SEMIKONDUKTOR Komponen Semikonduktor Di dunia listrik dan elektronika dikenal bahan yang tidak bisa mengalirkan listrik (isolator) dan bahan yang bisa mengalirkan listrik (konduktor). Gbr. 1. Tingkatan konduktivitas. Dari kedua jenis bahan terdapat bahan lain yang disebut semikonduktor. Bahan semikonduktor terbuat dari bahan silikon atau germanium yang tidak murni. Semikonduktor berarti bahan itu bisa dibuat seperti isolator, bisa seperti konduktor atau bahkan menjadi setengah konduktor. Jadi semikonduktor bisa mempunyai daerah kerja mulai dari isolator hingga konduktor. Komponen elektronika dari bahan semikonduktor adalah diode, transistor dan thyristor. Bahan lain disebut superkonduktor yaitu konduktor yang istimewa karena bahan ini bisa menghantarkan listrik dengan sempurna. Bahan ini mempunyai resistansi 0 ohm sehingga bisa menghantarkan listrik tanpa kerugian akibat daya yang hilang. Sayangnya, sifat superkonduktif dari bahan ini hanya terjadi pada suhu yang sangat rendah yaitu -273 0 C (1 0 K). Tetapi sakarang telah ditemukan bahan superkonduktor yang bekerja pada suhu sekitar -70 0 C, sungguh kemajuan yang sangat menggembirakan. Karena jika nanti berhasil ditemukan bahan superkonduktor yang bisa bekerja pada suhu ruang maka akan terjadi revolusi dunia kelistrikan dan elektronika. Dengan bahan superkonduktor maka bisa dibuat peralatan listrik dan elektronika yang ukurannya hanya 1/10 ukuran sekarang atau peralatan dengan ukuran sekarang tetapi mempunyai daya 10 kali lebih besar. Bayangkan anda mempunyai komputer yang ukurannya hanya 1/10 tetapi kemampuannya 10 kali lipat tanpa adanya efek panas. Semua kendaraan akan digerakkan dengan motor listrik dengan memakai baterai yang tahan hingga 1 bulan sekali diisi ulang, dst. Sebelum ditemukan bahan silikon dan germanium, sifat semikonduktor telah ditemukan pada komponen tabung di abad 19. Dan mulai awal abad 20, komponen tabung telah banyak dipakai untuk pembuatan peralatan elektronika mulai dari penguat sinyal telepon, pemancar dan penerima radio, pemancar dan penerima televisi dll. I. DIODE Bahan silikon yang telah dicampuri bahan lain lain sehingga tidak murni bisa dibuat mempunyai kelebihan elektron dan kekurangan elektron. Bahan yang kekurangan elektron kemudian disbut tipe-p sedang yang kelebihan elektron disebut tipe-n. Jika kedua tipe bahan disambungkan, dan dicoba untuk dialiri srus listrik, ternyata listrik hanya bisa mengalir dari tipe-p ke tipe-n tetapi tidak bisa sebaliknya. Maka ditemukan sambungan PN atau disebut PN-junction yang kemudian dikemas dan diberi kaki menjadi komponen yang disebut diode. Diode mempunyai kaki yang dari tipe-p yang disebut anode (A) dan dari tipe-n yang disebut katode (K). Jadi diode adalah T Iwan B Pratama 1
komponen elektronika yang hanya bisa mengalirkan arus listrik dari anode ke katode tetapi tidak sebaliknya. Gambar di samping adalah simbol diode dan contoh diode. Sebuah diode dirangkai dengan baterai variabel yang bisa diatur tegangannya dari 0 volt hingga 1 volt. Pada rangkaian dilengkapi meter arus (ampere meter) dan meter tegangan (volt meter) untuk mengukur arus yang lewat diode dan tegangan pada diode. Skema rangkaian percobaan seperti gambar berikut. Gbr. 2. PN junction dan simbol diode. Gbr. 3a. Rangkaian uji diode. Gbr. 3b. Grafik karakteristik diode. Untuk mengetahui grafik karakteristik diode, dilakukan percobaan dengan rangkaian uji seperti pada Gbr. 3a. Prinsip pengujian adalah dengan memberikan tegangan pada diode dari 0 volt kemudian dinaikkan perlahan hingga 1 volt dengan mencatat arus (ampere meter) yang lewat diode dan tegangan (volt meter) antara anode dan kotode. Hasil pengujian memperlihatkan grafik karakteristik seperti Gbr. 3b. Arus diode baru akan terjadi jika tegangan yang diberikan mencapai 0,7V dan jika tegangan dinaikkan ternyata arus akan meningkat dengan cepat tetapi tegangan diode tetap stabil di 0,7V. Gbr. 4a. Pengujian arus balik diode. Gbr. 4b. Grafik karakteristik arus balik diode. Percobaan berikutnya adalah menguji arus balik diode dengan memberi tegangan terbalik yaitu kutub + dihubungkan ke katode dan kutub ke katode. Tegangan dinaikkan dari 0 volt hingga 70 volt dengan mengukur arus dan tegangan diode. Grafik karakteristik arus balik diode seperti Gbr. 4b di atas. Arus balik diode tidak terjadi (0 amper) ketika tegangan dianikkan dari 0 volt hingga T Iwan B Pratama 2
hampir 50 volt. Tetapi ketika tegangan dinaikkan sedikit saja, arus balik diode menjadi ada dan akan naik dengan cepat ketika tegangan dinaikkan terus. Daerah sekitar 50V dikatakan sebagai tegangan breakdown (V Br ) atau tegangan tembus atau dadal yaitu besarnya tegangan di mana arus balik diode mulai terjadi. Perhatikan bahwa ketika tegangan dinaikkan lagi, tegangan diode setelah V Br adalah stabil atau tetap walaupun arusnya naik dengan cepat. Aplikasi Diode 1. Pengaman Rangkaian Elektronik Diode bisa dipakai untuk mengamankan rangkaian elektronik dari hubungan baterai yang terbalik polaritasnya karena diode hanya akan menghantarkan arus ke satu arah. 2. Rangkaian Penyearah Arus / Tegangan Rangkaian penyearah sering dipakai untuk membuat adaptor. Adaptor adalah rangkaian converter yaitu pengubah dari arus/tegangan AC ke DC. Adaptor biasa digunakan untuk membuat power supply (penyedia daya listrik) yang diambil dari tegangan AC PLN ke rangkaian elektronik yang bekerja dengan arus DC. Gbr. 4a. Penyearah setengah gelombang. Gbr. 4b. Penyearah gelombang penuh. Gbr. 4c. Bentuk gelombang penyearah diode. Dua rangkaian di Gbr. 4a-4b adalah rangkaian penyearah setengah gelombang dan penyearah gelombang penuh. Grafik Gbr. 4c adalah bentuk gelombang AC PLN (merah), gelombang AC di output transformer (biru) dan grafik di bawah adalah hasil penyearahan setengah gelombang dan gelombang penuh. Tranformer digunakan untuk menurunkan tegangan AC PLN dari 220v ke tegangan AC 12v. Tegangan AC 12v kemudian disearahkan oleh satu diode atau empat diode. Dengan penyearah satu diode didapat gelombang yang setengahnya terpotong karena bagian fase tegangan negatif akan diblok oleh diode sehingga outputnya akan 0. Penyearah dengan 4 diode, setiap fase gelombang positif akan disearahkan oleh sepasang diode dan setiap fase gelombang negatif juga akan disearahkan oleh sepasang diode yang lain. Untuk membuat adaptor, rangkaian penyearah gelombang penuh perlu ditambahkan elektrolit kondensator (elko) misalnya 2200uF/25V antara titik B dan 0v untuk memfilter kerut gelombang sehingga membentuk tegangan DC murni. T Iwan B Pratama 3
Gbr. 5. Rangkaian adaptor 12V. Efek penambahan elko pada rangkaian adaptor seperti tampak pada gambar berikut: Gbr. 6. Efek pemberian elko untuk memfilter gelombang. Saat tegangan lebih tinggi dari tegangan elko dan gelombang menuju puncak maka elko diisi muatan sehingga tegangan naik sedikit. Sedang saat gelombang meninggalkan puncak dan turun menuju lembah maka elko membuang muatan sehingga tegangan turun sedikit. Begitu seterusnya maka gelombang yang terdiri dari puncak-puncak tegangan akan dihaluskan oleh elko. Semakin besar nilai elko akan semakin halus bentuk gelombangnya. Keempat diode penyearah (rectifier) yang tersusun dalam rangkaian jembatan di Gbr. 5 sering tersedia dalam satu kemasan diode brigde seperti gambar berikut: Gbr. 7. Macam-macam diode bridge. T Iwan B Pratama 4
Rangkaian Diode 1. Pengaman Polaritas Rangkaian Pada power supply + rangkaian elektronika dipasang diode sehingga jika polaritas listrik yang diberikan benar, maka arus listrik bisa melewati diode sehingga rangkaian bekerja. Tetapi jika tanpa sengaja polaritas listrik yang diberikan terbalik maka rangkaian tidak bekerja dan aman dari hubungan listrik terbalik karena diode akan mencegah arus listrik mengalir terbalik. Jika rangkaian ditambahi diode bridge seperti gambar samping, maka pemasangan listrik dari luar bisa dibolak-balik polaritasnya tetapi rangkaian akan selalu mendapat polaritas listrik dengan benar dan rangkaian bisa bekerja. Ingat dengan ini, tegangan listrik dari luar akan turun 0,7V (cara atas) dan 1,4V (cara bawah) karena habis di-diode. 2. Baterai DC 12V dihubungkan dua lampu A dan B dengan 2 diode seperti rangkaian: Pertanyaan: Lampu mana yang menyala? Terangkan alasannya? Jenis-Jenis DIODE Selain diode PN junction seperti di atas, masih ada beberapa jenis diode seperti berikut: 1. Diode Zener Jika suatu diode diberi tegangan balik (arus terbalik) pada suatu tegangan yaitu V Br tertentu, arus akan mulai menghantar dan tegangan diode akan menjadi stabil pada tegangan V Br tersebut. Ide seperti ini kemudian dimanfaatkan untuk membuat diode zener yang bisa digunakan untuk menstabilkan tegangan. Jika tegangan input divariasi dari 10V hingga 15V maka tegangan output (tegangan pada diode zener) akan tetap stabil di tegangan zenernya yaitu 9V. Gbr. 8. Stabilator tegangan dengan zener. 2. Diode Varactor (varicap) Diode varactor (variable capasitor) adalah diode yang mempunyai efek kapasitor yang nilainya bervariasi. Jadi jika arus maju diode berubah maka efek kapasitansi pada diode juga akan berubah. Diode varicap ini sering dipakai sebagai rangkaian tuning frekuensi tinggi. T Iwan B Pratama 5
3. LED (Light Emitting Diode) LED adalah diode yang bisa memancarkan cahaya seperti lampu. Dengan mengalirkan arus pada LED, maka diode ini akan menghasilkan cahaya yang bisa kita kelompokkan pada: a. LED warna hijau, merah, kuning dan biru b. LED inframerah c. Diode laser Gbr. 9a. Simbol LED Gbr. 9b. Fisik LED Gbr. 9c. Macam-macam LED. Untuk menyala, LED membutuhkan tegangan sekitar 2V dan arus 2mA. Rangkaian yang sering dipakai seperti rangkaian berikut: Gbr. 10a. Prinsip rangkaian LED Gbr. 10b. Contoh rangkaian LED Untuk menyalakan LED dalam jumlah banyak digunakan rangkaian LED seri dan tidak disarankan untuk memakai LED paralel. Gbr. 11a. Rangkaian LED seri. Gbr. 11b. Rangkaian yang tidak baik LED sering dikemas dalam bentuk tertentu untuk keperluan display seperti gambar berikut: Gbr. 12. Macam-macam LED display. T Iwan B Pratama 6
LED sekarang ini banyak dikembangkan seperti tiga LED RGB (merah, hijau, biru) yang dikemas jadi satu untuk bisa mengeluarkan aneka warna dengan mengkombinasikan kecerahan nyala dari tiap-tiap LED. Sekarang juga telah banyak diproduksi LED superbright yang menyala cukup terang. LED begitu diminati karena membutuhkan daya listrik yang sangat kecil (dibanding jenis lampu lain) dan daya umur pakai hingga lebih dari 100.000 jam. Contoh soal: 1. Skema 3 LED seri dengan resistor seperti Gbr. 11a di atas. Tentukan resistor yang harus dipasang jika tegangan Vs adalah 25V. Jawab: Dengan KVL didapat, -Vs + I.R + 3(V L ) = 0 dimana V L = tegangan Led = 2V Misalnya arus I ditentukan 2mA, maka. 9,5 Ω 2.10. 9,5 19 Jadi R yang dipakai 9,5kΩ 1/4Watt. 2. Rangkaian dengan 3 lampu L1, L2 dan L3 masing-masing 12V/5W dihubungkan dengan 4 diode seperti di bawah. Listik dari baterai 12V diberikan ke rangkaian. Pertanyaannya: 1. Lampu mana yang menyala? 2. Lampu mana yang menyala paling terang? T Iwan B Pratama 7