Praktikum Rangkaian Listrik & Bahan Semikonduktor Rudi Susanto
1
Praktikum Electronics Workbench (EWB) • Electronics Workbench (EWB) adalah sebuah software yang menyediakan berbagai komponen dan instrumen untuk membuat rangkaian listrik pada PC. Hal ini memungkinkan untuk merancang dan menganalisis rangkaian tanpa menggunakan breadboards, komponen nyata atau instrumen yang sebenarnya.
2
Interface
3
Percobaan 1 • Membuat rangkaian sederhana dengan menggunakan komponen Resistor
4
Percobaan 2 • Membuat rangkaian Resistor secara Seri (seperti gambar dibawah) dan Pararel
• Membandingkan hasil pengukuran pada software EWB dengan perhitungan secara manual
5
Praktikum Analisis Rangkaian
6
Praktikum 1 • Tentukan nilai arus i pada rangkaian dibawah ini pada dengan software EWB!
Praktikum 2 Tentukan nilai arus i pada rangkaian dibawah ini pada dengan software EWB!
Bahan Semikonduktor Rudi Susanto
9
Teori Atom Proton (Q+) Inti Atom mengitari atom Neutron (Q=nol)
Atom Elektron (Q -)
Qe=Qp =1,6.10-19 C 10
Model atom menurut BOHR • Elektron mengelilingi inti atom pada orbitnya masing – masing • Kulit terluar Atom disebut : kulit valensi, dapat berisi hingga 8 elektron (8e) • Konduktivitas atom tergantung pada jumlah electron pada kulit valensi: a.
Jika atom punya 1 elektron valensi (1 eV)……mendekati konduktor sempurna b. Jika atom punya 8 elektron valensi (8 eV)…….kulit valensi lengkap dan atomnya isolator Jadi konduktivitas turun dengan bertambahnya eV ( elektron valensi ). 11
Tiga Jenis Bahan Konduktor Isolator Semikonduktor : 1. Germanium 2. Silikon
12
Struktur Atom Germanium Inti atom dengan 32 proton
-
Orbit pertama : 2 elektron Orbit kedua Orbit ketiga
-
: 8 elektron
-
-
-
-
: 18 elektron
Orbit terluar : 4 elektron
-
-
-
-
-
-
-
+32
-
-
-
-
-
Elektron bebas
-
-
-
Elektron valensi
-
-
-
-
Valensi 4 Semikonduktor -
13 13
-
Struktur Atom Silikon Inti atom dengan 14 proton
-
Orbit pertama : 2 elektron Orbit kedua
: 8 elektron
-
-
Orbit terluar : 4 elektron -
Elektron Valensi
-
-
+14
-
-
-
-
-
Elektron bebas Valensi 4 Semikonduktor
-
14 14
• Semikonduktor : suatu atom yang berisi 4 elektron valensi (4 eV). Jumlah elektron valensi di dalam semikonduktor antara konduktor dan isolator, maka atom semikonduktor bukan konduktor yang baik dan bukan isolator yang baik. •Bahan–bahan semikonduktor : Carbon (C) dengan 6 proton (24), Silikon (Si) dengan 14 proton (2-8-4), dan Germanium (Ge) dengan 32 proton (2-8-18-4) •Silikon (Si) dan germanium (Ge) untuk membuat komponen zat padat •Carbon (C) untuk membuat resistor dan potensiometer 6 p (2-4)
14 p (2-8-4)
K
K L
L M
15
Material Semikonduktor • Bahan yang digunakan dalam pembuatan divais semikonduktor. – Silikon (Si) – Germanium (Ge)
16
Enegy level
17
Doping • Karakteristik dari Silikon dan Germanium diperbaiki dengan menambahkan material lainnya melalui proses yang dinamakan doping. • Terdapat dua tipe material tambahan, yaitu: – n-type – p-type
18
Efek Doping
19
Perbandingan n-type dan p-type • Material n-type membuat atom Silikon (atau Germanium) menjadi lebih bermuatan negatif. • Sebaliknya, material p-type membuatnya lebih bermuatan positif. • Menggabungkan n-type dan p-type akan menghasilkan p-n junction.
20
pn Junction • Dioda tanpa Bias (The Unbiased dioda)
– Sisi p mempunyai banyak hole dan sisi n banyak elektron pita konduksi. – Tidak ada tegangan luar disebut dioda tanpa bias. 21
Devais Semikonduktor 1. Dioda 2. Transistor 3. Integrated Circuit
22
Dioda
23
Pengantar tentang Dioda • Resistor merupakan sebuah piranti linier karena arus berbanding terhadap tegangan. Dalam bentuk grafik, grafik arus terhadap tegangan merupakan garis lurus. • Dioda merupakan piranti non-linier karena grafik arus terhadap tegangan bukan berupa garis lurus. • Saat tegangan dioda lebih kecil dari tegangan penghalang (potential barier) maka arus di dalam dioda kecil. Tetapi ketika tegangan dioda melebihi tegangan penghalang maka arus dioda akan naik dengan cepat. 24
Dioda
Devais semikonduktor yang paling sederhana Dioda adalah devais semikonduktor yang memiliki dua termina 25
Operasi Dasar Dioda Dioda menghantarkan arus searah dengan arah yang sama dengan simbol
Namun jika arahnya berlawanan, maka dioda akan berperilaku seperti open circuit 26
Karakteristik dioda ideal – Area konduksi
Lihat garis vertikal! • Pada area konduksi, idealnya: – – – –
Tegangan pada dioda adalah 0 V. Arus yang melalui dioda adalah disesuaikan dengan rangkaian. Tahanan maju (RF) didefinisikan sebagai RF = VF/IF. Dioda berperilaku seperti short circuit. 27
Karakteristik dioda ideal – Area non-konduksi
Lihat garis horizontal! • Pada area non-konduksi, idealnya: – – – –
Semua tegangan dapat melalui dioda. Arus yang melalui dioda adalah 0A. Tahanan mundur (RR) didefinisikan sebagai RR = VR/IR. Dioda berperilaku seperti open circuit. 28
Karakteristik dioda
29
Jenis Dioda
30
Model Dioda • Model adalah representasi dari suatu komponen atau rangkaian yang memiliki satu atau lebih Sifat atau karakteristik. • Tiga model dioda : 1. Model Dioda Ideal 2. Model dioda Praktek 3. Model dioda Lengkap
31
1. MODEL dioda IDEAL • Model dioda ideal menggambarkan dioda sebagai saklar sederhana yang dapat tertutup ( Conducting ) ketika dibias forward maupun terbuka ( nonconducting ) ketika dibias reverse. Model ini hanya digunakan untuk menentukan tahap awal troubleshooting (proses mencari kesalahan dalam perangkat elektronik). Kondisi OPEN
Karakteristik *Infinite Resistansi Sehingga Arus nol *Tegangan penuh pada kaki dioda
CLOSED
*Resistansi nol Shg Arus Max
*Tegangan nol pada kaki dioda 32
CONT. • Berdasarkan karakteristik sebuah saklar, maka dapat diperoleh : 1. Ketika dibias reverse ( Open Switch ) – dioda memilki resistansi tak terbatas ( maksimum ) – dioda tidak dialiri arus – Sumber Tegangan akan jatuh semua pada terminal dioda
2.Ketika dibias forward ( Closed Switch ) – dioda memilki resistansi nol ( minimum ) – dioda dialiri arus – Tidak ada Sumber Tegangan jatuh pada terminal dioda
33
2. MODEL DIODA PRAKTEK • Dalam model dioda ideal banyak karakteristrikkarakteristik dioda yang diabaikan. Contohnya : Tegangan maju. Tegangan maju biasanya diperhatikan dalam analisis matematika dari rangkaian dioda. Pada aplikasi rangkaian yang digunakan diasumsikan dioda yang dipergunakan dioda silikon kalau ingin mengganti dengan dioda germaniun maka tegangan maju tinggal diubah dari 0.7V menjadi 0.3V
34
3. MODEL dioda LENGKAP • Merupakan model yang paling akurat. • Menggambarkan karakteristik-karakteristik operasional dioda. • 2 faktor yang menyebabkan model ini menjadi semakin akurat adalah Resistansi Bulk.
35
Kurva Karakteristik Untuk masing-masing Model dioda IF
IF
IF
RB= ΔV / ΔI
VR
VF
IR
Model dioda IDEAL
VR
VK=0.7V
IR
Model dioda PRAKTEK
VF
VR
VK=0.7V
VF
IR
Model dioda LENGKAP
36
37
Membaca Datasheet
38
39
40
41
Membaca Datasheet Dioda 1N4001 • Seperti terlihat dalam Gambar, beberapa informasi berguna tentang dioda: Tegangan patah sebesar: 50V (Maximum repetitive peak reverse voltage). Rata-rata arus bias maju: 1A (Average rectified forward current). Tegangan maksimum pada kondisi bias maju 1A adalah 1,1V (Maximum instateneous forward voltage). Arus bias mundur maksimum: 5 A – 50 A (Maximum DC reverse currnet)
42
Menentukan Garis Beban Garis beban adalah sebuah perangkat yang dapat digunakan untuk menghitung nilai arus dan tegangan dioda dengan tepat. Perhatikan rangkaian berikut, dan kita akan menggambar garis beban dari rangkaian tersebut: Rs 100 Ohm Vs 2 V
D1
43
Persamaan Garis Beban
44
Persamaan Garis Beban
45
Persamaan Garis Beban
46
Persamaan Garis Beban ID Diode Curve
30 mA Saturation 20 mA 12,5 mA 10 mA
Q (operating point) Cutoff VD 0,75v 1V
2V 47
Titik Q Saat garis beban digabungkan dengan kurva diode, terdapat titik potong antara garis beban dan kurva dioda, yang dikenal sebagai titik Q. Q adalah singkatan dari “quiescent” yang berarti istirahat. Titik Q memerupakan penyelesaian simultan antara kurva dioda dan garis beban. Titik ini merupakan satu-satunya titik pada grafik yang berlaku untuk dioda dan rangkaian. Dengan membaca koordinat titik Q, didapatkan titik operasi (operating point) pada arus sebesar 12,5 mA dan pada tegangan dioda 0,75 V. 48
Percobaan 1 | Electronics Workbench (EWB) 1. a. b. c. d. e.
Membuktikan Grafik V-I pada dioda silikon. Langkah-langkah percobaan Buat rangkaian seperti pada gambar dibawah ini Atur tegangan pada catu daya (Vs) pada nilai 0.01 V Catat tegangan (Vd) dan arus (Id) pada dioda Naikan Vs sampai dengan mencapai nilai 10 V dengan range 0,5 Buat grafik hubungan antara tegangan (Vd) dengan arus (Id)
49
Percobaan 2| Electronics Workbench (EWB)
Dengan menggunakan langkah percobaan yang sama, lakukan pengukuran pada gambar di atas . 50
Percobaan 3| Electronics Workbench (EWB) • Komponen yang digunakan dalam rangkaian penyearah yaitu Trafo atau Function Generator sebagai V in, Multimeter, Kapasitor, Resistor dan Osiloskop. • Rangkailah gambar 1 pada EWB dengan V in adalah sumber tegangan bolak-balik (AC) dan V out disambung dengan osiloskop. • Setelah merangkai gambar 1, kemudian lihat bentuk tegangan V in dengan menggunakan osiloskop. • Lihat bentuk tegangan pada V out dengan menggunakan osiloskop dan bandingkan dengan tegangan V in.
51
Percobaan 4| Electronics Workbench (EWB) • Langkah-langkah sama pada gambar 1.
52
Tugas! • Buatlah laporan terkait Percobaan 1 dan 2, Yang berisi : data hasil percobaan, grafik hasil percobaan, analisis hasil percobaan • Lakukan percobaan 3 dan 4 dan analis hasil percobaan 3 dan 4
53
Transistor
54
Jenis Transistor 1. Transistor npn : terdiri dari sebuah semikonduktor tipe-p (tipis) yang disisipkan diantara dua semikonduktor tipe n. E
n
p
n
C
E
C
B
B
2. Transistor pnp : terdiri dari sebuah semikonduktor tipe-n (tipis) yang disisipkan diantara dua semikonduktor tipe p. E
p
n B
p
C
E
C
55
Arus pada Transistor
Alpha dc (αdc) adalah perbandingan antara arus Ic (kolektor)
dengan arus emittor (Ie). Beta dc (βdc) adalah perbandingan antara arus Ic dengan arus basis (Ib).
• Alpha DC (αdc) : Bila transistor ideal, maka Ic = Ie atau αdc = 1 • Beta DC (βdc) : + VRC + VCE -
+ VRB + VBE
-
Kurva Garis Beban Transistor
Garis yang menghubungkan sumbu Ic (Vcc/Rc) dengan sumbu VCE (Vcc)
Titik Sumbat (cut off) dan Saturasi • Titik dimana garis beban memotong kurva IB = 0 (nol) sehingga VCE (cut off) = VCC. • Titik perpotongan garis beban dengan kurva IB = IB(sat). Pada titik ini arus basis =IB(sat) dan arus kolektor adalah maksimum.
Daerah Aktif Transistor • Adalah semua titik operasi antara titik cut off dan saturasi. • Perpotongan dari arus basis dan garis beban adalah titik stasioner (Quiscent). Q
Daerah Operasi Transistor Sebuah Transistor Operasi Transistor : 1. Daerah Aktif 2. Daerah CutOff 3. Daerah Saturasi 4. Daerah Breakdown
memiliki
empat
daerah
Contoh : • Transistor 2N4401 (Si), βdc = 80. Gambarkan garis beban dan titik kerja (Q) dari rangkaian dibawah ini :
Jadi koordinat titik Q adalah IC=6mA dan VCE=21V
Gambar Grafik IC (mA) 20
6
Q
21
30
VCE
Dengan mengubah nilai RB, maka titik Q akan bergeser ke titik lain pada garis beban.
Aplikasi NPN
Mechanical Switch Circuit
12 Volt Battery
Transistor Switch Circuit
Switch open 12 Volt Light off = 0 Battery Switch close Light on = 1
Light NPN Transistor
Input = 0 Light off
Computer can send a signal to turn on the transistor whichInput = 1 64 then turns on the light Light on
Praktikum 1
Isi tabel berikut :
65
Praktikum 2 • Rangkaian transistor sebagai saklar
66
67
Integrated Circuit (IC)
Symbol dan komponen
Integrated Circuit (IC) An integrated circuit (IC) consists of multiple transistors. The number of transistors can vary from just a few (circuits shown below), to several million that are in a (Pentium microprocessor). 6 Transistors in one IC
This IC has 6 inverters An inverter contains 6 Transistors = 36 total
70
Functions • • • • • • • • • • • •
Inverters Gates Flip flops Counters Memory MPU Watch IC’s Calculators IC’s Microwave Timer IC’s Radio IC’s Dialer IC’s Car Controller IC’s 71
Rangkaian IC
72
Terima Kasih
73
