HABIBURAHMAN RULI ALIF (1610952004): CHAPTER 1.1 Introduction

Voltmeter merupakan suatu alat yang dimanfaatkan untuk mengukur tegangan listrik dalam suatu rangkaian listrik. Umumnya bentuk penyusunan pararel berdasarkan pada tempat komponen listrik hendak diukur. Dimana dalam setiap komponen ditemukan tiga buah lempengan tembaga di dalamnya. Lempengan tersebut dipasangkan diatas Bakelit yang telah dirangkai dan menyatu dalam tabung plastik atau kaca. Pada lempengan bagian luar dinamakan anode, sementara itu lempengan tengah disebut katode.

Masing-masing ukuran tabung tersebut kurang lebih 15 cm x 10 cm. Dari segi desain pun voltmeter tidak jauh berbeda terhadap desain amperemeter.Sama halnya dengan hambatan memiliki bentuk sama yakni multiplier, seri, dan galvanometer. Faktanya, kinerja yang dihasilkan dari alat tersebut lebih baik, serta senantiasa meningkat ketika sudah ditambahkan multiplier.Tujuan penambahan multiplier didalam alat dimaksudkan untuk kinerja dan kemampuannya menjadi berkali-kali lebih besar. Sementara dapat menciptakan suatu gaya magnet ketika medan magnet dan kuat arus listrik saling berinteraksi. Gaya magnet tersebut disinyalir untuk menggerakkan jarum. Dari sini kapasitas arus pada jarum berdasaarkan aliran arus listrik.

Bagian-bagian voltmeter :

Batas ukur maksimum dan minimum,
Set-up untuk mengatur fungsi,
Jarum penunjuk,
Terminal kutub positif dan kutub negatif.
Skala tinggi dan Rendah dari tegangan listrik terukur.

2. Power Suplay

Power supply merupakan perangkat keras (hardware) yang dimana fungsi power supply ini adalah sebagai pengatur daya dan pengalir listrik atau tegangan yang dibutuhkan oleh perangkat hardware.

Bahan :

1. Dioda

Dioda merupakan salah satu komponen yang dibuat dari bahan semikonduktor. Bahan untuk mempertemukan elemen P dan N akan menentukan karakteristik dioda dan sifat-sifatnya. Saat ini bahan semikonduktor pembuat dioda adalah semikonduktor silikon dan germanium.

Semikonduktor bahan silikon merupakan bahan yang paling banyak digunakan pada jenis dan tipe dioda karena silikon menawarkan beberapa kelebihan seperti kinerja yang tinggi dan biaya produksi yang lebih rendah. Biasanya tegangan jatuh dioda berbahan silikon berkisar 0,7 Volt.

Karakteristik Dioda Varactor yaitu sebagai berikut :

Dioda ini secara signifikan menghasilkan lebih sedikit noise dibandingkan dioda lainnya.
Biaya dioda ini tersedia dengan harga lebih rendah dan lebih dapat diandalkan.
Dioda ini berukuran sangat kecil dan sangat ringan.
Tidak ada gunanya ketika dioperasikan dalam bias maju.
Dalam mode bias balik, Dioda Varactor meningkatkan kapasitansi seperti yang ditunjukkan pada grafik di bawah ini.

2. Resistor

Resistor adalah komponen dasar elektronika yang selalu digunakan dalam setiap rangkaian elektronika karena bisa berfungsi sebagai pengatur atau untuk membatasi jumlah arus yang mengalir dalam suatu rangkaian. Dengan resistor, arus listrik dapat didistribusikan sesuai dengan kebutuhan. Sesuai dengan namanya resistor bersifat resistif dan umumnya terbuat dari bahan karbon. Satuan resistansi dari suatu resistor disebut Ohm atau dilambangkan dengan simbol Ω (Omega).

Resistor yang nilai resistansinya berubah bila terkena cahaya namanya LDR (Light Dependent Resistor) dan resistor yang nilai resistansinya akan bertambah besar bila terkena suhu panas yang namanya PTC (Positive Thermal Coefficient) serta resistor yang nilai resistansinya akan bertambah kecil bila terkena suhu panas yang namanya NTC (Negative Thermal Coefficient).

3. LED

Light Emitting Diode atau sering disingkat dengan LED adalah komponen elektronika yang dapat memancarkan cahaya monokromatik ketika diberikan tegangan maju. LED merupakan keluarga Dioda yang terbuat dari bahan semikonduktor. Warna-warna Cahaya yang dipancarkan oleh LED tergantung pada jenis bahan semikonduktor yang dipergunakannya. LED juga dapat memancarkan sinar inframerah yang tidak tampak oleh mata seperti yang sering kita jumpai pada Remote Control TV ataupun Remote Control perangkat elektronik lainnya.

LED terdiri dari sebuah chip semikonduktor yang di doping sehingga menciptakan junction P dan N. Yang dimaksud dengan proses doping dalam semikonduktor adalah proses untuk menambahkan ketidakmurnian (impurity) pada semikonduktor yang murni sehingga menghasilkan karakteristik kelistrikan yang diinginkan. Ketika LED dialiri tegangan maju atau bias forward yaitu dari Anoda (P) menuju ke Katoda (K), Kelebihan Elektron pada N-Type material akan berpindah ke wilayah yang kelebihan Hole (lubang) yaitu wilayah yang bermuatan positif (P-Type material). Saat Elektron berjumpa dengan Hole akan melepaskan photon dan memancarkan cahaya monokromatik (satu warna).

4. Sensor LDR

Sensor Cahaya LDR (Light Dependent Resistor) adalah salah satu jenis resistor yang dapat mengalami perubahan resistansinya apabila mengalami perubahan penerimaan cahaya. Besarnya nilai hambatan pada Sensor Cahaya LDR (Light Dependent Resistor) tergantung pada besar kecilnya cahaya yang diterima oleh LDR itu sendiri. LDR sering disebut dengan alat atau sensor yang berupa resistor yang peka terhadap cahaya. Biasanya LDR terbuat dari cadmium sulfida yaitu merupakan bahan semikonduktor yang resistansnya berupah-ubah menurut banyaknya cahaya (sinar) yang mengenainya. Resistansi LDR pada tempat yang gelap biasanya mencapai sekitar 10 MΩ, dan ditempat terang LDR mempunyai resistansi yang turun menjadi sekitar 150 Ω. Seperti halnya resistor konvensional, pemasangan LDR dalam suatu rangkaian sama persis seperti pemasangan resistor biasa.

Sensor Cahaya LDR (Light Dependent Resistor) dapat digunakan sebagai : Sensor pada rangkaian saklar cahaya Sensor pada lampu otomatis Sensor pada alarm brankas Sensor pada tracker cahaya matahari Sensor pada kontrol arah solar cell Sensor pada robot line follower Dan masih banyak lagi aplikasi rangkaian elektronika yang menggunakan LDR (Light Dependent Resistor) sebagai sensor cahaya.

5. Transistor TIP31

Spesifikasi Transistor tip31 :

Type Designator: TIP31
Material of Transistor: Si
Polarity: NPN
Maximum Collector Power Dissipation (Pc): 40 W
Maximum Collector-Base Voltage |Vcb|: 80 V
Maximum Collector-Emitter Voltage |Vce|: 40 V
Maximum Emitter-Base Voltage |Veb|: 5 V
Maximum Collector Current |Ic max|: 3 A
Max. Operating Junction Temperature (Tj): 150 °C
Transition Frequency (ft): 3 MHz
Forward Current Transfer Ratio (hFE), MIN: 20
Noise Figure, dB: -
Package: TO220

3. Dasar Teori (kembali)

a. Semikonduktor

Semikoduktor adalah suatu bahan yang banyak dipakai dalam pembuatan komponen dasar elektronika, seperti Dioda, Transistor, JFET, MOSFET sampai pada IC (Integrated Circuits). Bahan Silikon dan Germanium yang paling banyak digunakan dalam pembuatan komponen elektronika karena lebih stabil pada suhu tinggi.

-Teori Atom

Atom adalah partikel yang sangat kecil dan terdiri atas proton, elektron serta neutron.

Tahun 1911, Rutherford melakukan percobaan dan menghasilkan bahwa sebagian besar masa atom dan semua muatan positif berkumpul pada inti atom (di tengah-tengah atom).

Atom terdiri atas nukleus (proton dan neutron) dengan elektron- elektron yang bergerak di sekitas nukleus yang menyerupai sistem tata surya.

Dalam konvensi ditetapkan elektron bermuatan negatif, proton bermuatan positif dan neutron tidak bermuatan.

Tahun 1913, Niels Bohr mengemukakan bahwa Elektron- elektron dari suatu atom tersusun atas beberapa kulit atau orbit yang berada pada jarak yang berbeda dari inti atom seperti gambar 1.

Gambar 1 Orbit-orbit elektron

Masing-masing orbit mempunyai tingkat energi yang mana semakin tinggi orbit maka makin tinggi energinya. Model Bohr menyatakan orbit atom dengan penamaan mulai huruf K sampai Q seperti gambar 2.

Gambar 2 Model Bohr menyatakan orbit atom dengan huruf K s/d Q

-Struktur atom bahan semirondurtor

Pada suhu nol mutlak atau -273 °C, bahan semikonduktor murni benar-benar merupakan isolator karena semua elektron valensi terikat erat pada tempatnya.

Elektron valensi adalah elektron-elektron yang terletak di kulit (orbit) terluar sebuah unsur.

Atom boron mempunyai elektron valensi 3, silikon memiliki elektron valensi 4, fosfor mempunyai elektron valensi 5, dan seterusnya, seperti tabel 1. Agar konduktivitasnya baik, maka bahan semikonduktor dicampur dengan bahan lain (doping), seperti boron, arsenikum, galium, fosfor, dan lain-lain.

Tabel 1 Susunan Elektron pada beberapa Atom

Bahan-bahan yang bervalensi 3 (trivalen) berfungsi membentuk bahan tipe P (bahan yang kekurangan elektron). Sedangkan bahan-bahan yang bervalensi 5 (pentavalen) berfungsi membentuk bahan tipe N (bahan yang kelebihan elektron).

Contoh :

Jika sebuah silikon didoping dengan fosfor atau arsenikum maka bahannya disebut bahan semikonduktor tipe N karena memiliki muatan listrik negatif. Sedangkan jika didoping dengan boron atau galium maka bahannya disebut bahan semikonduktor tipe P karena memiliki muatan listrik positif.

-Struktur atom silikon dan germanium

Silikon dan Germanium adalah bahan semikonduktor yang paling banyak digunakan dalam pembuatan komponen elektronika, karena sifatnya :

⦁ lebih stabil pada suhu tinggi,

⦁ silikon (0,6 V) lebih banyak digunakan dari pada germanium (0,3 V).

⦁ Jumlah elektron silikon adalah 14 seperti gambar 3 sedangkan germanium 32.

⦁ memiliki elektron valensi yang sama, yaitu 4.

Gambar 3 Struktur atom silikon

Angka +14 yang terletak pada inti atom silikon menyatakan jumlah muatan positif proton yang berfungsi mengimbangi muatan negatif elektron-elektron sehingga atom dalam keadaan netral. Gambar 4 adalah struktur atom silikon dengan empat elektro valensi dan +4 yang artinya 4 muatan positif proton.

Gambar 4 Struktur Atom Silikon dengan Elektron Valensinya Kulit terluar dari suatu atom selalu berupaya mempunyai jumlah elektron 8.

Setiap atom selalu berusaha memperoleh konfigurasi atom-atom gas mulia seperti neon, krypton, dan sebagainya yang telah memiliki 8 elektron. Oleh karena itu, kumpulan atom silikon akan menarik empat elektron dari empat atom tetangganya sehingga membentuk kristal seperti gambar 5. Kristal adalah susunan atom yang membentuk suatu pola ikatan yang teratur (ikatan kovalen) dan membentuk diri menjadi benda padat.

Gambar 5 Struktur Irisan Kristal Silikon

Beberapa ikatan kovalen akan pecah karena pengaruh panas.. Semakin tinggi suhu mengenai ikatan kovalen maka semakin banyak ikatan kovalen yang pecah sehingga menghasilkan elektron bebas.

Energi yang dapat memecahkan ikatan kovalen sehingga menghasilkan elektron bebas disebut energi gap (Eg). Adapun hubungan antara elektro dan kulit orbit adalah seperti gambar 6.

Gambar 6 Hubungan antara elektron dan kulit orbit

Hukum dasar hubungan antara elektron dan kulit orbit:

⦁ Elektron tidak dapat berada antara dua kulit orbit.

⦁ Elektron-elektron pada suatu kulit orbit punya suatu rentang tenaga.

⦁ Elektron perlu cukup tenaga untuk melompat ke kulit orbit yang lain.

Apabila ikatan kovelen pecah maka akan mengakibatkan lepasnya elektron yang disebut elektron bebas. Elektron bebas ini meninggalkan tempatnya semula sehingga ruang itu menjadi kosong yang disebut hole atau lubang seperti gambar 7.

Gambar 7 Elektron lepas akibat pecahnya ikatan kovalen

Pada suhu 0K tidak ada elektro yang lepas atau berpindah dari bidang valensi ke bidang konduksi dan bila suhu dinaikkan maka dengan EG yang cukup dapat membuat elektron berpindah dari bidang valensi ke bidang konduksi seperti gambar 8 dan gambar 9.

Gambar 8 Bidang tenaga kristal pada suku 0K

Gambar 9 Bidang tenaga Kristal pada suhu agak tinggi

Arah aliran elektron seperti gambar 10 maka kebalikannya akan membuat arah aliran hole.

Gambar 10 Mekanisme konduksi lobang

⦁ Semikonduktor jenis n

Gambar 11 menunjukkan bahan semikonduktor jenis n dimana diperoleh dengan cara doping dengan atom asing bervalensi 5 seperti Fosfor .

Gambar 12 Arus tenaga elektron valensi atom donor

Pada semikonduktor jenis n terbentuknya elektron disertai terbentuknya ion positif yang tidak dapat bergerak seperti ditunjukkan gamabr 12 diatas.

⦁ Semikonduktor jenis p

Gamabr 13 menunjukkan bahan semikonduktor tipe p dimana diperoleh dengan doping atom asing bervalensi 3, seperti Boron (B) atau Galium (Ga).

Gambar 13 Terjadinya hole pada semikonduktor tipe p

Gambar 14 Arus tenaga elektron valensi atom akseptor

Pada semikonduktor jenis p terbentuknya hole disertai terbentuknya ion negatif yang tidak dapat bergerak seperti ditunjukkan gambar 14 diatas.

Konduktivitas bahan semikonduktor terletak di antara konduktor (penghantar listrik ) dan isolator (tidak menghantarkan listrik). Jika ada sejumlah besar elektron pada salah satu tempat pada suatu bahan, sedang pada tempat lain hanya terdapat sedikit elektron, maka elektron-elektron akan mengalir dari tempat yang padat ke tempat yang sedikit sampai tercapainya suatu keseimbangan.

b. Dioda

Dioda (Diode) adalah Komponen Elektronika Aktif yang terbuat dari bahan semikonduktor dan mempunyai fungsi untuk menghantarkan arus listrik ke satu arah tetapi menghambat arus listrik dari arah sebaliknya. Oleh karena itu, Dioda sering dipergunakan sebagai penyearah dalam Rangkaian Elektronika. Dioda pada umumnya mempunyai 2 Elektroda (terminal) yaitu Anoda (+) dan Katoda (-) dan memiliki prinsip kerja yang berdasarkan teknologi pertemuan p-n semikonduktor yaitu dapat mengalirkan arus dari sisi tipe-p (Anoda) menuju ke sisi tipe-n (Katoda) tetapi tidak dapat mengalirkan arus ke arah sebaliknya.

- Fungsi Dioda and Jenis-jenisnya

Berdasarkan Fungsi Dioda, Dioda dapat dibagi menjadi beberapa Jenis, diantaranya adalah :

Dioda Penyearah (Dioda Biasa atau Dioda Bridge) yang berfungsi sebagai penyearah arus AC ke arus DC.
Dioda Zener yang berfungsi sebagai pengaman rangkaian dan juga sebagai penstabil tegangan.
Dioda LED yang berfungsi sebagai lampu Indikator ataupun lampu penerangan
Dioda Photo yang berfungsi sebagai sensor cahaya
Dioda Schottky yang berfungsi sebagai Pengendali

Simbol Dioda

Gambar dibawah ini menunjukan bahwa Dioda merupakan komponen Elektronika aktif yang terdiri dari 2 tipe bahan yaitu bahan tipe-p dan tipe-n :

Prinsip Kerja Dioda

Untuk dapat memperjelas prinsip kerja Dioda dalam menghantarkan dan menghambat aliran arus listrik, dibawah ini adalah rangkaian dasar contoh pemasangan dan penggunaan Dioda dalam sebuah rangkaian Elektronika.

- Cara Mengukur Dioda dengan Multimeter

Untuk mengetahui apakah sebuah Dioda dapat bekerja dengan baik sesuai dengan fungsinya, maka diperlukan pengukuran terhadap Dioda tersebut dengan menggunakan Multimeter (AVO Meter).

- Cara Mengukur Dioda dengan Multimeter Analog

Aturkan Posisi Saklar pada Posisi OHM (Ω) x1k atau x100
Hubungkan Probe Merah pada Terminal Katoda (tanda gelang)
Hubungkan Probe Hitam pada Terminal Anoda.
Baca hasil Pengukuran di Display Multimeter
Jarum pada Display Multimeter harus bergerak ke kanan
Balikan Probe Merah ke Terminal Anoda dan Probe Hitam pada Terminal Katoda (tanda gelang).
Baca hasil Pengukuran di Display Multimeter
Jarum harus tidak bergerak.
**Jika Jarum bergerak, maka Dioda tersebut berkemungkinan sudah rusak.

- Cara Mengukur Dioda dengan Multimeter Digital

Pada umumnya Multimeter Digital menyediakan pengukuran untuk Fungsi Dioda, Jika tidak ada, maka kita juga dapat mengukur Dioda dengan Fungsi Ohm pada Multimeter Digital.

- Cara Mengukur Dioda dengan menggunakan Multimeter Digital
(Fungsi Ohm / Ohmmeter)

Aturkan Posisi Saklar pada Posisi OHM (Ω)
Hubungkan Probe Hitam pada Terminal Katoda (tanda gelang)
Hubungkan Probe Merah pada Terminal Anoda.
Baca hasil pengukuran di Display Multimeter
Display harus menunjukan nilai tertentu (Misalnya 0.64MOhm)
Balikan Probe Hitam ke Terminal Anoda dan Probe Merah ke Katoda
Baca hasil pengukuran di Display Multimeter
Nilai Resistansinya adalah Infinity (tak terhingga) atau Open Circuit.
**Jika terdapat Nilai tertentu, maka Dioda tersebut berkemungkinan sudah Rusak.

-Cara Mengukur Dioda dengan Multimeter Digital
(Menggunakan Fungsi Dioda)

Aturkan Posisi Saklar pada Posisi Dioda
Hubungkan Probe Hitam pada Terminal Katoda (tanda gelang)
Hubungkan Probe Merah pada Terminal Anoda.
Baca hasil pengukuran di Display Multimeter
Display harus menunjukan nilai tertentu (Misalnya 0.42 V)
Balikan Probe Hitam ke Terminal Anoda dan Probe Merah ke Katoda
Baca hasil pengukuran di Display Multimeter
Tidak terdapat nilai tegangan pada Display Multimeter.
**Jika terdapat Nilai tertentu, maka Dioda tersebut berkemungkinan sudah Rusak.

Catatan Penting :

Hal yang perlu diperhatikan disini adalah Cara Mengukur Dioda dengan menggunakan Multimeter Analog dan Multimeter Digital adalah terbalik. Perhatikan Posisi Probe Merah (+) dan Probe Hitamnya (-).

Cara-cara pengukuran tersebut diatas juga dapat digunakan untuk menentukan Terminal mana yang Katoda dan mana yang Terminal Anoda jika tanda gelang yang tercetak di Dioda tidak dapat dilihat lagi atau terhapus (hilang)

c. Dioda Semikonduktor

Dioda adalah komponen elektronika yang pada dasarnya adalah mempertemukan bahan semikonduktor jenis P dan semi konduktor jenis N. Dioda memiliki nilai resistensi yang sangat rendah hingga nilai resistansi yang tinggi terhadap aliran arus yang melaluinya. Karakteristik ini sangat memungkinkan menggunakan dioda semikonduktor dalam berbagai aplikasi sesuai kebutuhan arus yang digunakan dalam sebuah rangkaian elektronik.

Dioda dapat dilalui arus yang tidak terbatas dalam satu arah dan tidak dapat dilalui arus dari arah sebaliknya. Selain itu, Dioda semikonduktor akan meneruskan aliran arus listrik dari nilai tegangan kecil yang dimasukkan. Dalam praktek-nya, tegangan kecil harus dimasukkan sebelum proses konduksi terjadi. Kebocoran arus kecil akan mengalir dalam arah sebaliknya, kebocoran arus biasanya muncul dari arus maju.

Jika bahan semikonduktor jenis P dibuat relatif positif dengan bahan jenis N dengan jumlah lebih besar dari tegangan maju (sekitar 0,6 Volt untuk bahan silikon dan 0,2 Volt untuk bahan germanium) arus akan bebas melalui dioda. Jika sebaliknya bahan semikonduktor jenis P dibuat relatif negatif dibandingkan bahan jenis N, dapat dipastikan tidak akan ada arus yang bisa melaluinya kecuali tegangan melebihi tegangan maksimum (breakdown) yang dapat ditahan oleh dioda. Dioda akan rusak jika tegangan reverse-nya terlampui.

Pada gambar dibawah ini ditunjukkan sebuah pertemuan / penggabungan bahan semikonduktor. Bagian pada bahan jenis P disebuat sebagai anoda sedangkan pada bagian jenis N disebut sebagai katoda. Tanpa memberikan tegangan masuk, elektron dari bahan semikonduktor jenis N akan mengalir (menyeberang) ke area bahan jenis P dengan mengisi beberapa ruang kosong. Hal ini akan mengakibatkan pada area tersebut tidak ada pembawa muatan bebas. Area ini disebut sebagai area deplesi.

P-N Dioda Semikonduktor

Gambar selanjutnya adalah menunjukkan keadaan anoda dibuat positif terhadap katoda, disebut sebagai kondisi bias maju, dan arus bebas melalui dioda.

Bias maju (forward bias ) P-N

Sebaliknya pada gambar dibawah ini adalah menunjukkan keadaan katoda dibuat positif terhadap anoda, disebut sebagai kondisi reverse bias (bias mundur), dan arus tertahan oleh dioda.

Bias mundur (reverse bias) P-N

Dalam kondisi bias maju, Dioda Semikonduktor bertindak seperti sebuah sakelar tertutup, dan dalam keadaan bias mundur, dioda bertindak sebagai sebuah sakelar terbuka.

Seperti yang dinyatakan sebelumnya bahwa tegangan bias maju harus melebihi ambang tegangan bias maju dioda, karena tegangan bias maju harus dapat menghilangkan lapisan deplesi dan memaksa pembawa muatan yang tinggi untuk melalui melintasi-nya. Dengan dioda jenis silikon, batas tegangan bias maju adalah sekitar 0,6 volt hingga 0,7 volt, sedangkan dengan dioda jenis germanium batas tegangan bias maju nya 0,2 volt hingga 0,3 volt.

Gambar dibawah ini menunjukkan karakteristik khusus dioda germanium dan dioda silikon. Dioda dibatasi dengan jumlah tegangan bias maju dan sebaliknya dapat menahan tegangan bias mundur. Batas ini didasarkan pada ukuran fisik dan konstruksi dioda.

Karakteristik Dioda

Dalam keadaan bias mundur (reverse bias), bahan jenis P adalah negatif relatif bias terhadap bahan jenis N. Dalam hal ini, tegangan positif dimasukkan pada bahan jenis P menarik pembawa muatan positif, menarik dari area persimpangan sehingga meninggalkan area persimpangan hingga habis. Oleh karena itu, area persimpangan menjadi isolator dan aliran arus menjadi terhambat.

4. Langkah Percobaan (kembali)

- Tidak melakukan percobaan

5. Rangkaian (kembali)

- Tidak memiliki rangkaian

6. Prinsip Kerja (kembali)

- Tidak memiliki prinsip kerja rangkaian

7. Example (kembali)

1. Jelaskan apa yang dimaksud dengan donor dan akseptor pada semikonduktor!

Jawab:

- Donor adalah jenis semikonduktor yang diberi impuritas yang bervalensi +5 (misalnya P, As, Sb) tipe- N

- Akseptor adalah jenis semikonduktor yang diberi impuritas yang bervalensi +3 (miaslnya Ln, Ga, B) tipe – P

8. Problem (kembali)