aplikasi sehari-hari. Selain PLC tersebut disediakan juga beberapa modul perangkat keras praktikum yang dapat disimulasikan dengan menggunakan perangkat lunak easy veep dan perangkat keras tersebut berbentuk easy port. Easy port yang dimiliki merupakan tipe easy port yang menggunakan USB sebagai penghubung antara PLC tersebut dengan Komputer (PC). Easy veep adalah perangkat lunak yang digunakan untuk bahan simulator dari PLC FESTO, didalam easy veep ini tedapat modul-modul aplikasi dari FESTO FEC 34. PLC Festo ini merupakan salah satu alat yang dipersiapkan oleh institusi Politeknik Negeri Bandung sebagai bahan ajar untuk praktikum di UPT PLC POLBAN, jadi dengan adanya Perangkat Keras Simulator Hotwater Tank Pada Easy Veep 2.1 Berbasis PLC Festo mahasiswa tidak hanya dapat mensimulasikan tetapi dapat menerapkan hasil pembelajaran PLC langsungg pada aplikasi perangkat keras. Materi yang dibahas yaitu PLC, PLC FESTO, Easy Veep 2.1, relay, solenoide valve, pompa air, IC LM35 dan perangkat lunak (software). 5

2 2.2 Easy Veep Pengenalan Easy Veep Easy Veep adalah sebuah softwere yang dirancang sedemikian rupa agar menyerupai dengan plant aslinya oleh festo didactic system dengan tujuan sebagai simulasi dari proyek yang telah dibuat di PLC FESTO tersebut. Dengan simulator ini maka hardwere yang berupa plant dapat digantikan menggunakan simulasi 2dimensi ini yang dirancang nyata dan atraktif. Untuk menggunakan Easy Veep ini membutuhkan : Sebuah PC dengan OS windows 95 atau yang lebih tinggi PLC dengan 24 Vdc yang bisa dipakai sebagai interfacee ke komputer Easy Veep interface untuk menghubungkan antaraa PLC dengan komputer (PC) Hot Water Tank Easy Veep Bagian ini adalah simulasi diantara banyak simulasi yang ada dalam Easy Veep yaitu membahas dan dapat dipelajari contoh-contoh penggunaannya. Hot Water Tank adalah modul tangki yang menggunakan air pada pipa yang berfungsi sebagai jalur penghubung antar air dengan tangki. Modul ini akan mengatur alur jumlah air dan memanaskannya serta apabila air mencapai suhu yang telah ditentukan oleh pemogram maka air itu dapat dikeluarkan secara otomatis. 6

3 2.3 Pengenalan PLC Gambar 2.1 Tampilan Hot Water Tank Pada Easy Veep Dalam bidang industri penggunaan mesin otomatis dan pemrosesan secara otomatis merupakan hal yang semestinya. Sistem pengontrolan dengan elektromekanik dengan menggunakan relay-relay mempunyai banyak kelemahan diantarnya kontak-kontak tersebut akan rusak karena panas atau terbakar atau karena hubungan singkat (short circuit), selain itu dibutuhkan pula biaya yang cukkup besar saat instalasi, pemeliharaan dan modifikasi dari sistem yang telah dibuat jia kemudian diperlukan modifikasi. Dengan menggunakan Programmable Logic Control (PLC) hal-hal ini dapat di atasi, karenaa sistem PLC mengintegrasikan berbagai macam komponen yang berdiri sendiri menjadi satu sistem kendali terpadu dan dengan mudah untuk merenvasi tanpa harus merubah instrument yang ada. Adapun sistem kontrol dengan PLC di Industri memenuhi beberapa kriteria diantaranya : 7

4 Pemograman yang sederhana Perubahan program tanpa harus merubah sistem secara keseluruhan. Lebih kecil dalam ukuran, dan dapat diandalkan kinerjanya dibandingkan dengan kontrol relay. Biaya perawatan yang murah dan mudah. Programmable Logic Control (PLC) diperkenalkan pertamaa kali pada tahun 1969 oleh Richard E. Morley yang merupakan pendiri dari Modicon Corporation. Sistem komunikasi pada PLC menggunakan sinyal biner (logic on-off), sehingga dengan sinyal ini PLC mempunyai keuntungan bahwa sinyal ini dapat digunakan dalam kontrol program yang diproses secara digital dan disimpan dalam memori elektronik. Sinyal inilah yang digunakan sebagai sinyal kontrol untuk mengendalikan aktuator. Alat ini mempunyai kemampuan menyimpan instruksi-instruksi kendali atau melaksanakan suatu perintah kerja yang untuk melaksanakan fungsi sekuensial, perhitungan aritmatik, pemrosesan numerik, sarana komunikasi dari suatu proses. PLC adalah elemen sistem kendali yang fungsi pengendalianya dapat diprogram sesuai dengan kebutuhan. PLC telah mampu berkomunikasi dengan operator, dengan modul-modul kendali tertentu PID kontroler, multilain, juga dapat channel analog I/O, berkomunikasi dengan computer atau PLC mentransmisikan dataa untuk keperluan pengontrolan jarak jauh (remote). Programmable Logic Control (PLC) memiliki fungsi dan kegunaan yang dapat di katakan hampir tidak terbatas. Tapi dalam prakteknya fungsi dari PLC dapat dibagi secara mum dan secara khusus. Secara umum fungsi dari PLC adalah sebagai berikut : 1. Kontrol Sekuensial PLC memproses input berupa sinyal biner menjadi output yang digunakan untuk keperluan pemprosesan teknik secara berurutan (sekuensial), disini PLC menjaga agar semua step/langkah dalam proses sekuensial berlangsung dalam urutan yang tepat. 8

5 2. Monitoring Plant PLC secara terus menerus (real time) memonitor status suatu sistem (misalnya temperatur, tekanan, level ketinggian, dan flow) lewat bantuan HMI(Human Macine Interface) untuk menerjemahkan dari bahasa mesin ke tampilan yang mudah dimengerti manusia sehingga dapat memberikan pesan pada operator untuk memudahkan mengambil tindakan selanjutnya ataupun PLC itu sendiri sudah diprogram untuk otomatis bila sistem tersebut melebihi batas nilai tertentu maka akan mengambil tindakan yang diperlukan sehubungan dengan proses yang dikontrol. Keuntungan dari PLC antara lain : Mudah untuk memprogramdan mengubah program sesuai kebutuhan Pengkabelan relatif lebih sederhana untuk sistem yang kompleks Mempunyai ukuran yang kompak dan praktis serta bersifal multi- modul dan fleksible untuk diinstaal di lapangan industri Aplikasi Universal Relatif lebih sedikit menggunakan komponen Konsumsi daya relatif rendah Pemeliharaan dan perbaikan yang mudah apabila terjadi kesalahan sistem 2.4 Perangkat PLC Pada dasarnya PLC mempunya struktur atau sistem yang mirip dengan komputer yaitu berbasiskan mikroprosessor. Komponen dasar PLC adalah sebagai berikut : 1. Central Proscessing/Controlling Unit Central Proscessing/Controlling Unit (CCU) berfungsi sebagai otak atau pusat yang mengendalikan serta mengawasi operasi dan sistem pengolah data dalam PLC yang dapat dengan mudah diprogram dengann menggunakan pengontrol peralatan. Central Proscessing/Controlling Unit (CCU) ini merupakan sebuah mikroprosessor. 9

6 2. Struktur input/output Modul input/output dari PLC adalah sistem komunikasi PLC dengan dunia luar, maka PLC mampu mengendalikan dan mengawasi suatu proses. Tiap I/O memiliki alamat tersendiri yang akan digunakan pada program. Unit I/O ini mempunyai karakeristik yang berbeda-beda sesuai dengan jenis atau tipe PLC nya. Modul input PLC berhubungan dengan elemen sensor yang memberikan informasi keadaan proses. Sinyal informasi ini akan diolah sesuai dengan program yang telah dibuat oleh CCU. Modul output PLC berhubungan dengan elemen actuator yang akan memberikan aksi kendali kepada plant. 3. Program device Program devicee ini adalah sistem yang terinteraksi dengann pemakai. Jadi, alat ini memudahkan pemakai untuk meprogram dan mengubah program PLC. Alat ini dapat berupa hand held programmer/console berbentuk seperti kalkulator kecil untuk memasukan program. Apabila PLC tersebut sudah terprogram, maka alat ini tidak diperlukan lagi dan PLC akan bekerja secara mandiri. 2.5 Pemograman PLC Festo Didactic Pada dasarnyaa setiap PLC memiliki karakteristik bahasa pemograman tersendiri, namun memiliki prinsip yang sama yaitu dengan ladder diagram, intruction list dan function chart Ladder Diagram Disebut ladder diagram karena teknik pemrograman ini menggunakan diagram yang bentuknya mirip seperti tangga. Sistem penulisan program dengan ladder diagram ini adalah teknik yang paling populer karenaa sudah banyak digunakan dalam penggambaran rangkaian control dengan menggunakan relay dan kontaktor. 10

7 Gambar 2.2 Contoh Ladder Diagram Pemograman ladder diagram pada dasarnya memiliki fungsi seperti relay yaitu mengenali normally open dan normaly close. Tampilan urutan kerja sinyal listrik sesuai dengan aksi yang diberikan. Berikut adalah simbol pada PLC: Fungsi-fungsi Blok PLC memiliki fungsi-fungsi blok yang disediakan yaitu timer, Counter (naik dan turun), pemanfaatan register, operasi looping dan jumping, operasi aritmatik, operasi biner dan bit dll. Logika input Normally Open (NO), saklar akan aktif jika diberi tegangan atau input energized atau logika benar jika nilainya 1. Namun apabila Normally Close (NC), saklar akan aktif jika tidak diberi tegangan atau input de-energized atau logika benar bila nilainya 0. Logika Output Hasil operasi logic diinverskan dan ditransfer ke modul output. Jadi jika hasil operasi logika adalah 1, maka output tidak akan memberikan tegangan. Intruksi-intruksi yang terdapat pada Ladder diagram PLC Instruksi AND dan AND NOT Jika terdapat instruksi LD dan setelahnya ada LD atau LD NOT dalam satu garis instruksi secara seri, maka instruksi LD yang kedua dan setelahnya menggunakan AND untuk kontak NO atau AND NOT untuk kontak NC. Gambar 2.2 akan menujukkann contoh instruksi AND dan AND NOT. 11

8 Gambar 2.3 Contoh instruksi AND dan AND NOT Cara kerja dari instruksi diatas yaitu jika kotak instruksi yang terdapat pada sisi paling kanan ingin diaktifkan, maka syaratnya yaitu ketiga kontak sebelumnya harus aktif secara bersamaan. Jika salah satu tidak aktif, maka instruksi tidak akan aktif. Instruksi LOAD (LD) dan LOAD NOT (LD NOT) Masing-masingg instruksi ini membutuhkan satu baris kode mnemonik. Contoh untuk instruksi ini ditunjukkan pada Gambar 2.3 Gambar 2.4 Contoh instruksi LD dan LD NOT Kondisi awal untuk LD yaitu Normally Open (NO), dan untuk LD NOT adalah Normaly Close (NC). Kondisi keduanya belum aktif dan operandnya masih 0. Saat aktif, maka logika operandnya akan menjadi 1. Instruksi OR dan OR NOT Jika terdapat beberapa instruksi LD atau LD NOT yang terhubung secara parallel, maka untuk menyatukannya menggunakan instruksi OR atau OR NOT. Berikut adalah Gambar 2.4 yang akan menunjukkan contoh instruksi OR dan OR NOT. 12

9 Gambar 2.5 Contoh instruksi OR dan OR NOT Instruksi akan aktif jika memenuhi syarat berikut, salah satu dari kontak sebelumnya aktif Instruction list Teknik ini merupakan bahasa yang dimengerti mesin pemrograman PLC yang memiliki 21 instruksi. Instructin list berbeda dengan 2 cara pemograman funtion chart dan Ladder diagram yang menggunakan banyak gambar sebagai instruksinya. Pada Instruction list ini pemograman PLC seperti bahasa pemograman yang digunakan untuk memprogram mikrokontroller yaitu menggunakan tulisan Function Chart Teknik pemrograman ini adalah menjelaskan urutan operasi dan interaksi antara proses parallel. Fungtion chart, ladder diagram dan instruction list pada dasarnya bertujuan sama dan saling berhubungan, hanja saya beda cara penggunaan. 13

10 2.6 PLC FESTO Didactic Sistem Ada banyak jenis PLC yang digunakan diindustri dan salah satunya adalah PLC FESTO, dan diantara PLC Festo yang bermacam-macam, Politeknik Negeri Bandung mempunya PLC Festo tipe FEC 34. PLC FESTO FEC 34 ini memiliki 12 input dan 8 output, 6 transistor output, 2 relay, dan Ethernet 10 base dengan dimensi 130 x 80 x 35 mm. Berikut tampilan dan element-element PLC FESTO FEC 34 : Gambar 2.6 Tampilan PLC FESTO FEC 34 14

11 Gambar 2.7 Element Input PLC FESTO Gambar 2.8 Element Output PLC FESTO Berikut ini adalah table spesifikasi dari PLC FESTO tipe FEC 34. Dalam tabel ini dapat ditemukan data fisik, data kelistrikan, dan data ketahanan dari PLC FESTO tersebut. 15

12 2.7 Air Air merupakan senyawa kimia yang sangat penting bagi kehidupan makhluk hidup di bumi ini. Fungsi air bagi kehidupan tidak dapat digantikan oeh senyawa lain. Penggunaan air yang utama dan sangat vital bagi kehidupan adalah sebagai air minum. Hal ini yang terutama untuk mencukupi kebutuhan air di dalam tubuh manusia itu sendiri. Kehilangan air untuk 15% dari berat badan dapat mengakibatkan kematian yang diakibatkan oleh dehidrasi. Karenanya orang dewasa perlu meminum minimal sebanyakl 1,5-2 liter air sehari untuk keseimbangan dalam tubuh dan membantu proses metabolisme (Slamet,2007). Di dalam tubuh manusia, air diperlukan untuk transportasi zat-zat makanan dalam bentuk larutan dan melarutkan berbagai jenis zat yang diperlukan tubuh. Misalnya untuk melarutkan oksigen sebelum memasuki pembuluh-pembuluh darah yang ada disektar alveoli (Mulia,2005). Air adalah salah satu penghantar panas dan listrik yang terbaik serta zat yang sangat penting di muka bumi ini. Secara ilmiah air merupakan kekayaan alam yang dapat diperbaharui dan mempunyai daya regenerasi. Daya regenerasi yang dimaksud yaitu selalu mengalami sirkulasi dan mengikuti daur. Menurut Undang-undang tentang sumber daya air pada pasal 1, yang dimaksud dengan air adalah semua air yang terdapat diatas, ataupun di bawah permukaan tanah, termasuk dalam pengertian ini air permukaan, air tanah, air hujan, dan air laut 16

13 yang berada di darat didasari hal itu maka di zaman ini timbul pengembangan- itu pengembangan teknologi untuk mengolah air demi kebutuhan manusia sendiri. 2.8 Sensor Perkembangan teknologi dalam bidang sensor demikian pesatnya, terbukti dari dimensi sensor yang saat ini telah sampai pada ukuran mikro, dan selain itu sensor juga telah mengalami integrasi. Sensor adalah suatu perangkat elektronik yang dapat mengindra atau mendeteksi suatu besaran fisik, mekanik, kimia, optik ataupun elektrik. Maksud diproduksinya sensor adalah apabila ingin mengukur suhu, pressure, flow, dll akan lebih mudah dibandingkan dengan zaman dahulu yang memerlukan satu buah sensor untuk setiap variable fisik, sedangkaan saat ini hanya memerlukan satu buah sensor untuk mengukur beberapaa variable fisik. Dalam memilih sensor yang tepat, maka diperlukan pengetahuan tentang persyaratan umum yang dimiliki sensor tersebut. persyaratan umum tersebut adalah : Tanggapann waktu : Tanggapan waktu akan menunjukkan seberapa cepat sensor merespon terjadinya perubahan masukan. Linieritas : Sensor akan menghasilkan sinyal keluaran yang berubah secara kontinyu sebagai respon terhadap masukan yang juga berubah secara kontinyu. Sensitivitass : Menunjukkan seberapa jauh kepekaan sensor terhadap kuantitas yang diukur. 17

14 2.8.1 Sensor Level Sensor ini berfungsi untuk mengetahui ketika ada air yang mengenai sensor. Sensor ini terdiri dari lima buah kabel tembaga, dimana kabel 1 dihubungkan ke Vcc +5 volt dan yang lainnya dihubungkan ke input base Transistor. Empat kabel ini akan diletakkan secara berdampingan tetapi tidak bersentuhan satu dengan yang lain. Sehingga pada saat air terisii dan menyentuh kabel tembaga yang dihubungkan pada base transistor maka akan mengalir dari kabel yang terhubung ke +5V dan memberi triger transistor sehingga transistor aktif dan vcc akan terhubung dengan ground dalam arti akan berlogic 0. P1 P2 R1 1K R2 1K R7 10K Q1 R8 10K GND output VCC R3 1K R4 1K R5 1K Q2 VCC P3 1 2 R9 10K Q3 GND GND GND output VCC R6 1K R10 10K Q4 VCC P4 1 2 GND GND P5 P Sensor Suhu LM35DZ Gambar 2.9 Rangkaian Sensor Level Suhu adalah suatu besaran yang menyatakan derajat panas atau dinginya suatu zat. Sensor Suhu yang digunakan pada alat ini adalah sensor suhu LM35DZ yang merupakan komponen elektronika yang memiliki fungsi bengubah besaran fisis berupa suhu 0 C menjadi besaran elektrik yaitu berupa tegangan Volt DC. IC LM35DZ ini memiliki parameter bahwa setiap kenaikan besaran tegangan yang dikeluarkan 10mV maka suhu yang dibaca oleh IC tersebut sebesar 1 0 C. 18

15 Sensor LM35DZ ini mampu mengukur suhu dari range 0 0 C C. Sensor ini dapat dihubungkan langsung dengan perangkat kontrol khusus dan tidak membutuhkan setting karena memiliki keakuratan yang tinggi, output yang dikeluarkanpun linier dan mudah dalam perancangan aplikasinya dibandingkan dengan sensor suhu yang lain. Berikut adalah karakteristik lain dari sensor suhu LM35DZ : a. Memiliki sensitivitas suhu, dengan factor skala linier antara tegangan dan suhu 10mVolt/ 0 C, sehingga dapat dikalibrasi langsung dengan celcius. b. Memiliki ketepatan atau akurasi kalibrasi yaitu 0,5 0 C pada suhu 25 0 C. c. Memiiki jangkauan maksimal operasi suhu antaraa C sampai C. d. Bekerja pada tegangan 4-30 volt. e. Memiliki arus rendah yaitu kurang dari 60µA. f. Memiliki pemanasan sendiri yang rendah yaitu kurang dari 0,1 0 C pada udara diam. g. Memiliki impedansi keluaran yang rendah yaitu 0,1 W untuk beban 1 ma. h. Memiliki ketidaklinearan hanya sekitar ±¼ 0 C Gambar 2.0 Konfigurasi IC LM35DZ Sensor suhu ini memerlukan rangkaian pengondisi sinyal kembali agar mendapatkan output sesuai dengan keinginan. Output berupa tegangan 10mV/ 0 C dikuatkan kembali sebesar 10 kali penguatan agar mendapatkan hasil 1V/ 0 C untuk memudahkan dan menyesuaikan dengan fungsi alat. Berikut adalah rangkaian penguatan pengondisii signal seperti pada gambar 2.11 s/d gambar 2.14 : 19

16 Gambar 2.11 Rangkaian inverting Gambar 2.12 Rangkaian penyangga Gambar 2.13 Rangkaian non-inverting Gambar 2.14 Rangkaian diferensiator Output dari IC LM35DZ dikuatkan kembali dengan rangkaian penguat tersebut dengan menambahkan IC op-am comparator LM741N. IC LM741N ini dapat berfungsi sebagai penguat sinyal dan sebagai komparator. 20

17 2.8.3 Solenoid Valve Gambar 2.15 Kaki IC LM741 Operasional Amplifier atau di singkat op-am merupakan salah satu komponen analog yang popular digunakan dalam berbagai aplikasi rangkaian elektronik. Aplikasi op-am popular yang paling sering dibuat antara lain adala rangkaian inverter, non-inverter, integrator dan differensiator. LM741 yang sering digunakan oleh banyak praktisi elektronika memiliki karakteristik tipikal open loop gain sebesar 10 4 ~10 5 (ideal). Pada dasarnya op-am adalah differential amplifier (penguat diferensial) yang memiliki dua masukan. Input op-am ideal yang telah dimaklumi ada yang dinamakan inverting dan non- inverting. Solenoid adalah sebuah perangkat yang dapat difungsikan sebagai aktuator. Perangkat ini terdiri dari 2 bagian utama, yaitu kumparan atau koil, dan inti besi. Cara kerja dari perangkat ini adalah jika ada tegangan yang mengalir di kumparan, maka di dalamnya akan menimbulkan medan magnetis yang akan menarik besi masuk kedalam kumparan. Prinsip kerja yang digunakan adalah prinsip elektromagnetik. 21

18 Gambar 2.16 Struktur Fungsi Solenoid Valve Gambar 2.17 Tampilan Solenoid Valve Ada dua jenis solenoid yang digunakan pada alat ini yaitu solenoid yang membutuhkan suplai tegangan seberas 12 Volt Dc dan solenoid yang membutuhkan tegangan sebesar 220 VoltAC untuk bekerja. 2.9 Relay Relay adalah suatu komponen elektronika yang menggunakan gaya elektromagnetik untuk memutus atau menghubungkan aliran besaran listrik. Relay 22

19 memiliki dua bagian yaitu kontak dan coil. Coil merupakan gulungan kawat yang mendapat aliran arus listrik sedangkan kontak merupakan sejenis saklar yang pergerakannya tergantung dari ada atau tidaknya arus listrik pada coil. Ada 2 jenis kontak pada relay yaitu : Normally Open (kondisi awal sebelum diaktifkan adalah open atau membuka) Normally Closed (kondisi awal sebelum diaktifkan adalah closed atau menutup) Gambar 2.18 Contoh cara kerja Relay Secara sederhana prinsip kerja dari relay adalah ketika Coil mendapat energi listrik (energized), maka akan timbul gaya elektromagnet yang akan menarik armature yang berpegas, dan contact akan menutup. Seperti saklar, relay juga dibedakan berdasar pole dan throw yang dimilikinya. Berikut gambaran tentang pole dan throw: Pole : banyaknya contact yang dimiliki oleh relay Throw : banyaknya kondisi (state) yang mungkin dimiliki contact Berikut ini penggolongan relay berdasar jumlah pole dan throw : SPST (Single Pole Single Throw) DPST (Double Pole Single Throw) SPDT (Single Pole Double Throw) DPDT (Double Pole Double Throw) 23

20 3PDT (Threee Pole Double Throw) 4PDT (Four Pole Double Throw) Gambar 2.19 Contoh Relay 2.10 Transistor Transistor adalah suatu monokristal semikonduktor dimana terjadi dua pertemuan P-N, dari sini dapat dibuat dua rangkaian yaitu P-N-P dan N-P-N. Dalam keadaan kerja normal, transistor harus diberi polaritas sebagai berikut : 1. Pertemuan Emitter-Basis diberi polaritas dari arah maju seperti yang ditunjukkan pada gambar 2.18 (a). 2. Pertemuan Basis-kolektor diberi polaritas dalam arah ditunjukkan pada gambar 2.18 (b). mundur seperti Gambar 2.20 Dasar Polaritas Transistor 24

21 Transistor adalah suatu komponen yang dapat memperbesar level sinyal keluaran sampai beberapa kali sinyal masukan. Sinyal masukan disini dapat berupa sinyal AC ataupun DC. Prinsip dasar transistor sebagai penguat adalah arus kecil pada basiss mengontrol arus yang lebih besar dari kolektor melewati transistor. Transistorr berfungsi sebagai penguat ketika arus basis berubah. Perubahan kecil arus basis mengontrol perubahan besar pada arus yang mengalir dari kolektor ke emitter. Pada saat ini transistor berfungsi sebagai penguat. Dan dalam pemakaiannya transistor juga bisa berfungsi sebagai saklar dengan memanfaatkan daerah penjenuhan (saturasi) dan daerah penyumbatan (cut-off). Pada daerah penjenuhan nilai resistansi penyambungan kolektor emitter secara ideal sama dengan nol atau kolektor terhubung langsung (short). Ini menyebabkan tegangan kolektor emitter Vce = 0 pada keadaan ideal. Dan pada daerah cut off, nilai resistansi persambungan kolektor emitter secara ideal sama dengan tak terhingga atau terminal kolektor dan emitter terbuka yang menyebabkan tegangan Vce sama dengan tegangan sumber Vcc Dioda Dioda adalah sebuah kata majemuk yang berarti dua elektroda, dimana di berarti dua, dan oda berasal dari elektroda. Jadi, dioda adalah kristal yang menggabung separuh semikonduktor type-n dan separuh semikonduktor type-p, atau disebut pula pn junction. Sisi p (Anoda) mempunyai banyak hole (pembawa mayoritas) dan sisi n (Katoda) mempunyai banyak electron (pembawa mayoritas). Simbol, struktur dan fisik beberapa dioda dapat dilihat pada Gambar

22 Gambar 2.21 Simbol, Struktur dan Fisik Dioda Prategangan Dioda Pada saat Dioda tidak diberikan tegangan (unbiased), terjadi difusi elektron ke segala arah pada setiap tepi-tepi semikonduktor. Beberapa difusi melewati junction, sehingga akan tercipta ion positif pada daerah n dan ion negatif pada daerah p. Jika on-ion ini bertambah banyak, maka daerah di sekitar junction akan terjadi kekosongan dari elektron bebas dan hole. Daerah inii disebut dengan depletion layer, atau lapisan pengosongan. Pada suatu saat, depletion layer akan berlaku sebagai penghalang bagi elektron untuk berdifusi lanjut melalui junction. Diperlukan tegangan tertentu agar elektron dapat menembus penghalang tersebut, yang dikenal dengan istilah tegangan offset. 26

23 Gambar 2.22 Struktur Pasangan Elektron-Hole Dioda (a) Kondisi Awal, (b) Kondisi setelah terjadi difusi elektron dan (c) Lapisan Pengosongan (Depletion Layer) Jika dioda diberi tegangan seperti tampak pada Gambar 2.20, dimana kutub positif baterai dihubungkan dengan bahan type-p dan kutub negatif baterai dihubungkan dengann bahan type-n, maka rangkaian ini disebut dengan forward biased atau prategangan maju. Bila tegangan ini melebihi tegangan yang diakibatkan oleh lapisan pengosongna, maka forward biased dapat menghasilkan arus yang besar. Kutub negatif dari sumber dapat mendorong elektron pada bahan type-n menuju junction. Elektron ini dapat melewati junction dan jatuh ke dalam hole. Bila ini terjadi, elektron akan dapat terus bergerak melalui hole pada bahan type-p yang ada menuju kutub positif baterai. 27

24 Gambar 2.23 Forward Biased Sebaliknya, jika sumber tegangan tersebut dibalik polaritasnya, maka rangkain yang tampak pada Gambar itu disebut dengan reverse biased. Hubungan ini memaksa elektron bebas di dalam daerah n berpindah dari junction ke arah terminal positif sumber, sedangkan hole di dalam daerah p juga bergerak menjauhi junction ke arah terminal negatif. Gerakan ini akan membuat lapisan pengosongan semakin besar sehingga beda potensialnya mendekati harga sumber tegangan. Namun pada situasi ini, masih terdapat arus kecil, arus pembawa minoritas, atau disebut arus balik (reverse current), IS. Disamping itu juga terdapat arus bocor permukaan, ISL. Jika keadaan ini terus berlanjut, akan tercapai titik pendobrakan, yang disebut dengan breakdown voltage. Gambar 2.24 Reverse Biased Grafik Dioda Jika sebuah dioda dirangkaian seperti pada Gambar 2.25, dimana tegangan Vin dirancang untuk dapat diubah-ubah besarnya, maka akan didapat tegangan (Vd) dan arus (Id) pada dioda yang berbeda-beda pula. Dengan menghubungkan titik-titik tegangan dan arus dioda, maka akan didapat grafik dioda seperti pada Gambar

25 Gambar 2.25 Rangkaian Dioda Gambar 2.26 Grafik Dioda Forward Biased Jika dibalik prategangannya, secara lengkap, grafik tersebut menjadi grafik seperti pada Gambar

26 Gambar 2.27 Grafik Dioda Lengkap Gambar-gambar diatas menjelaskan karakteristik dioda, yaitu sebagai komponen non-linear. Bila diberikan forward biased dioda menjadi sangat tidak konduksi sebelum tegangannya melampaui potensial barier, sehingga arusnya sangat kecil sekali. Ketika tegangannya mendekali potensial barier, pasangan elektron-hole mulai melintasi junction. Di atas 0.7 volt, biasa disebut tegangan lutut (knee voltage), Vg, atau tegangan offset, dioda menjadi sangat konduk dan mengalirkan arus yang besar. Semakin besar tegangannya, arus bertambah dengan sangat cepat pula. Hal ini menunjukkan, bahwa dioda memiliki tahanan tertentu, disebut tahanan bulk (bulk resistance). Sebaliknya, pada saat dioda di-reverse biased, terdapat arus balik yang sangat kecil. Jika tegangan ini ditambah, akan dicapai tegangan breakdown, dimana terjadi peningkatan arus yang sangat besar, yang dapat merusakkan dioda. Sehingga diperlukan kehati-hatian untuk memberikan tegangan dioda, jangat sampai jatuh ke daerah breakdown. 30