MODUL I DIODA. - Kapasitor 10 µf, 47µF, 100µF. - IC Trafo 250 ma, CT ± 12 Volt AC

MODUL I DIODA A.

PENDAHULUAN Dioda adalah divais semikonduktor berupa silikon atau germanium yang memiliki dua

buah elektroda dan berlaku sebagai konduktor satu arah. Dioda sendiri mempunyai beberapa jenis yaitu diode tabung, diode sambungan p-n, diode kontak titik, dan lainnya. Pada dioda sambungan p-n, tipe dasar sambungannya terdiri atas bahan tipe-p dan tipe-n yang dipisahkan oleh sebuah junction.

B.

TUJUAN PRAKTIKUM Tujuan praktikum adalah sebagai berikut:

1.

Mengetahui karakteristik i-v dari dioda.

2.

Memahami aplikasi dioda dalam rangkaian listrik.

3.

Menganalisisfungsi kerja dari aplikasi dioda dalam rangkaian listrik.

C.

ALAT DAN KOMPONEN Alat dan komponen yang digunakan dalam praktikum adalah sebagai berikut:

1.

1 Set Osiloskop dan Probe.

2.

2 Set Multimeter.

3.

1 Unit Function Generator.

4.

1 Unit DC Power Supply.

5.

1 Unit Project Board.

6.

Kabel Jumper.

7.

1 Unit Tang Potong.

8.

Komponen: -

Dioda 1N 4002, 1N 4148.

-

Resistor 1KΩ, 4K7Ω.

-

Kapasitor 10 µF, 47µF, 100µF.

-

IC 7805.

-

Trafo 250 mA, CT ± 12 Volt AC.

Laboratorium Sistem Elektronika | Modul Praktikum Elektronika 1

D.

TEORI DASAR Struktur dasar dioda terdiri dari bahan semikonduktor tipe-p yang disambungkan

dengan bahan tipe-n. Pada ujung bahan tipe p dijadikan terminal anoda (A), sedangkan ujung lainnya dijadikan terminal katoda (K), sehingga dua terminal inilah yang menyiratkan nama dioda. Pada gambar 1.1 diperlihatkan simbol dan struktur dari dioda.

Gambar 1.1.Simbol dan Struktur Dioda

A)

SAMBUNGAN P-N Bahan tipe-p terbentuk dari muatan intrinsik golongan 3A, sedangkan bahan tipe-n

terbentuk dari muatan intrinsik golongan 5A. Pada gambar 1.2, muatan yang diberi lingkaran menyatakan ion, dan muatan ini tetap ditempat, tidak bergerak walaupun diberi muatan listrik. Muatan intrinsik yaitu muatan yang berasal dari ikatan kovalen pada atom silikon yang menjadi bebas oleh karena eksitasi termal. Pembawa muatan yang lain adalah muatan bebas, yaitu hole yang dihasilkan oleh atom akseptor pada bahan tipe-p, dan elektron bebas yang dihasilkan oleh atom donor pada bahan tipe-n. Pembawa muatan bebas ini adalah pembawa muatan ekstrisik.

Gambar 1.2.Sambungan P-N Hal yang perlu diperhatikan pada persambungan p-n adalah sebagai berikut: 1.

Saat persambungan p-n terbentuk, elektron bebas pada tipe-n akan berdifusi melalui junction, masuk ke dalam tipe-p, dan terjadi rekombinasi dengan hole yang ada di dalam tipe-p. Laboratorium Sistem Elektronika | Modul Praktikum Elektronika 2

2.

Sebaliknya, hole pada tipe-p akan berdifusi masuk kedalam tipe-n dan berekombinasi dengan elektron yang ada pada tipe-n.

3.

Rekombinasi elektron bebas dengan hole disekitar junction saling meniadakan sehingga tepat pada daerah junction, terjadi daerah tanpa muatan bebas yang disebut daerah pengosongan (deplesi).

4.

Karena muatan positif dan negatif terpisah, maka didalam daerah deplesi terjadi medan listrik yang melawan proses difusi selanjutnya. Dengan adanya medan listrik ini maka terjadi beda potensial listrik, potensial barier, antara tipe-p dan tipe-n. sehingga secara tidak langsung difusi elektron bebas akan terhenti.

5.

Pada suhu ruang, diodasilikon mempunyai potensial barier 0,7 volt dan dioda germanium 0.3 volt.

B)

PRATEGANGAN (BIAS) PADA DIODA Terdapat karakteristik i-v pada dioda yang terdiri dari prategangan maju (forward bias)

dan prategangan balik (reverse bias).

1.

Prategangan Maju (Forward Bias) Prategangan maju pada dioda sambungan p-n didapatkan dengan cara menghubungkan

tipe-p dengan kutub positif baterai dan tipe-n dengan kutub negatif baterai. Oleh karena itu, elektron bebas dari sisi tipe-n ditolak kearah persambungan demikian pula padatipe-p. Dengan demikian, pada sisi tipe-n akan penuh dengan elektron dan sisi tipe-p penuh dengan hole. Elektron-elektron bebas yang menyebrangi persambungan akan kembali dengan hole yang tiba di persambungan. Hasilnya arus yang kontinu akan berlangsung didalam kristal dan kawat-kawat yang dihubungkan ke kristal tersebut. Prategangan maju menyebabkan daerah deplesi semakin mengecil.

Gambar 1.3.Prategangan Maju pada Sambungan P-N


2.

Prategangan Balik (Reverse Bias) Prategangan balik didapatkan dengan cara menghubungkan tipe-p dengan kutub negatif

baterai dan tipe-n dengan kutub positif baterai. Hole pada tipe-p dan elektron bebas pada tipen akan menjauhi persambungan sehingga memperlebar lapisan pengosongan sampai potensial menyamai potensial terpasang. Dalam keadaan ini pembawa mayoritas akan berhenti mengalir dan dalam beberapa nano-detik arus listrik akan menurun sampai sekitar nol.

Gambar 1.4.Prategangan Mundur pada Sambungan P-N

C)

KURVA KARAKTERISTIK DIODA Pada gambar 1.5, menunjukan dua macam kurva, yaitu dioda germanium (Ge) dan

dioda silikon (Si). Bagian kiri bawah dari grafik pada gambar tersebut merupakan kurva karakteristik dioda saat mendapatkan prategangan mundur. Bagian kanan atas dari grafik pada gambar tersebut merupakan kurva karakteristik dioda saat mendapatkan prategangan maju.

Gambar 1.5.Kurva Karakteristik dari Dioda


1.

Dioda diberi Prategangan Maju Arus ID akan naik dengan cepat setelah VA-K mencapai tegangan cut-in (Vg). Tegangan

cut-in ini kira-kira sekitar 0,2 volt untuk dioda Ge dan 0,6 volt untuk dioda Si. Dengan pemberian tegangan baterai sebesar ini, maka potensial penghalang (potensialbarrier) pada persambungan akan teratasi, sehingga arus dioda mulai mengalir dengan cepat. Besarnya arus jenuh mundur (reverse saturation current) IS untuk dioda Ge adalah dalam orde mikro amper (1 mA), sedangkan untuk dioda Si, IS nya dalam orde nano amper (10 nA).

2.

Dioda diberi Prategangan Mundur Apabila VA-K yang berpolaritas negatif tersebut dinaikan terus, maka suatu saat akan

mencapai tegangan patah (breakdown) dimana arus ID akan naik dengan tiba-tiba. Pada saat mencapai tegangan breakdown ini, pembawa minoritas dipercepat hingga mencapai kecepatan yang cukup tinggi untuk mengeluarkan elektron valensi dari atom. Kemudian elektron ini juga dipercepat untuk membebaskan yang lainnya sehingga arusnya semakin besar. Pada diodaprategangana, pencapaian tegangan breakdown ini selalu dihindari karena dioda bisa rusak.

Hubungan arus dioda (ID) dengan tegangan dioda (VD) dapat dinyatakan dalam persamaan 1.1.

I D  I S  e 

Vd / n.VT 

 1 

(1.1)

Keterangan: ID = Arus dioda (A) IS = Arus jenuh mundur (A) e = Bilangan natural (2,71828…) Vd = Beda tegangan pada dioda (V) n = konstanta, 1 untuk Ge dan 2 untuk Si VT = Tegangan ekivalen temperatur (V) Harga IS suatu dioda dipengaruhi oleh temperatur, tingkat doping, dan geometri dari dioda. Konstanta n tergantung pada sifat konstruksi dan parameter fisik dioda. Harga VTkurang lebih 26 mV pada temperatur ruang.


D)

APLIKASI DIODA Beberapa aplikasi dioda dalam rangkain listrik dapat dipelajari pada sub-bab berikut

ini. a)

Dioda Sebagai Saklar Dioda merupakan saklar tertutup saat diberi prategangan maju dan merupakan saklar

terbuka saat diberi prategangan mundur. Oleh karenanya, dioda bisa berfungsi seperti sebuah saklar.

b)

Dioda Sebagai Penyearah Dioda semikonduktor banyak digunakan sebagai penyearah. 

Penyearah Setengah Gelombang

Gambar 1.6.Penyearah Setengah Gelombang Prinsip kerja dari penyearah setengah gelombang adalah bahwa pada saat sinyal input berupa siklus positif maka dioda mendapat prategangan maju sehingga arus (I) mengalir ke beban (RL), dan sebaliknya bila sinyal input berupa siklus negatif maka dioda mendapat prategangan mundur sehingga arus tidak mengalir. 

Penyearah Gelombang Penuh dengan Center Tap Pada gambar 1.7, merupakan rangkaian penyearah gelombang penuh dengan

menggunakan center tap. Terlihat dengan jelas bahwa rangkaian penyearah gelombang penuh ini merupakan gabungan 2 buah penyearah setengan gelombang yang kerjanya bergantian setiap setengah siklus. Sehingga arus maupun tegangan rata-ratanya adalah 2 x penyearah setengah gelombang, PIV = 2 Vm Laboratorium Sistem Elektronika | Modul Praktikum Elektronika 6

Gambar 1.7.Penyearah Gelombang Penuh Prinsip kerjanya yaitu pada terminal sekunder dari trafo CT mengeluarkan 2 buah tegangan output yang sama tapi berbeda fasa, karena fasanya berlawanan dengan titik CT sebagai titik tengahnya. Kedua output ini masing-masing dihubungkan ke D1 dan D2, sehingga saat D1 mendapat sinyal positif maka D2 mendapat sinyal negatif, dan sebaliknya. Dengan demikian D1 dan D2 hidupnya saling bergantian. Namun karena arus i1 dan i2 melewati tahanan beban (RL) dengan arah yang sama, maka iL menjadi satu arah. 

Penyearah Gelombang Penuh dengan Bridge

Gambar 1.8.Rangkaian Penyearah Gelombang Penuh dengan Bridge

Prinsip kerjanya: o

Pada saat rangkaian bridge mendapatkan bagian positif dari siklus sinyal AC, makaD1 dan D3 ON karena mendapat prategangan maju, sedangkan D2 dan D4 OFF karena mendapat prategangan mundur. Sehingga arus i1 mengalir melalui D1, RL, dan D3. Laboratorium Sistem Elektronika | Modul Praktikum Elektronika 7

o

Pada saat rangkaian jembatan mendapatkan bagian negatif dari siklus sinyal AC, makaD2 dan D4 ON karena mendapat prategangan maju, sedangkan D1 dan D3 OFF karena mendapat prategangan mundur. Sehingga arus i2 mengalir melalui D2, RL, dan D4.

c)

Dioda Sebagai Catu Daya Penyearah gelombang penuh dengan bridge sudah mendapat sinyal dc dari input sinyal

ac. Akan tetapi, sinyal yang dihasilkan belum terlalu baik. Oleh karenanya, ada beberapa bagian yang dapat ditambahkan untuk menghasilkan sinyal dc yang lebih baik. 

Low Pass Filter (Tapis Lolos Rendah)

Gambar 1.9. Bentuk Sinyal Output setelah Melewati Low Pass Filter

Low Pass Filter (LPF)merupakan suatu rangkaian yang akan melewatkan suatu sinyal tertentu sampai ke suatu frekuensi cut-off dan akan menahan sinyal yang frekuensinya diatas frekuensi cut-off dari rangkaian tersebut. Rangkaian penyearah dengan LPF digunakan agar tegangan DC yang dihasilkan lebih rata. Dengan adanya pemasangan sebuah kapasitor, tegangan output tidak akan segera turun walaupun tegangan input sudah turun. Hal ini disebabkan karena kapasitor memerlukan waktu untuk mengosongkan muatannya. Tegangan yang terjadi dikenal dengan tegangan riak (ripple voltage). Kualitas rangkaian penyearah dengan LPF dinyatakan oleh nisbah riak puncak ke puncak (peak-to-peak ripple ratio / pprr).

pprr 

Vrpp VDC rata rata

;VDC rata rata 

Vp



Untuk setengah gelombang

: Vrpp 

1 Vp fRC

Untuk gelombang penuh

: Vrpp 

1 Vp fRC

(1.2)


dengan Vp adalah tegangan puncak dari tegangan output. 

Dioda Zener

Gambar 1.10. Simbol dari Dioda Zener

Dioda zener dibuat sedemikian rupa sehingga daerah deplesinya lebih besar daripada diodabiasa. Akibatnya, medan listrik yang dihasilkan juga lebih besar. Dioda zener memiliki karakteristik yang sama seperti diodabiasa pada kondisi prategangan maju. Pada dasarnya, tidak ada perbedaan secara struktur dari dioda biasa. Dioda zenerdiberi jumlah doping yang lebih banyak pada sambungan P dan N, sehingga tegangan breakdownbisa semakin cepat tercapai.Analisis rangkaian dengan menggunakan dioda zener sama seperti diodabiasa. Perbedaan hanya terletak pada permodelan kondisi ON dan OFF dioda zener dibandingkan diodabiasa.

Gambar 1.11.Kurva Karakteristik dari Dioda Zener

Pada saat dioda zener mendapat prategangan maju dan tegangannya lebih kecil dari tegangan threshold, maka kondisi dioda zener OFF. Sedangkan pada saat tegangannya lebih besar daripada tegangan threshold, maka kondisi dioda zener ON dimana tegangan dioda zener sama dengan tegangan threshold. Laboratorium Sistem Elektronika | Modul Praktikum Elektronika 9

Pada saat dioda zener mendapat prategangan mundur dan tegangannya lebih kecil dari tegangan zener, maka kondisi dioda zener OFF. Sedangkan pada saat tegangannya lebih besar daripada tegangan zener, maka kondisi dioda zener ON dimana tegangan dioda zener sama dengan tegangan zener. Tegangan yang menyebabkan munculnya arus mundur yang sangat besar disebut tegangan dadal (breakdown voltage). Dimana pada saat terjadi tegangan tersebut, daerah deplesinya lebar dan arus yang bertambah cepat akibat dua hal berikut ini: a.

Zener Breakdown Dengan adanya tegangan mundur yang relatif tinggi, medan listriknya dapat menarik keluar elektron dari ikatan kovalen sehingga terjadi pembentukan pasangan elektron dan hole sebagai pengangkut muatan yang memungkinkan terjadinya arus mundur.

b.

AvalancheBreakdown. Elektron dan hole yang dibangkitkan dipercepat oleh medan listrik yang tinggi, karena kecepatan yang tinggi menabrak ikatan kovalen sehingga menambah pembangkitan beruntun pasangan elektron-hole sehingga mempercepat pertambahan arus mundur. Salah satu aplikasi dari dioda zener adalah sebagai regulator tegangan. Seperti pada

gambar 1.12, tegangan sumber adalah 12V, tetapi tegangan yang terukur pada R load adalah 9V sama dengan nilai tegangan pada dioda zener.

Gambar 1.12.Contoh Rangkaian Regulator Tegangan dengan Menggunakan Dioda Zener 

IC 78xx / IC 79xx IC 78xx merupakan regulator tegangan positif dc sedangkan IC79xx merupakan

regulator tegangan negatif dc. Tanda „xx‟ menyatakan nilai dari tegangan output yang dihasilkan. Misalkan IC 7812 menyatakan regulator tegangan +12 VDC, sementara 7912 menyatakan regulator tegangan -12 VDC.


(a)

(b)

Gambar 1.13. (a) Penggunaan IC 7812 pada Rangkaian; dan (b) Kaki-Kaki yang terdapat pada IC 7812

d)

Dioda Sebagai Clipper Rangkaian clipper (pemotong) digunakan untuk memotong atau menghilangkan

sebagian sinyal input yang berada dibawah atau diatas level tertentu. Rangkaian ini adalah rangkaian yang digunakan untuk membatasi tegangan agar tidak melebihi dari suatu nilai tegangan tertentu. Secara umum rangkaian clipper dapat digolongkan menjadi 2, yaitu seri dan paralel. Rangkaian clipper seri berarti dioda-nya dipasang secara seri dengan beban, sedangkan clipper paralel berarti dioda-nya dipasang paralel dengan beban.Sedangkan untuk masingmasing jenisnya dibagi menjadi clippernegatif, memotong bagian negatif, dan clipper positif, memotong bagian positif. Petunjuk untuk menganalisis rangkaian clippersecara seri adalah sebagai berikut: a. Perhatikan arah dioda 

Bila arah dioda kekanan, maka bagian positif dari sinyal input akan dilewatkan, dan bagian negatif akan dipotong, berarti clippernegatif.



Bila arah dioda kekiri, maka bagian negatif dari sinyal input akan dilewatkan, dan bagian positif akan dipotong, berarti clipper positif.

b. Perhatikan polaritas baterai, bila ada. c. Gambarlah sinyal output dengan sumbu nol pada level baterai, yang sudah ditentukan pada langkah 2 diatas. d. Batas pemotongan sinyal adalah pada sumbu nol semula, sesuai dengan sinyal input.


Gambar 1.14.Clipper Positif secara Seri

Gambar 1.15.Clipper Negatif secara Seri

Petunjuk untuk menganalisis rangkaian clipper secara paralel adalah sebagai berikut: a. Perhatikan arah dioda: 

Bila arah dioda kebawah, maka bagian positif dari sinyal input akan dipotong, berarti clipper positif.



Bila arah dioda keatas, maka bagian negatif dari sinyal input akan dipotong, berarti clippernegatif.

b. Perhatikan polaritas baterai, bila ada. c. Gambarlah sinyal output dengan sumbu nol sesuai dengan input. d. Batas pemotongan sinyal adalah pada level baterai.


Gambar 1.16.Clipper Positif secara Paralel

Gambar 1.17.Clipper Negatif secara Paralel

e)

Dioda Sebagai Clamper Rangkaian clamper adalah rangkaian yang digunakan untuk memberikan offset

tegangan DC. Dengan demikian, tegangan yang dihasilkan adalah tegangan inputdan tegangan DC. Rangkaian ini disebut juga rangkaian penggeser yang digunakan untuk menggeser suatu sinyal ke level DC yang lain. Rangkaian ini paling tidak harus mempunyai sebuah kapasitor, dioda, dan resistor, disamping itu bisa pula ditambahkan sebuah baterai. Harga R dan C harus dipilih sedemikian rupa sehingga konstanta waktu RC cukup besar agar tidak terjadi pengosongan muatan yang cukup berarti saat dioda tidak menghantar. Sebuah rangkaian clamper sederhana, tanpa baterai, terdiri atas R, D, dan C terlihat pada gambar 1.18.


Gambar 1.18.Rangkaian Clamper Keterangan: (a)

Gelombang kotak yang menjadi sinyal input rangkaian clamper.

(b)

Pada saat 0 – T/2, sinyal input adalah positif sebesar +V, sehingga dioda ON. Kapasitor mengisi muatan dengan cepat melalui tahanan dioda yang rendah, seperti hubung singkat karena dioda ideal.

(c)

Sinyal output merupakan penjumlahan tegangan input –V dan tegangan pada kapasitor –V sehingga sebesar -2V. Terlihat pada gambar 1.18, bahwa sinyal output merupakan bentuk gelombang kotak,

seperti gelombang input, yang level DC-nya sudah bergeser kearah negatif sebesar –V. Besarnya penggeseran ini bisa divariasi dengan menambahkan sebuah baterai secara seri dengan dioda. Dan juga arah penggeseran bisa dibuat kearah positif dengan cara dioda dibalik.

Gambar 1.19.Rangkaian ClamperNegatif dan Positif


f)

Dioda Sebagai Rangkaian Logika Aplikasi lain dari dioda adalah dapat digunakan sebagai rangkaian logika AND dan

OR. Pada gambar 1.20 terdapat rangkaian gerbang logika AND dan OR.

Gambar 1.20.Rangkaian AND dan Rangkaian OR dengan Menggunakan Dioda

g)

Light Emitting Diode (LED) LED merupakan komponen yang dapat mengeluarkan emisi cahaya. Struktur LED

sama dengan dioda, tetapi belakangan ditemukan bahwa elektron yang menerjang sambungan P-N juga melepaskan energy berupa energy panas dan energy cahaya.

Gambar 1.21. Simbol LED

h)

Photodiode Photodioda adalah dioda yang bekerja berdasarkan intensitas cahaya, jika photodioda

terkena cahaya maka photodioda bekerja seperti dioda pada umumnya, tetapi jika tidak mendapat cahaya maka photodioda akan berperan seperti resistor dengan nilai tahanan yang besar sehingga arus listrik tidak dapat mengalir.

Gambar 1.22. Contoh Aplikasi LED dan Photodiode dalam Optocoupler Laboratorium Sistem Elektronika | Modul Praktikum Elektronika 15

E.

PROSEDUR PRAKTIKUM Lakukan dan amati setiap percobaan yang akan dilakukan. Ikuti instruksi khusus dari

Asisten Praktikum dengan baik dan seksama.

1.

KARAKTERISTIK DIODA

a.

Rangkaian A

Gambar 1.23. Rangkaian A Langkah kerja: 1. Rangkailah rangkaian seperti pada gambar 1.23. 2. Hubungkan titik 1 dan titik 2 dengan amperemeter DC dengan orde mA. 3. Hubungkan titik 3 dan titik 4 dengan voltmeter DC. 4. Naikkan tegangan sumber DC (Vs) dari 0 – 5 volt dengan kenaikan 0,5 volt. Khusus tegangan dari 1 – 2 volt, kenaikan tegangan 0,1 volt. 5. Catat nilai arus (Id) dan tegangan pada dioda (Vd) kemudian masukkan ke dalam tabel 1.1. 6. Gambarkan grafik Id terhadap Vd pada Gambar 1.1.

b.

Rangkaian B

Gambar 1.24. Rangkaian B Langkah kerja: 1. Rangkailah rangkaian seperti pada gambar 1.24. 2. Hubungkan titik 1 dan titik 2 dengan amperemeter DC dengan orde mA. Laboratorium Sistem Elektronika | Modul Praktikum Elektronika 16

3. Hubungkan titik 3 dan titik 4 dengan voltmeter DC 4. Naikkan tegangan sumber DC (Vs) dari 0 – 5 volt dengan kenaikan 0,5 volt. 5. Catat nilai arus (Id) dan tegangan pada dioda (Vd) kemudian masukkan ke dalam tabel 1.2. 6. Gambarkan grafik Id terhadap Vd pada Gambar 1.2.

2.

DIODA SEBAGAI PENYEARAH SETENGAH GELOMBANG

a.

Rangkaian A

Gambar 1.25. Rangkaian Dioda sebagai Penyearah Setengah Gelombang Langkah kerja: 1. Rangkailah rangkaian seperti pada gambar 1.25. Sumber tegangan AC dari Signal Generator. 2. Berikan tegangan 4 Vpp, dengan frekuensi 1 KHz. 3. Pada osiloskop, hubungkan channel 1 dengan input sumber AC, probe positif pada titik 1 dan probe negatif pada titik 3. Hubungkan channel 2 dengan output, probe positif pada titik 2 dan probe negatif pada titik 3. 4. Gambarkan bentuk sinyal input dan output pada gambar 2.1.

b.

Rangkaian B

Gambar 1.26. Rangkaian Dioda sebagai Penyearah Setengah Gelombang Langkah kerja: 1. Rangkailah rangkaian seperti pada gambar 1.25. Sumber tegangan AC dari Signal Generator. 2. Berikan tegangan 4 Vpp, dengan frekuensi 1 KHz. Laboratorium Sistem Elektronika | Modul Praktikum Elektronika 17

3. Pada osiloskop, hubungkan channel 1 dengan input sumber AC, probe positif pada titik 1 dan probe negatif pada titik 3. Hubungkan channel 2 dengan output, probe positif pada titik 2 dan probe negatif pada titik 3. 4. Gambarkan bentuk sinyal input dan output pada gambar 2.2.

3.

DIODA

SEBAGAI

PENYEARAH

GELOMBANG

PENUH

DENGAN

CENTERTAP

Gambar 1.27. Rangkaian Dioda sebagai Penyearah Gelombang Penuh dengan Center Tap Langkah kerja: 1. Rangkailah rangkaian seperti pada gambar 1.27. 2. Pada osiloskop, hubungkan channel 1 dengan input sumber AC, probe positif pada titik 1 dan probe negatif pada titik 3. Hubungkan channel 2 dengan output, probe positif pada titik 2 dan probe negatif pada titik 3. 3. Gambarkan bentuk sinyal input dan output pada gambar 3.

4.

DIODA SEBAGAI PENYEARAH GELOMBANG PENUH DENGAN BRIDGE

Gambar 1.28. Rangkaian Dioda sebagai Penyearah Gelombang Penuh dengan Bridge Langkah kerja: 1. Rangkailah rangkaian seperti pada gambar 1.28.


2. Pada osiloskop, hubungkan channel 1 dengan input sumber AC, probe positif pada titik 1 dan probe negatif pada titik 3. Hubungkan channel 2 dengan output, probe positif pada titik 2 dan probe negatif pada titik 3. 3. Gambarkan bentuk sinyal input dan output pada gambar 4.

5.

DIODA SEBAGAI CATU DAYA Gunakan dan lanjutkan skema rangkaian pada gambar 1.28 untuk percobaan berikut ini.

a.

LPF

Gambar 1.29. Rangkaian Catu Daya dengan LPF Langkah kerja: 1. Tambahkan rangkaian LPF dengan menggunakan resistor 1 KΩ dan kapasitor 470 µF, seperti pada gambar 1.29. 2. Pada osiloskop, hubungkan channel 1 dengan input sumber AC, probe positif pada titik 1 dan probe

negatif pada titik 3. Hubungkan channel 2 dengan output,

probepositif pada titik 2 dan probenegatif pada titik 3. 3. Gambarkan bentuk sinyal input dan output, serta hitung tegangan ripple-nya.

b.

Regulator dengan Dioda Zener

Gambar 1.30. Rangkaian Catu Daya dengan Dioda Zener Langkah kerja:


1. Tambahkan dioda zener pada gambar rangkaian 1.29 seperti rangkaian pada gambar 1.30. 2. Catat nilai arus dan tegangan pada beban RL. 3. Ubahlah nilai RL dari yang paling besar menuju nol. c.

Regulator dengan IC 78**

Gambar 1.31 Rangkaian Catu Daya dengan Regulator IC 78** Langkah kerja: 1. Tambahkan regulator IC 78** pada gambar rangkaian 1.29 seperti rangkaian pada gambar 1.31. 2. Catat nilai arus dan tegangan pada beban RL. 3. Ubahlah nilai RL sesuai dengan kebutuhan.

6.

DIODA SEBAGAI CLIPPER

Gambar 1.32. Rangkaian Dioda sebagai Clipper Langkah kerja: 1. Atur Signal Generator agar tegangannya 10 Vpp dengan frekuensi 1 KHz. 2. Beri sumber tegangan DC 4 V dan 2 V pada masing-masing dioda dengan arah yang berlawanan, seperti pada gambar diatas. 3. Pada osiloskop, hubungkan channel 1 dengan input sumber AC, probe positif pada titik 1 dan probe pada titik 3.Hubungkan channel 2 dengan output, probepositif pada titik 2 dan probenegatif pada titik 3. Laboratorium Sistem Elektronika | Modul Praktikum Elektronika 20

4. Gambarkan sinyal input dan output.

7.

DIODA SEBAGAI CLAMPER

Gambar 1.33. Rangkaian Dioda sebagai Clamper Langkah kerja: 1. Atur Signal Generator dengan sinyal masukkan berupa sinyal kotak yang tegangannya 10 Vpp dengan frekuensi 1 KHz. 2. Pada osiloskop, hubungkan channel 1 dengan input sumber AC, probe positif pada titik 1 dan probe pada titik 3.Hubungkan channel 2 dengan output, probepositif pada titik 2 dan probenegatif pada titik 3. 3. Gambarkan sinyal input dan output.

8.

DIODA SEBAGAI RANGKAIAN LOGIKA

Gambar 1.34. Rangkaian Dioda sebagai Rangkaian Logika Langkah kerja: 1.

Rangkailah rangkaian seperti pada gambar 1.34.

2.

Berikan input pada V1 dan V2 dengan kombinasi 0 V dan 5 V.

3.

Ukurlah arus dan tegangan pada resistor.


MODUL 2 BIPOLAR JUNCTION TRANSISTOR (BJT)

A.

PENDAHULUAN Pada prinsipnya suatu transistor terdiri dari dua buah dioda yang disatukan. Agar

transistor dapat bekerja pada kaki-kakinya harus diberikan tegangan. Sambungan kedua dioda tersebut membentuk transistor PNP dan NPN. Transistor yang dibahas ini adalah Bipolar Junction Transistor (BJT) karena struktur dan prinsip kerjanya tergantung dari perpindahan elektron di kutub negatif mengisi kekurangan elektron ( hole) dikutub positif. Sifat transistor adalah bahawa antara Collector dan Emitor akan ada arus (transistor akan menghantar) bila ada arus Basis. Pada transistor PNP tegangan Basis dan Collector negatif terhadap Emitor sedangkan pada transistor NPN tegangan Basis dan Collector positif terhadap Emitor.

B.


1.

Memahami dan menggambarkan kurva karakteristik transistor.

2.

Mengidentifikasi daerah kerja transistor berdasarkan pada kurva karakteristik transistor

3.

Mengaplikasikan transistor sebagai penguat dan saklar berdasarkan pada daerah kerja transistor dan datasheet-nya

4.

Pengenalan aplikasi TTL (Transistor-Transistor Logic)

C.


1.

1 Set Osiloskop dan Probe.

2.

2 Set Multimeter.

3.

1 Unit Function Generator.

4.

1 Unit DC Power Supply.

5.

1 Unit Project Board.

6.

Kabel Jumper.

7.

1 Unit Tang Potong.

8.

Komponen:  Transistor BJT BC 140  Resistor 100 kΩ, 470 kΩ, 47 kΩ, 10 kΩ, 1 kΩ, 27k Ω, 10 Ω, 50Ω dan 4k7 Ω  Kapasitor ELCO 4.7 µF,100µF dan 470 µF Laboratorium Sistem Elektronika | Modul Praktikum Elektronika 22

 Resistor variable 100kΩ  Led

D.

TEORI DASAR Transistor yang dibahas ini adalah Bipolar Junction Transistor (BJT) karena struktur

dan prinsip kerjanya tergantung dari perpindahan elektron di kutub negatif mengisi kekurangan elektron ( hole) dikutub positif. Sifat transistor adalah bahawa antara Collector dan Emitor akan ada arus (transistor akan menghantar) bila ada arus Basis. Pada transistor PNP tegangan Basis dan Collector negatif terhadap Emitor sedangkan pada transistor NPN tegangan Basis dan Collector positif terhadap Emitor.

A)

TIPE TRANSISTOR 

Transistor NPN

Tipe NPN terdiri dari selapis semikonduktor tipe-p di antara dua lapisan tipe-n. Arus kecil yang memasuki basis pada tunggal emitor dikuatkan di keluaran kolektor. Dengan kata lain, transistor NPN hidup ketika tegangan basis lebih tinggi daripada emitor. 

Transistor PNP

Tipe PNP terdiri dari selapis semikonduktor tipe-n di antara dua lapis semikonduktor tipe-p. Arus kecil yang meninggalkan basis pada moda tunggal emitor dikuatkan pada keluaran kolektor. Dengan kata lain, transistor PNP hidup ketika basis lebih rendah daripada emitor.

Gambar 2.1. Transistor PNP dan NPN

B)

OPERASI TRANSISTOR Pengoperasian transistor disesuaikan dengan tipe dari transistor tersebut, yakni PNP

atau NPN. Transistor memiliki tiga daerah operasi yang sering dimanfaatkan yakni, daerah aktif, saturasi, dan cut off.


Transistor Tipe PNP

C)

Transistor Tipe NPN

Mode

EBJ

CBJ

Mode

EBJ

CBJ

Cut Off

Reverse

Reverse

Cut Off

Reverse

Reverse

Aktif

Forward

Reverse

Aktif

Forward

Reverse

Saturasi

Forward

Forward

Saturasi

Forward

Forward

ANALISA PRATEGANGAN Ada beberapa macam prategangan/bias yang biasanya digunakan dalam berbagai

macam transistor baik itu NPN maupun PNP. Berikut ini akan dijelaskan secara singkat beberapa bias yang sering digunakan. 

Fixed Bias

Pada konfigurasi ini, catuan transistor dihubungkan hanya ke satu sumber teganganyang biasanya dinotasikan dengan Vcc. Di bawah ini akan dijelaskan secara umum mengenai konfigurasi fixed bias.

Gambar 2.2. Rangkaian Fixed Bias 

Emiter Stabilized Bias Pada dasarnya konfigurasi pra tegangan ini hampir mirip dengan fixed bias, namun di sini ditambahi lagi resistor pada kaki emitor.


Gambar 2.3. Rangkaian Emitter Stabilized Bias 

Voltage Divider Bias Pada konfigurasi ini, catuan tegangan untuk basis didapatkan melalui pembagian tegangan antara dua buah resistor yang terhubung dengan kaki basis.

Gambar 2.4. Rangkaian Voltage Divider Bias

D)

KONFIGURASI PENGUAT TRANSISTOR Transistor merupakan komponen dasar untuk sistem penguat. Untuk bekerja sebagai

penguat, transistor harus berada dalam kondisi aktif. Kondisi aktif dihasilkan dengan memberikan bias pada transistor. Bias dapat dilakukan dengan memberikan arus yang konstan pada basis atau pada kolektor. Jika pada kondisi aktif transistor diberikan sinyal (input) yang kecil, maka akan dihasilkan sinyal keluaran (output) yang lebih besar. Ada 3 macam konfigurasi dari rangkaian penguat transistor yaitu : Common‐Emitter (CE), Common‐Base (CB), dan Common‐Collector (CC). Konfigurasi umum transistor bipolar penguat ditunjukkan oleh gambar berikut ini. Laboratorium Sistem Elektronika | Modul Praktikum Elektronika 25



Penguat Common Emitter

Gambar 2.5. Rangkaian Penguat Common Emitter 

Penguat Common Base

Gambar 2.6. Rangkaian Penguat Common Base 

Penguat Common Collector

Gambar 2.7. Rangkaian Penguat Common Collector Laboratorium Sistem Elektronika | Modul Praktikum Elektronika 26

E)

APLIKASI TRANSISTOR Sebelum melangkah ke aplikasi dari transistor,ada baiknya menelaah terlebih dahulu

kurva karakteristik transistor berikut ini.

Gambar 2.8. Kurva Karakteristik Transistor Fungsi transistor sebagai penguat telah sedikit dibahas sebelumnya. Yang sekarang akan dibahas adalah transistor sebagai saklar dan inverter dengan memanfaatkan daerah saturasi dan cut-off dari transistor tersebut. 

Transistor Sebagai Inverter

Pada rangkaian ini, transistor masih bekerja pada kondisi saturasi maupun cut-off. Layaknya gerbang logika NOT(inverter), transistor dapat mengubah input High(bit 1) menjadi Low(bit 0) ataupun sebaliknya. Ketika ada arus input pada kaki basis(dalam hal ini isyarat 1) maka transistor akan ON dan arus mengalir dari kolektor ke emitor, sehingga output F akan bernilai 0. Sebaliknya jika tidak ada arus input pada kaki Basis maka transistor akan OFF. Tidak akan ada arus mengalir menuju emitor,sehingga arus akan dialirkan ke output. Output bernilai 1.

Gambar 2.9. Transistor Sebagai Inverter Laboratorium Sistem Elektronika | Modul Praktikum Elektronika 27

Menentukan nilai RB dan RC : -

Asumsi hFE = 100, Ic sat = 10 mA dan VBE = 0,7 V (sebaiknya melihat datasheet transistor yang digunakan)

-

Maka akan didapatkan RC =

-

atau

Ib = 0.1 mA

Terakhir akan didapatkan RB =



RC = 500Ω

Untuk mencari nilai RB, maka akan ditentukan dulu nilai Ib Ib =

-

atau

atau

RB = 43 kΩ

Transistor Sebagai Saklar

Pada prinsipnya, switching menggunakan transistor sama halnya dengan switching menggunakan saklar ataupun relay. Di sini fungsi transistor digunakan untuk menyambung ataupun memutuskan arus pada suatu rangkaian listrik. Agar transistor dapat berfungsi sebagai saklar, maka harus di set dulu komponen-komponen yang digunakan serta tegangan pencatu yang digunakan agar transistor berada pada daerah saturasi (saklar on) dan juga cut off (saklar off). Berikut ini sedikit ilustrasinya.

Gambar 2.9. Transistor Sebagai Saklar

Dari gambar diatas dan dari keterangan sebelumnya, saat transistor berada pada kondisi saturasi (saklar ON), maka kaki collector dan emmitor akan terhubung sehingga VCE = 0, namun sebaliknya jika berada pada kondisi cut off (saklar OFF), maka akan didapat VCE = VCC.


E.

PROSEDUR PRAKTIKUM

1. KURVA KARAKTERISTIK TRANSISTOR

Gambar 2.10. Karakterisasi Transistor Langkah kerja: 1.

Susunlah komponen-komponen yang digunakan pada project board sesuai dengan rangkaian skematik di atas (RB=100kΩ, RC = 470 kΩ)

2.

Karena hanya ada satu buah multimeter, maka untuk mengukur arus maupun tegangan dilakukan secara bergantian

3.

Perhatikan rangkian sebelah kiri dan susun seperti pada gambar di atas dengan menyambung secara seri multimeter yang digunakan dengan RB serta VBB, sedangkan rangkaian di sebelah kanan dibiarkan saja terbuka dengan tidak membentuk satu loop tertutup.

4.

Set VBB agar arus yang terukur di multimeter (IB) tersebut sama dengan 0.02 mA. Jika sudah pindahkan multimeter ke rangkaian sebelah kanan dan biarkan untuk sementara waktu rangkaian di sebelah kiri dalam keadaan open circuit

5.

Sekarang perhatikan rangkaian sebelah kanan, pasang multimeter secara seri untuk mengukur arus (IC) yang melewati rangkaian sebelah kanan

6.

Sambunglah rangkaian sebelah kiri yang terputus tersebut dengan jumper kabel dan kemudian amati nilai IC yang terukur dengan mengubah nilai VCC dari 0 V – 10 V

7.

Jika telah mendapatkan nilai IC, sekarang amati nilai VCE dengan memasang secara parallel multimeter tersebut,dengan terlebih dahulu menyambungkan kembali rangkaian sebelah kanan dengan jumper

8.

Ulangi lagi langkah di atas untuk nilai Ib yang berbeda (0.04 – 0.01mA)

9.

Catat hasilnya dalam jurnal


10. Gambarkan hasil yang didapat ke dalam grafik kurva karakteristik transistor menggunakan kertas yang tersedia 11. Tentukan juga Ic saturasi dan VCE saturasi dari masing-masing kurva

2. PENGUAT COMMON BASE

Gambar 2.11. Penguat Common Base Langkah Kerja : 1. Susunlah komponen-komponen yang digunakan pada project board sesuai dengan rangkaian skematik di atas. 2. Berikan sinyal input dan ukur harganya (Vi). Dengan amplitude kurang dari 50mV (sinyal kecil) dan frekuensi 1kHz. 3. Sambungkan Probe Ch1 Osiloskop pada input dan Ch2 pada output. 4. Amati sinyal output dan hitung berapa penguatannya. 5. Ukur

tahanan

masukan

(Rin)

dan

tahanan

luaran

(Rout)

menggunakan

potensiometer. 6. Potensiometer dipasang seri antara generator sinyal dan kapasitor C1 (4.7uF) untuk mendapatkan nilai Rin. Ubah-ubah nilai potensiometer sehingga didapat nilai sinyal input Vi‟ = ½ Vi. Dengan nilai Vi‟ adalah tegangan yang terukur setelah C1 7. Lepaskan potensiometer, lalu ukur potensiometer tersebut menggunakan multimeter. Nilai yang terukur tersebut adalah nilai Rin. 8. Pengukuran Rout dilakukan dengan memasang potensiometer pada output. 9. Pasang potensiometer sebagai beban. 10. Berikan input, kemudian ukur output sebelum dipasang potensiometer. Nilai ini adalah Vo 11. Ukur Vo‟ (tegangan pada potensiometer yang telah terpasang pada output) dan ubah nilai potensiometer sampai didapat Vo2 = 1/2Vo1 (input tidak diubah). Laboratorium Sistem Elektronika | Modul Praktikum Elektronika 30

12. Lakukan seperti nomor 7. Nilai yang terukur tersebut adalah nilai Rout.

3. PENGUAT COMMON EMITTER

Gambar 2.12. Penguat Common Emitter Langkah Kerja : 1. Susunlah komponen-komponen yang digunakan pada project board sesuai dengan rangkaian skematik di atas. 2. Berikan sinyal input dan ukur harganya (Vi). Dengan amplitude kurang dari 50mV (sinyal kecil) dan frekuensi 1kHz. 3. Sambungkan Probe Ch1 Osiloskop pada input dan Ch2 pada output. 4. Amati sinyal output dan hitung berapa penguatannya. 5. Ukur tahanan masukan (Rin) dan tahanan luaran (Rout) menggunakan potensiometer. Cara pengukuran Rin dan Rout sama seperti praktikum 3.

4. PENGUAT COMMON COLLECTOR

Gambar 2.13. Penguat Common Collector


Langkah Kerja : 1. Susunlah komponen-komponen yang digunakan pada project board sesuai dengan rangkaian skematik di atas. 2. Berikan sinyal input dan ukur harganya (Vi). Dengan amplitude kurang dari 50mV (sinyal kecil) dan frekuensi 1kHz. 3. Sambungkan Probe Ch1 Osiloskop pada input dan Ch2 pada output. 4. Amati sinyal output dan hitung berapa penguatannya. 5. Ukur tahanan masukan (Rin) dan tahanan luaran (Rout) menggunakan potensiometer. Cara pengukuran Rin dan Rout sama seperti praktikum 3 dan 4.

5. TRANSISTOR SEBAGAI INVERTER

Gambar 2.14. Transistor Sebagai Inverter Langkah Kerja : 1. Susunlah komponen-komponen yang digunakan pada project board sesuai dengan rangkaian skematik di atas. 2. Atur nilai VCC = 5 V. 3. Sambungkan sinyal generator pada Rb dengan amplitude 2 Vpp dan frekuensi 1 kHz. 4. Sambungkan probe Ch1 osiloskop pada sinyal masukan dan Ch2 pada sinyal keluaran di kaki colletor BJT. 5. Amati bentuk sinyal dan Gambarkan. 6. Tuliskan hasil pengamatan pada jurnal. 7. Lakukan variasi bentuk sinyal (Segitiga, Kotak, Persegi) 8. Amati bentuk sinyal dan Gambarkan.


6. TRANSISTOR SEBAGAI SAKLAR

Gambar 2.15. Transistor Sebagai Saklar Langkah Kerja : 1. Susunlah komponen-komponen yang digunakan pada project board sesuai dengan rangkaian skematik di atas. 2. Atur nilai VCC = 5 V. 3. Set potensiometer sehingga nilai VBE = 0. Ukur resistansinya. 4. Putar Potensiometer hingga led indicator menyala. Cabut potensioter dan ukur resistansinya saat led menyala. 5. Kemudian ukur nilai tegangan di kolektor. Tulis Hasil Pengamatan pada jurnal.


MODUL III MOSFET

A.

PENDAHULUAN Dalam bab ini akan dibahas transistor efek medan (Field Effect Transistor – FET). Ada

dua macam FET, yaitu FET sambungan (junction FET = JFET) dan Transistor Efek Medan Logam-Oksida-Semikonduktor (metal-oxide-semiconductor field effect transistor-MOSFET). Prinsip dasar perangkat ini pertama kali diusulkan oleh Julius Edgar Lilienfeld pada tahun 1925 . MOSFET mencakup kanal dari bahan semikonduktor tipe-N dan tipe-P, dan disebut NMOSFET atau PMOSFET (juga biasa nMOS, pMOS).

B.


1.

Mengetahui dan mempelajari karakteristik transistor MOSFET.

2.

Memahami konfigurasi MOSFET sebagai penguat untuk konfigurasi Common Source dan Common Drain.

3.

Mengaplikasikan MOSFET sebagai saklar.

C.


1.

1 Set Osiloskop dan Probe

2.

1 Set Multimeter

3.

1 Set Function Generator

4.

1 Set DC Power Supply

5.

Kabel Jumper

6.

Tang Potong

7.

Project Board

8.

Komponen  Transistor MOSFET Enhancement Mode (IRF530)  Resistor (100KΩ dan 2K2Ω)  Kapasitor 100μF


D.

TEORI DASAR Field Effect Transistor (FET) adalah piranti tiga terminal seperti BJT. Istilah field effect

(efek medan listrik) sendiri berasal dari prinsip kerja transistor ini yang berkenaan dengan lapisan deplesi (depletion layer). Lapisan ini terbentuk antara semikonduktor tipe-N dan tipeP, karena bergabungnya elektron dan hole disekitar daerah perbatasan. Sama seperti medan listrik, lapisan deplesi ini bisa membesar atau mengecil tergantung dari tegangan antara Gate dan Source. Namun, perbedaan utama dari kedua transistor ini adalah BJT merupakan piranti yang dikontrol oleh arus sedangan FET merupakan piranti yang cara kerjanya berdasarakan pengendalian arus listrik oleh tegangan. Perbedaan lainnya terdapat pada prinsip kerja kedua jenis transistor tersebut. FET disebut juga transistor unipolar, yaitu transistor yang prinsip kerjanya berdasarkan salah satu pembawa muatan, elektron atau hole. Sedangkan pada BJT (Bipolar Junction Transistor) prinsip kerjanya berdasarkan dua muatan yang berbeda, yaitu pembawa muatan positif (hole) dan pembawa muatan negatif (elektron). Untuk dapat lebih memahami, perhatikan gambar berikut :

Gambar 3.1 : (a) Current Controller (b) Voltage Controller

Pada gambar 3.1 (a) (BJT), nilai IC (arus Collector) bergantung pada nilai dari IB (arus Basis), sedangkan pada gambar (b) (FET), ID (arus Drain) nilainya bergantung pada tegangan VGS. Pada gambar 3.1 juga terlihat bahwa kaki D (Drain) pada FET dapat dianalogikan dengan kaki Collector pada BJT. Selain itu, kaki G (Gate) pada FET dapat dianalogikan dengan kaki Base pada BJT dan kaki S (Source) dapat dianalogikan dengan kaki Emiter.Transistor FET bekerja berdasarkan efek medan elektrik yang dihasilkan oleh tegangan yang diberikan pada kedua ujung terminalnya. Pada transistor ini, arus yang muncul pada kaki Drain dihasilkan oleh tegangan antara Gate dan Source. Jadi, dapat dikatakan bahwa FET adalah transistor yang berfungsi sebagai “konverter” tegangan ke arus.


Karakteristik transistor efek medan dibandingkan transistor bipolar : 1. Operasinya tergantung pada aliran pembawa mayoritas saja. 2. Ukurannya kecil (yang terdapat di dalam IC). 3. Impedansi input tinggi (ratusan MW). 4. Stabil terhadap temperatur. Ada dua jenis transistor FET, yaitu JFET (Junction FET) dan MOSFET (Metal-oxide Semikonduktor FET). Kedua jenis transistor tersebut sebenarnya memiliki karakteristik umum yang serupa, namun tetap ada perbedaan yang mendasar pada struktur dan karakteristiknya. Transistor yang akan digunakan pada praktikum kali ini adalah transistor MOSFET.

A)

JFET Junction FET terdiri atas dua jenis, yaitu JFET kanal-N dan JFET kanal-P. Kanal-N

dibuat dari bahan semikonduktor tipe-N dan kanal-P dibuat dari semikonduktor tipe-P. Ujung ata dinamakan Drain dan ujung bawah dinamakan Source. Pada kedua sisi kiri dan kanan terdapat implant semikonduktor yang berbeda tipe. Terminal kedua sisi implant ini terhubung satu dengan lainnya secara internal dan dinamakan Gate. Gambar di bawah ini menggambarkan struktur JFET kanal-N dan JFET kanal-P.

Gambar 3.2 : Struktur JFET (A) Kanal-N (B) Kanal-P Seperti yang telah dijelaskan sebelumnya, istilah field effect transistor berasal dari prinsip kerja transistor yang berkaitan dengan lapisan deplesi. Pada gambar di atas, lapisan deplesi ditunjukan dengan warna kuning di sisi kiri dan kanan. Pada skema rangkaian elektronika, JFET disimbolkan seperti pada gambar dibawah ini: Laboratorium Sistem Elektronika | Modul Praktikum Elektronika 36

(a)

(b)

Gambar 3.3 : Simbol Komponen (a) JFET-N (b) JFET-P 

JFET kanal-n Salah satu JFET adalah JFET kanal-N. Prinsip kerja JFET dapat ditinjau dari transistor

JFET kanal-N. Drain dan Source transistor ini dibuat dengan semikonduktor tipe-N dan Gate dengan tipe-P. Gambar dibawah ini menunjukan bagaimana transistor ini diberi tegangan bias. Tegangan bias antara Gate dan Source adalah tegangan reverse bias atau bias negatif. Tegangan bias negatif berarti tegangan Gate lebih negatif terhadap Source. Pada transistor ini, kedua Gate terhubung satu dengan lainnya.

Gambar 3.4 : Lapisan Deplesi Jika Gate-Source Diberi Bias Negatif Elektron yang mengalir dari Source menuju Drain harus melewati lapisan deplesi. Disini lapisan deplesi berfungsi seperti keran air. Banyaknya elektron yang mengalir dari Source menuju Drain tergantung dari ketebalan lapisan deplesi. Lapisan deplesi bisa menyempit, melebar atau terbuka tergantung dari tegangan Gate terhadap Source. Jika Gate semakin negatif terhadap Source, maka lapisan deplesi akan semakin menebal. Lapisan deplesi bisa saja menutup seluruh kanal transistor bahkan dapat menyentuh Drain dan Source. Pada kondisi ini, arus Drain yang muncul akan sangat kecil,atau bahkan Laboratorium Sistem Elektronika | Modul Praktikum Elektronika 37

tidak ada arus yang muncul sama sekali. Jadi jika tegangan Gate semakin negatif terhadap Source maka semakin kecil arus yang bisa melewati kanal Drain dan Source. Jika Gate lebih positif dari Source, maka daerah deplesi akan semakin menyempit, sehingga arus Drain akan selalu muncul tanpa dapat dikontrol oleh tegangan GS.

Gambar 3.5 : Lapisan Deplesi Pada Saat Tegangan Gate-Source = 0 Volt

Jika pada sisi G-S tidak diberi bias (VGS = 0), ternyata lapisan deplesi mengecil hingga muncul celah sempit. Arus elektron akan mengalir melalui celah sempit ini dan terjadilah konduksi Drain dan Source. Arus yang terjadi pada keadaan ini merupakan arus maksimun yang dapat mengalir berapapun tegangan Drain terhadap Source. Hal ini karena celah lapisan deplesi sudah maksimum tidak bisa lebih lebar lagi. Tegangan Gate tidak bisa dinaikkan menjadi positif, karena apabila nilainya positif maka Gate-Source tidak lain hanya sebagai dioda. Karena tegangan bias yang negatif, maka arus Gate yang disebut IG akan sangat kecil sekali. Dengan nilai arus yang sangat kecil, resistansi input (input impedance) Gate akan sangat besar. Impedansi input transisitor FET umumnya bisa mencapai satuan MOhm. Dari prinsip kerja FET, dapat disimpulkan seperti pada gambar kurva karakteristik dibawah ini :

Gambar 3.6 : Kurva Karakteristik JFET N-Channel Laboratorium Sistem Elektronika | Modul Praktikum Elektronika 38

Dari gambar diatas, terlihat bahwa nilai ID = 0 mA saat nilai VGS = VP, dengan nilai VP pada JFET kanal-N adalah negatif dan nilai VP pada JFET kanal-P adalah positif. 

JFET kanal-P Transistor JFET kanal-P memiliki prinsip yang sama dengan JFET kanal-N, hanya saja

sisi Drain dan Source dibuat dengan semikonduktor tipe-P, dan Gate dari semikonduktor tipeN. Dengan demikian polaritas tegangan dan arah arus berlawanan jika dibandingkan dengan transistor JFET kanal-N.

B)

MOSFET Sebenarnya MOSFET (Metal-oxide semiconduktor FET) memiliki kemiripan dengan

JFET, yaitu memiliki kaki Drain, Source, dan Gate. Namun perbedaannya Gate terisolasi oleh bahan oksida. Gate tersebut terbuat dari bahan metal seperti Aluminium. Oleh karena itulah transistor ini dinamakan metal-oxide. Karena Gate yang terisolasi, transistor ini disebut juga IGFET yaitu Insulated-Gate FET. Ada dua jenis MOSFET, yaitu depletion-mode dan enhancement-mode. Jenis MOSFET yang kedua adalah komponen utama dari gerbang logika dalam bentuk IC (Integrated Circuit), µC (Mikro Controller) dan µP (Mikro Processor) yang merupakan komponen utama dari komputer modern saat ini. Kedua jenis MOSFET tersebut juga memiliki dua jenis, yaitu jenis MOSFET tipe-N dan jenis MOSFET tipe P. Transistor MOSFET dalam berbagai referensi disingkat dengan nama MOS. Dua jenis tipe-N atau P dibedakan dengan nama NMOS dan PMOS. Simbol untuk menggambarkan MOS tipe depletion-mode dibedakan dengan tipe enchancement-mode. Perbedaan simbol tersebut dapat terlihat pada gambar dibawah ini :

Simbol transistor (a) NMOS (b) PMOS tipe depletion mode

Simbol transistor (a) NMOS (b) PMOS tipe enhancement mode Laboratorium Sistem Elektronika | Modul Praktikum Elektronika 39



MOSFET Depletion Mode Pada gambar dibawah ini, terlihat struktur dari transistor depletion-mode. Pada sebuah

kanal semikonduktor tipe-N terdapat semikonduktor tipe-P dengan menyisakan sedikit celah. Hal tersebut bertujuan agar elektron mengalir dari Source menuju Drain melalui celah sempit tersebut. Gate terbuat dari metal (seperti Aluminium) dan terisolasi oleh bahan oksida tipis SiO2 (kaca).

Gambar 3.7 : Struktur MOSFET Depletion-Mode

Semikonduktor tipe-P pada transistor ini disebut substrat-P dan biasanya dihubung singkat dengan Source. Seperti pada transistor JFET, lapisan deplesi akan muncul saat VGS = 0. Dengan menghubung singkat substrat-P dengan Source diharapkan ketebalan lapisan deplesi yang terbentuk antara substrat dengan kanal adalah maksimum. Sehingga ketebalan lapisan deplesi selanjutnya hanya akan ditentukan oleh tegangan Gate terhadap Source. Pada gambar, lapisan deplesi yang dimaksud ditunjukkan pada daerah yang berwarna kuning. Saat tegangan Gate terhadap Source semakin negatif, arus Drain yang bias mengalir akan semakin kecil, bahkan bias jadi tidak ada arus yang mengalir sama sekali. Hal ini disebabkan karena lapisan deplesi telah menutup kanal. Saat tegangan Gate dinaikkan sama dengan tegangan Source, arus akan mengalir. Karena lapisan deplesi mulai membuka. Karena Gate yang terisolasi, tegangan kerja VGS boleh positif. Jika VGS semakin positif, arus elektron yang mengalir dapat semakin besar. Hal inilah yang merupakan perbedaan antara JFET dengan MOSFET depletion-mode, transistor MOSFET depletionmode bisa bekerja sampai tegangan Gate positif.




Kurva Drain MOSFET Depletion Mode Analisa kurva Drain dilakukan dengan mencoba beberapa tegangan Gate VGS konstan,

lalu dibuat grafik hubungan antara arus Drain ID terhadap tegangan VDS.

Gambar 3.8 : Kurva Drain Transistor MOSFET Depletion-Mode

Dari kurva ini terlihat jelas bahwa transistor MOSFET depletion-mode dapat bekerja (ON) mulai dari tegangan VGS negatif sampai positif. Terdapat dua daerah kerja, yang pertama adalah daerah aktif/ohmic. Jika tegangan VGS tetap dan VDS terus dinaikkan, transistor selanjutnya akan berada pada daerah saturasi. Jika keadaan ini tercapai, arus IDS adalah konstan. Tentu saja ada tegangan VGS(maks), yang diperbolehkan. Karena jika lebih dari tegangan ini akan dapat merusak isolasi Gate yang tipis atau akan merusak transistor itu sendiri. 

MOSFET Enhancement Mode Jenis transistor MOSFET yang kedua adalah MOSFET enhancement-mode. Transistor

ini dapat dikatakan merupakan evolusi dari MOSFET depletion-mode. Gate terbuat dari metal Aluminium dan terisolasi oleh lapisan SiO2 sama seperti transistor MOSFET depletion-mode. Perbedaan struktur yang mendasar adalah substrat pada transisitor MOSFET enhancementmode dibuat sampai menyentuh Gate. Seperti terlihat pada gambar dibawah ini.


Gambar 3.9 : Struktur Mosfet Enhancement-Mode

Gambar di atas menunjukkan struktur transistor MOSFET enhancement-mode kanal-N. Jika tegangan Gate VGS dibuat negatif, arus elektron tidak dapat mengalir. Juga ketika VGS = 0 ternyata arus belum juga bisa mengalir, karena tidak ada lapisan deplesi maupun celah yang bisa dialiri elektron. Satu-satunya jalan adalah dengan memberi tegangan VGS positif. Karena substrat terhubung dengan Source, maka jika tegangan Gate positif berarti tegangan Gate terhadap substrat juga positif. Tegangan positif ini akan menyebabkan elektron tertarik kearah substrat-P. Elektronelektron akan bergabung dengan hole yang ada pada substrat-P. Karena potensial Gate lebih positif, maka elektron terlebih dahulu tertarik dan menumpuk di sisi substrat yang berbatasan dengan Gate. Elektron akan terus menumpuk dan tidak dapat mengalir menuju Gate karena terisolasi oleh bahan insulator SiO2 (kaca). Jika tegangan Gate cukup positif, maka tumpukan elektron akan menyebabkan terbentuknya semacam lapisan-N yang negatif dan seketika itulah arus Drain dan Source dapat mengalir. Lapisan yang terbentuk ini disebut dengan istilah inversion layer. Kira-kira terjemahannya adalah lapisan dengan tipe yang berkebalikan. Disini karena substratnya tipeP, maka lapisan inversion yang terbentuk adalah bermuatan negatif atau tipe-N. Tentu ada tegangan minimum dimana lapisan inversion N mulai terbentuk. Tegangan minimum ini disebut tegangan threshold VGS(th). Hal inilah yang merupakan perbedaan utama prinsip kerja transistor MOSFET enhancement-mode dibandingkan dengan JFET. Jika pada tegangan VGS = 0, transistor JFET sudah bekerja atau ON, maka transistor MOSFET enhancement-mode masih OFF. Dikatakan bahwa JFET adalah komponen normally ON dan MOSFET adalah komponen normally OFF.




Kurva Drain MOSFET Enhancement-Mode VGS semua bernilai positif. Garis kurva paling bawah adalah garis kurva dimana

transistor mulai ON. Tegangan VGS pada kurva ini disebut tegangan threshold VGS(th).

Gambar 3.10 : Kurva Drain E-Mosfet

Karena transistor MOSFET umumnya digunakan sebagai saklar (switch), parameter yang penting pada transistor E-MOSFET adalah resistansi Drain-Source. Biasanya yang tercantum pada datasheet adalah resistansi pada saat transistor ON. Resistansi ini dinamakan RDS(on). Untuk aplikasi power switching, semakin kecil resistansi RDS(on) maka semakin baik transistor tersebut. Karena akan memperkecil rugi-rugi disipasi daya dalam bentuk panas. Juga penting diketahui parameter arus Drain maksimum ID(maks) dan disipasi daya maksimum PD(maks).MOSFET dapat berfungsi sebagai saklar, dengan ketentuan saklar akan ON ketika VGS ≥ Vth dan VDD ≥ Vth. Vth merupakan V threshold dimana MOSFET mulai bekerja.

C) ANALISA PRATEGANGAN MOSFET ENHANCEMENT Saat melakukan prategangan DC, semua sumber tegangan AC short circuit, sumber arus AC open circuit, dan kapasitor open circuit. Setelah itu dapat kita buat rangkaian pengganti MOSFET tersebut. Rumus dasar transistor MOSFET antara lain :

IG = 0 A, ID = IS ID

–

k =


Macam-macam Rangkaian MOSFET 1. Feedback Bias

IG = 0 VRG = IG x RG = 0 - VDD + ID.RD + VDS = 0 VDS = VDD – ID.RD VDS = VGS 2. Voltage Divider Bias

Rth = R1 // R2 - VDD + ID.RD + VDS + ISRS= 0 Vth =

VDS = VDD – ID(RD + RS) Vth + VGS + ISRS= 0 VGS = Vth - ISRS


D)

PENGUAT FET Untuk menggunakan transistor MOSFET sebagai penguat, maka transistor harus berada

dalam daerah saturasinya. Hal ini dapat dicapai dengan memberikan arus ID dan tegangan VDS tertentu. Cara yang biasa digunakan dalam mendesain penguat adalah dengan menggambarkan garis beban pada kurva ID vs VDS. Setelah itu ditentukan Q point‐nya yang akan menentukan ID dan VGS yang harus dihasilkan pada rangkaian. Setelah Q point dicapai, maka transistor telah dapat digunakan sebagai penguat, dalam hal ini, sinyal yang diperkuat adalah sinyal kecil (sekitar 40‐50 mVp‐p dengan frekuensi 1‐10 kHz). Terdapat 3 konfigurasi penguat pada transistor MOSFET, yaitu 1. Common Source 2. Common Gate 3. Common Drain Ketiganya memiliki karakteristik yang berbeda‐beda dari faktor penguatan, resistansi input, dan resistansi output. Tabel berikut ini merangkum karakteristik dari ketiga konfigurasi tersebut.


E.

PROSEDUR PRAKTIKUM

1.

PRATEGANGAN PADA MOSFET

Langkah Kerja : 1. Buatlah rangkaian seperti diatas ini pada project board dengan RG = 100KΩ dan RD = 2K2Ω. 2. Berikan catuan VGS pada rangkaian tersebut sebesar 0 Volt. 3. Berikan catuan VDD pada rangkaian tersebut mulai dari 0 Volt hingga 10 Volt dan kemudian catat nilai VGS dan ID-nya. 4. Ulangi lagi poin C untuk VGS sebesar 1 Volt, 2 Volt, 2,5 Volt, 3 Volt, 3,5 Volt, 4 Volt, 4,5 Volt, dan 5 Volt. 5. Catat hasilnya pada tabel. 6. Buatlah kurva hubungan antara VDS dan ID.

2.

PENGUAT COMMON SOURCE 

Faktor Penguat

1. Buatlah rangkaian seperti pada gambar diatas. 2. Aturlah VDD sebesar 15 Volt.


3. Atur function generator dengan keluaran berupa sinyal sinusoidal dengan amplitudo sebesar 200mVpp dan frekuensi 50 KHz. 4. Gunakan osiloskop untuk melihat sinyal pada Gate dan Drain transistor. 5. Tentukan penguatannya (AV = Vo /Vi). 6. Naikkan amplitudo generator sinyal dan perhatikan sinyal output ketika sinyal mulai terdistorsi. Catatlah tegangan input ini. 7. Bandingkan nilai penguatan yang diperoleh dari percobaan ini dengan nilai dari hasil perhitungan dengan menggunakan tabel karakteristik penguat MOSFET. 

Resistansi Input

1. Hubungkan rangkaian diatas dengan sebuah resistor variabel pada inputannya seperti pada gambar dibawah ini.

2. Hubungkan osiloskop pada Gate transistor. 3. Aturlah resistor variabel tersebut sampai amplitudo sinyal input menjadi ½ dari sinyal input tanpa resistor variabel. 4. Catatlah nilai Rvar yang menyebabkan hal tersebut terjadi. Jadi, Rin = Rvar. 5. Bandingkan nilai resistansi input yang diperoleh dari percobaan ini dengan nilai dari hasil perhitungan dengan menggunakan table karakteristik penguat FET. 

Resistansi Output

1. Hubungkan rangkaian diatas dengan sebuah resistor variabel pada outputnya seperti pada gambar dibawah ini.


2. Hubungkan osiloskop pada kapasitor Drain transistor. 3. Aturlah resistor variabel tersebut sampai amplitudo sinyal output menjadi ½ dari sinyal output tanpa resistor variabel. 4. Catatlah nilai Rvar yang menyebabkan hal tersebut terjadi. Jadi, Rout = Rvar. 5. Bandingkan nilai resistansi output yang diperoleh dari percobaan ini dengan nilai dari hasil perhitungan dengan menggunakan table karakteristik penguat FET.

3.

COMMON DRAIN

Lakukan percobaan Faktor Penguatan, Resistansi Input, dan Resistansi Output seperti pada Common Source, namun dengan konfigurasi rangkaian dibawah ini(RS = 2K2Ω).

4.

MOSFET SEBAGAI SAKLAR 1. Buatlah rangkaian seperti gambar di bawah ini. 2. Atur nilai catuan untuk VGS sebesar 5 Volt.


3. Atur nilai VDD sebesar 10 Volt. 4. Rangkailah VDD dengan kaki Source dan RD. 5. Sambungkan catuan VGS dengan RG, apakah yang terjadi dengan LED tersebut. 6. Putuskanlah catuan VGS dengan RG, apakah yang terjadi dengan LED tersebut.


MODUL III OPERATIONAL AMPLIFIER

A.

PENDAHULUAN Penguat porasional atau Op-Amp (dari kata operational amplifier) adalah penguat

diferensial dengan dua masukan dan sati keluaran yang mempunyai penguatan tegangan yag amat tinggi, yaitu sampai orde

. Dengan penguat yang sangat tinggi ini, penguat

oprasional dengan rangkaian balikan lebih banyak digunakan daripada dalam lingkar terbuka.

B.

TUJUAN PRAKTIKUM

1.

Memahami karakteristik dasar penguat Op-Amp

2.

Memahami mode operasi dasar Op-amp

3.

Mengetahui berbagai macam aplikasi Op-Amp

C.

ALAT DAN KOMPONEN

1.

Osiloskop

2.

Fucntion generator

3.

Sumber teganan DC ( 2 buah )

4.

Multimeter

5.

Kaber jumper

6.

Komponen

D.



IC Op-amp ( IC 741 )



Resistor



Kapasitor

DASAR TEORI Op-Amp pada hakekatnya merupakan sejenis IC. Penguat operasional ( Op-Amp )

adalah suatu rangkaian terintegrasi yang berisi beberapa tingkat dan konfigurasi penguat diferensial. Op-Amp pada dasarnya adalah penguat bertingkat 4 kaki, tetap kaki (-)nya selalu terhubung ke ground, sehingga lebih sering dilihat hanya mempunyai 3 kaki.


Penguat operasional memiliki dua masukan dan satu keluaran serta memiliki penguat DC yang tinggi. Salah satu masukkan disebut pembalik (inverting) diberi tanda (-), dan satu lagi adalah masukkan bukan pembalik(non-inverting) diberi tanda (+). Untuk dapat bekerja dengan baik, penguat operasional memerlukan tegangan catu yang simetris yaitu tegangan yang berharga positif (+V) dan tegangan yang berharga negatif (-V) terhadap tanah (ground).

Rangkaian ekivalensi Op-Amp ideal :

Gambar Karakteristik Op-Amp

Konfigurasi pin Op-Amp 741 :

A)

KARAKTERISTIK PENGUAT OPERASIONAL IDEAL

1.

Penguatan tegangan loop terbuka (open-loop voltage gain) sangat tinggi Penguatan tengangan loop terbuka adalah penguatan diferensial Op-Amp pada kondisi

tidak terdapat umpan balik (feedback) yang diterapkan

= Vo / Vid = -


=

⁄

=-

keluaran Tanda negatif menandakan bahwa tegangan keluaran Vo berbeda fasa dengan tegangan masukkan Vid.

Dalam penerapannya, tegangan keluaran Vo tidak lebih dari

tegangan catu yang diberikan Op-Amp. Karena itu Op-Amp baik digunakan untuk penguat sinyal yang amplitudonya sangat kecil.

2.

Tegangan ofset keluaran (output offset voltage) sangat rendah;

=0

Tegangan ofset keluaran adalah harga tegangan keluaran Op-Amp terhadap ground pada kondisi

= 0. Op-Amp yang dapat memenuhi harga

dengan CMR (Common Mode Rejection ) ideal.

= 0 V disebut Op-Amp

Dalam kondisi praktis, akibat adanya

ketidakseimbangan dan ketidakidentikkan dalam penguat diferensial, maka

biasanya

berharga sedikit di atas 0 V. Apalagi bila tidak digunakan umpa baik, maka harga

kan

menjadi cukup besar untuk menimbulkan saturasi pada keluaran. Untuk mengatasi hal ini, maka perlu diterapkan tegangan koreksi pada Op-Amp agar saat

3.

Hambatan masukkan ( input resistance ) sangat besar; Hambatan masukkan (

= 0,

juga = 0.

=

) dari Op-Amp adalah besar hambatan di antara kedua

masukkan Op-Amp. Dalam kondisi praktis, harga hambatan masukkan Op-Amp adalah 5 k – 20k ohm, tergantung tipenya. Harga ini biasanya diukur pada kondisi tanpa umpan balik. Apabila umpan balik negatif diterapkan pada Op-Amp, maka Ri akan meningkat. Semakin besar

, semakin baik penguat tersebut dalam menguatkan sinyal yang amplitudonya

sangat kecil. Dengan

yang besar, maka sumber sinyal masukkan tidak terbebani terlalu

besar.

Gambar Hambatan Masukan


4.

Hambatan keluaran ( output resistance ) sangat kecil;

=0

Hambatan keluaran dari Op-Amp adalah besarnya hambatan dalam yang timbul pada saat Op-Amp bekerja sebagai pembangkit sinyal. Apabila hal ini tercapai, maka seluruh tegangan keluaran akan timbul pada beban keluaran (

). Dalam kondisi praktis, harga

adalah antara beberapa ohm hingga ratusan ohm pada kondisi tanpa umpan balik. Dengan diterapkannya umpan balik, maka harga

akan menurun hingga mendekati kondisi ideal.

Gambar Hambatan Keluaran

5.

Lebar pita ( band width ) sangat besar; BW = Lebar pita dari Op-Amp adalah frekuensi tertentu dimana tegagan keluaran tidak jatuh

lebih dari 0,707 dari harga tegangan maksimum pada saat amplitudo tegangan masukkan konstan.

6.

Waktu tanggapan ( respon time ) = 0 detik Waktu tanggapan dari Op-Amp adalah waktu yang diperlukan oleh keluaran untuk

berubah setelah masukkan berubah. Keluaran harus berubah langsung pada saat masukkan berubah. Dalm prakteknya, waktu tanggapan memang cepat tetapi tidak langsung berubah sesuai masukkan, umumnya adalah beberapa mikro detik, disebut juga slew rate. Tetapi pada penerapan biasa, hal ini dapat diabaikan.

7.

Karakteristik tidak berubah terhadap suhu Suatu bahan semikonduktor akan berubah karakteristiknya bila terjadi perubahan suhu

yang cukup besar. Dalam prakteknya, karakterinstik sebuah Op-Amp pada umumnya sedikit berubah, walaupun pada penerapan biasa, perubahan tersebut dapat diabaikan. Kondisi ideal tersebut hanya merupakan kondisi teoritis tidak mungkin dapat dicapai dalam kondisi praktis.

Sebuah Op-Amp yang baik harus memiliki karakteristik yang

mendekati kondisi ideal.


B)

MODE OPERASI OP-AMP

1.

Inverting amplifier

Gambar Konfigurasi Inverting

Penguat pembalik merupakan rangkaian penguat operasional yang paling besar, menggunakan umpan balik negatif untuk mendapatkan tegangan loop tertutup. Input berupa ground virtual sebab merupakan hubungan singkat bagi tegangan tetapi hbungan buka bagi arus.

( )

(

)

(

2)

)

Non-inverting Amplifier


Gambar Konfigurasi Non-invrting

( ( )

(

) (

))

Jika sinyal diinputkan terminal non-inverting input dan ground, sementara terminal inverting input di ground kan, maka sinyal output sefasa dengan sinyal input.

C)

APLIKASI OP-AMP

1)

Adder Adder sering digunakan untuk menjumlah atau mencampur beberapa isyarat suara tanpa

saling mengganggu. Alat semacam ini dikenal sebagai pencampur audio, yang digunakan untuk mencampur isyarat musik dari berbagai instrument dan suara penyanyi melalui mikrofon.

Penguat jumlah juga digunakan untuk menjumlah beberapa isyarat secara

matematik dan digunakan pada komputer analog.

(

(

)

)


Gambar Konfigurasi Adder

2)

Diferensiator Kalau komponen C pada rangkaian penguat inverting ditempatkan didepan, maka akan

diperoleh rangkaian diferensiator seperti pada gambar. Dengan analisa yang sama seperti rangkaian integrator, akan diperoleh persamaan penguatnya:

Rumus ini secara matematis menunjukan bahwa tegangan keluaran Vout pada rangkaian ini adalah diferensias dari tegangan input Vin. Contoh praktis dari hubungan matematis ini adalah jika tegangan input berupa sinyal segitiga, maka outputnya akan menghasilkan sinyal kotak.

Bentuk rangkaian diferensiator adalah mirip dengan rangkaian inverting. Sehingga jika berangkat dari rumus penguat inverting: G= -

Dan pada rangkaian differensiator diketahui:

Maka jika besaran ini disubtitusikan akan didapat rumus penguat differensiator:


Dari hubungan ini terlihat sistem akan meloloskan frekuensi tinggi (high pass filter), dimana besar penguatan berbanding lurus dengan frekuensi. Namun demikian, sistem seerti ini akan menguatkan noise yang umumnya berfrekuensi tinggi. Untuk praktisnya, rangkaian ini dibuat dengan penguat DC sebesar 1 (unity gain). Biasanya kapasitor diseri dengan sebuah resistor yang nilainya sama dengan R. Dengan cara ini akan diperoleh penguat 1 (unity gain) pada nilai frekuensi cut-off tertentu.

3)

Integrator Op-amp bisa juga digunakan untuk membuat rangkaian untuk membuat rangkaian-

rangkaian dengan respons frekuansi, misalnya rangkaian penapis (filter).

Salah satu

contohnya adalaha rangkaian integrator seperti yang ditunjukan pada gambar. Rangkaian dasar sebuah inegrator adalah rangkaian Op-Amp inverting, hanya saja rangkaian feedbacknya bukan resistor melainkan menggunakan kapasitor C. Prinsip nya sama dengan menganalisa rangkaian Op-Amp inverting.

Dengan

menggunakan 2 aturan Op-Amp (golden rule) maka pada titik inverting akan didapatkan hubungan matematis: ⁄ =-

=

, dimana v_ = 0 (aturan 1) ⁄

==

=-

; v_ = 0

; (aturan 2)

Maka jika disubtisusik,akan diperoleh persamaan: =-

⁄

, atau dengan kata lain: ∫


Dari sinilah nama rangkaian ini diambil, karena secara matematis tegangan ini merupakan fungsi integral dari teganga input. Aplikasi yang paling populer menggunakan rangkaian integrator adalah rangkaian pembangkit sinyal segitiga dari inputnya yang berupa sinyal kotak. Penguatan integrator dapat ditulis dengan:

Karena respons frekuensinya yang demikian, rangkaian integrator ini merupakan dasar dari low pas filter dari rumus tersebut secara matematis, penguatan akan semakin kecil (meredam) jika frekuensi sinyal input makin besar.

E.

LANGKAH PRAKTIKUM KARAKTERISTIK OP-AMP IDEAL A) Penguatan loop terbuka sangat tinggi 1. Buatlah rangkaian pengukuran seperti gambar-1 2. Berikan tegangan input (Vin) seperti pada tabel-1. (Input yang digunakan DC) 3. Ukur tegangan (Vout) dan catat hasilnya pada tabel tersebut B) Impedansi input sangat besar 1. Buatlah rangkaian pengukuran seperti gambar-2 2. Berikan tegangan input (Vin) seperti pada tabel-2 3. Ukur arus input (Iin) dan catat hasilnya pada tabel tersebut C) Impedansi output sangat kecil 1. Buatlah rangkaian pengukuran seperti gambar-3 2. Berikan tegangan input (Vin) untuk rangkaian tanpa beban (Rx) 3. Ukur tegangan output (Vout) tanpa beban 4. Ubah-ubahlah nilai potensio sehingga sama dengan nilai Rx 5.Ubah nilai potensio sampai Vm bernilai ½ dari Vout MODE OPERASI OP-MP D) Inverting Closed loop gain 1. Buatlah rangkaian pengukuran seperti gambar-4


2. Berikan tegangan input (Vin) dan lakukan perubahan nilai R1 seperti pada tabel-4 dan amatilah amplitudo sinyal output (input yang digunakan AC) 3. Ukur tegangan output (Vout) dan catat hasilnya pada tabel tersebut 4. Amati sinyal outputnya, kemudian bandingkan dengan sinyal input E) Non-inverting closed loop gain 1. Buatlah rangkaian pengukuran seperti gambar-5 2. Berikan tegangan input (Vin) dan lakukan perubahan nilai R1 seperti pada tabel-5 dan amatilah amplitudo sinyal output 3. Ukur tegangan output (Vout) dan cata hasilnya pada tabel tersebut 4. Amati sinyal outputnya, kemudian badingkan dengan sinyal input F) Diferensiator 1. Buatlah rangkaian pengukuran seperti gambar-8 2. Berikan tegangan input (Vin) dengan frekuensi (fin) sesuai kombinasi pada tabel-6 3. Amati perubahan amplitudo, bentuk dan pergeseran fasa sinyal output jika sinyal input sinusiodal dan sinyal input persegi 4.Gambar bentuk sinyal pada grafik yang telah disediakan G) Integrator 1.Buatlah rangkaian pengukuran seperti gambar-9 2. Berikan tegangan input (Vin) dengan frekuensi (fin) sesuai kombinasi pada tabel-7 3. Amati perubahan amplitudo, bentuk dan pergeseran fasa sinyal output jika sinyal input sinusiodal dan sinyal input persegi 4.Gambar bentuk sinyal pada grafik yang telah disediakan


MODUL V PENGUAT INSTRUMENTASI

I.

PENDAHULUAN

Penguat instrumentasi adalah suatu penguat loop tertutup (closed loop) dengan masukan diferensial, dan penguatannya dapat diatur tanpa mempengaruhi nisbah penolakan modus bersama (Common Mode Rejection Ratio - CMRR). Fungsi utama penguat instrumentasi adalah untuk memperkuat tegangan yang tepat berasal dari suatu sensor atau tranducer secara akurat.

II. TUJUAN PRAKTIKUM - Mengetahui tentang rangkaian penguat instrumentasi - Memahami bagian – bagian rangkaian penguat instrumentasi - Menganalisa penurunan rumus rangkaian instrumentasi

III. ALAT DAN KOMPONEN 1. 1 set osiloskop dan probe 2. Multimeter 3. 2 Set function generator 4. Kabel jumper secukupnya 5. 2 Set power suplly Variabel DC (+ -) 6. Potensiometer (10KΩ) 4 buah 7. IC Op-Amp (LM741)

IV. TEORI DASAR Penguat instrumentasi adalah suatu penguat loop tertutup (closed loop) dengan masukan diferensial, dan penguatannya dapat diatur tanpa mempengaruhi nisbah penolakan modus bersama (Common Mode Rejection Ratio - CMRR). Fungsi utama penguat instrumentasi adalah untuk memperkuat tegangan yang tepat berasal dari suatu sensor atau tranducer secara akurat.Rangkaian ekuivalen penguat instrumentasi adalah sebagai berikut.


Gambar VI.1: rangkaian ekuivalen suatu penguat instrumentasi

Keterangan : Besaran Ricm adalah hambatan atau impedansi masukan difeensial. e0,0 adalah tegangan keluaran tanpa beban (terbuka) dan R0 adalah hambatan atau impedansi keluaran. Karena penguat instrumentasi adalah penguat loop terbuka. Maka tak perlu dipasang rangkaian umpanbalik untuk menggunakannya seperti halnya penguat operasional (op-amp).Penguat instrumentasi yang bermutu tinggi dibuat dalam bentuk hybrid yaitu campuran IC dan komponen diskrit.Satu contoh penguat instrumentasi adalah penguat Burr-Brown 3620.Spesifikasi penguat ini adalah sebagai berikut: Drift rendah : ± 25 µv/oc Bising rendah : 1 µVpp CMRR tinggi : 100 dB Impedansi masukan tinggi : 300 MΩ (diferensial) dan 1GΩ CM (common mode) Kisaran penguatan : 1 hingga 10.000

Penguat instrumentasi dapat dibuat dengan menggunakan op-amp. Mutu penguat ini bergantung pada mutu op-amp yang digunakan yang menyangkut offset masukan, impedansi masukan, drift pada tegangan keluaran, CMRR, PSRR dan sebagainya. Disamping itu CMRR dan ketepatan penguatan op-amp amat bergantung kepada presisi dari komponen pasif yang digunakan.Marilah kita bahas 2 rangkaian penguat instrumentasi menggunakan op-amp. Rangkaian yang lazim digunakan orang untuk membuat penguat instrumentasi dengan opamp adalah sepertigambar IV.2.


Gambar VI.2 suatu penguat instrumentasi

Kita dapat bagi rangkaian di atas menjadi dua bagian yaitu bagian 1 terdiri dari OA1 dan OA2, dan bagian 2 terdiri dari OA3. Marilah kita bahas bagian II lebih bagian kitalu kiskan lagi pada gambar berikut.

Gambar VI.3 rangkaian penguat diferensial menggunakan op-amp

Oleh karena hambatan masukan diferensial dari op-amp amat tinggi maka dapat dianggap I1 = 14 = 0 sehingga: Ia = Ia‟ danIb = Ib‟ Dengan menggunakan hukum Kirchoff kita peroleh : ea – Vo = (R2 + R6) Ia Laboratorium Sistem Elektronika | Modul Praktikum Elektronika 62

eb– 0 = (R5 + R7) Ib selanjutnya kita gunakan suatu sifat op-amp yang lain yaitu bahwa masukan inverting dan non inverting ada dalam keadaan hubung singkat virtual oleh sebab ini: Vo = -IaR6+ I6 R7 Dari ketiga persamaan ini kita peroleh :

eb – (ea - Vo)

Vo= -IaR6 + I6 R7Vo = Vo = (1+

eb –

)(

ea )

Agar tegangan Vo sebanding dengan selisih tegangan isyarat masukan maka harus dibuat agar :

=

atau

=

Sebaiknya digunakan R5=R2 dan R7=R6 maka:

Vo = (1+ Vo=Jadi, Av,dif =

)(

eb-ea)

(ea-eb)

=-

Penguatan common mode dapat kita peroleh bila kita gunakan eb = ea = eCM ………………………………………………………………..(1)

Gambar VI.4 Rangkaian penguat diferensial dengan menggunakan common mode.


Persamaan menjadi

Vo = (1+

–

)(

)eCM ………………………………………………(2)

Seperti telah digunakan di atas jika digunakan R7=R6 dan R5=R2 kita peroleh penguat diferensial akan tetapi dalam prakteknya tidak mungkin membuat dua hambatan tepatsama. Resistor yang dijual ditoko mempunyai toleransi minimum 1%.

–

Misalkan

)∆eCM

Maka Vo = (1+

Av,CM=

= ∆<< 1

=(1 +

)∆

Dari persamaan di atas kita peroleh common mode Rejection ratio. CMRR= CMRR= (

=

(

)

)

Tampak bila ∆ = 1% = 0.01 dan R2 = R6 maka CMRR = 60 = 30 dB Jadi agar diperoleh CMRR yang tinggi diperlukan komponen dengan presisi yang tinggi pula. Marilah kita kembali kepada gambar VI.2 dan kita lukiskan bagian I

Gambar VI.5 bagian I rangkaian pada gambar VI.2

Oleh karena masukan inverting dan non inverting pada op-amp ada pada keadaan hubung singkat virtual, maka tegangan pada titik A = ea dan pada titik B = eb, disamping itu karena hambatan masukan diferensial pada op-amp mempunyai harga sangat besar maka arus I1 = I2 = 0 akibatnya:

VPQ = VP – VQ = I (R1 + R3 + R4) Laboratorium Sistem Elektronika | Modul Praktikum Elektronika 64

Akan tetapi VA – Vb = ea – eb = IR3 Sehingga I = Sehingga V = (1 +

)(ea– eb)

Persamaan eb = ea = eCM maka VPQ = 0 sehingga Av,CM= 0, yang berarti bahwa pada rangkaian gambar IV.2 penurunan CMRR disebabkan oleh bagian II saja. Ini berarti bahwa dipandang dari segi CMRR hanya R2, R6, R5dan R7 yang harus mempunyai nilai yang presisi. Penguatan dari seluruh rangkaian gambar IV.2 dapat diperoleh dengan menggabungkan persamaan 1 dan 2 yaiu :

Av,dif= (1 +

)( )

Suatu contoh rangkaian instrumentasi ditunjukan pada gambar IV.6 yang digunakan adalah tipe CA 3140 yaitu CMOS-input op-amp dengan Zin(CM)=1012, CMRR=90dB, unity gain bandwith 7,5 MHz dan PSRR = 90dB. IC CA 3240 adalah dua CA 3140 yaitu dalam satu IC ada dua op-amp seperi CA 3140.

Gambar VI.6 penguat diferensial presisi

Spesifikasi penguat diatas adalah respon frekuensi (-3 dB) dc hingga 1 Mhz; slew rate = 1,5 V/us, CMRR = 86 dB.Penguatan = 35-60 dB. Laboratorium Sistem Elektronika | Modul Praktikum Elektronika 65

Suatu rangkaian penguat instrumentasi lain ditunjukkan padagambar VI.7

Gambar IV.7 suatu rangkaian penguat instrumentasi

Rangkaian diatas digunakan penguat instrumentasi buatan Burr Brown yaitu BB 3627, suatu penguat insrumentasi dengan drift amat rendah. Keuntungan dibandingkan dengan rangkaian pertama adalah hanya diperlukan dua op-amp dan empat buat resistor. R5 tak perlu dipasang bila diinginkan penguatan tegangan sama besar. (1+

)

Kita gunakan dua sifat op-amp yaitu bahwa masukan invering dan non inverting ada dalam keadaan hubung singkat virtual, dan bahwa hambatan diferensial antara kedua masukan ini amat besar.Sehingga arus yang masuk dapat diabaikan. Dari gambar IV.7 kita peroleh

Io = I1+I2 Io =(Eo- Ea)/ R4 I1= (Ea - Eb)(1+ ) / R3 I2 =(Ea– Eb)/ R5 Dari hubungan – hubungan di atas kita dapatkan :

Eo= Ea (1+ +

) – Eb (

+

+

)

Bila dibuat agar R2R4 = R1R3 yaitu dengan memilih R2 = R3dan R4 = R5 maka

Eo= (1+ +

) (Ea-Eb) Laboratorium Sistem Elektronika | Modul Praktikum Elektronika 66

Io = I1+I2 I2 =(Ea– Eb)/ R5 I3 = – I2 Ec – Ea = R2(

-

Ec = Ea +

+

= Ea (1 + I1 =

) -

+

=

)) – Ea (1+

(Eb (1 +

+

))

Io = I1+I2 =

) – Ea (1+

(Eb (1 +

+

)) +

Vo – Eb = R4Io =

= Eb + = Eb (1+ (1+

) – Ea (1+

[Eb (1 +

) – Ea

Eb (1 + +

+

R4 = R1

)] +

(1+

+

) – Ea (1+

+ +

+

+

(Eb - Ea) )+

+

(Eb - Ea) +

+

+

)

)=1

R2 = R3

= (Eb - Ea)(1+

+

- )

= (Eb - Ea)(1+

+

-2 )

= (Eb - Ea)(100 + 2 Atau Av,dif = (1+ dituliskan

+

) +

) bila R2 R4 tidak tepat sama dengan R1R3, sehingga dapat

=1+∆

Dengan ∆ << 1 maka untuk isyara Ea = Eb = ECM

Eo = ( ) ECM Kita peroleh Common Mode Rejection yaitu :


∆

CMMR =

Tampak bahwa R5 tidak mempengaruhi AV,CM sehingga dapat digunakan untuk mengatur penguatan tanpa mengubah CMRR.

V.

PROSEDUR PRAKTIKUM

A. Rangkaian penguat differensial menggunakan op-amp

1. Rangkaliah sebuah rangkaian sesuai dengan gambar VI.3 2. Berikan ea = 200 mVpp, eb =200 mVpp dan frekuensi 10Khz. Ubah nilai potensiometer pada R2, R5, R6, dan R7 sesuai dengan di jurnal 3. Berikan VCC = 10 V, VDD = -10 V 4. Isi data-data yang diperlukan di jurnal 5. Gambarkan bentuk sinyal input dan sinyal output pada jurnal 6. Tentukan nilai penguatannya

B. Rangkaian penguat differensial menggunakan common mode

1. Rangkaliah sebuah rangkaian sesuai dengan gambar VI.4 2. Berikan eCM = 200mVpp, dan frekuensi 10Khz 3. Berikan VCC = 10 V, VDD = -10 V 4. Ubah nilai potensiometer pada R2, R5, R6, dan R7 sesuai dengan di jurnal 5. Isi data-data yang diperlukan di jurnal 6. Gambarkan bentuk sinyal input dan sinyal output pada jurnal 7. Tentukan nilai penguatannya CMMR-nya

C. Rangkaian Penguat Instrumentasi

1. Rangkailah sebuah rangkaian sesuai dengan gambar VI.5 2. Berikan eb= 200mVpp , eb= 200mVpp, dan frekuensi 10Khz Laboratorium Sistem Elektronika | Modul Praktikum Elektronika 68

3. Tentukan nilai R2, R5, R6, dan R7 sesuai dengan di jurnal 4. Isi data-data yang diperlukan di jurnal 5. Gambarkan bentuk sinyal input dan sinyal output pada jurnal 6. Tentukan nilai penguatan instrumentasinya


MODUL I DIODA. - Kapasitor 10 µf, 47µF, 100µF. - IC Trafo 250 ma, CT ± 12 Volt AC

Recommend Documents