Komponen Elektronika Analog

1.1    DIODA BIASA

-          Prinsip Kerja

Dalam berbagai rangkaian elektronika komponen semikonduktor dioda sering kita jumpai jenis dan type yang berbeda beda tergantung dari model dan tujuan penggunaan rangkaian tersebut dibuat. Kata dioda berasal dari pendekatan kata yaitu dua elektroda yang mana (di berarti dua) mempunyai dua buah elektroda yaitu anoda dan katoda. Anoda digunakan untuk polaritas positif dan katoda untuk polaritas negatif. Didalam dioda terdapat junction (pertemuan) dimana daerah semikonduktor type-p dan semi konduktor type-n bertemu. Dioda semikonduktor hanya dapat melewatkan arus pada satu arah saja, yaitu pada saat dioda memperoleh catu arah maju (forward bias). Pada kondisi ini dioda dikatakan bahwa dioda dalam keadaan konduksi atau menghantar dan mempunyai tahanan dalam dioda relative kecil. Sedangkan bila dioda diberi catu arah terbalik (Reverse bias) maka dioda tidak bekerja dan pada kondisi ini dioda mempunyai tahanan dalam yang tinggi sehingga arus sulit mengalir. Dari kondisi tersebut maka dioda hanya digunakan pada beberapa pemakaian saja antara lain sebagai penyearah gelombang (rectifier), disamping kegunaan-kegunaan lainya misalnya sebagai Klipper, Clamper pengganda tegangan dan lain-lain.

1.2    DIODA ZENER

-          Prinsip Kerja

Dioda zener dibuat untuk bekerja pada daerah breakdown dan menghasilkan tegangan breakdown kira-kira dari 2 samapai 200 Volt. Dengan memberikan  tegangan riverse melampaui tegangan breakdown zener, piranti berlaku seperti sumber tegangan konstan. Jika tegangan yang diberikan mencapai nilai breakdown, pembawa minoritas lapisan pengosongan dipercepat hingga mencapai kecepatan yang cukup tinggi untuk mengeluarkan electron dari orbit luar. Efek zener berbeda-beda, bila dioda di-dop banyak maka lapisan pengosongan amat sempit. sehingga medan listrik pada lapisan pengosongan sangat kuat.

1.3    PERBEDAAN KEDUA DIODA

Berdasarkan fungsinya, kedua dioda ini memiliki kegunaannya masing-masing. Dioda biasa lebih digunakan untuk sebagai penyearah gelombang, klipper dan fungsi dioda pada umunya. Sedangkan untuk dioda zener lebih kepada memberikan  tegangan riverse melampaui tegangan breakdown zener, piranti berlaku seperti sumber tegangan konstan. Atau dengan kata lain dioda zener dibuat untuk bekerja pada daerah breakdown dan menghasilkan tegangan breakdown kira-kira dari 2 samapai 200 Volt. Perbedaan fisik atau bentuk dari komponennya sendiri berbeda. Bisa dilihat dari gambar kedua dioda diatas.

1.4    KESAMAAN KEDUA DIODA

Kesamaan yang terdapat dari kedua dioda diatas yaitu memiliki sifat-sifat yang sama. Antara lain :

·           menghantar dengan tegangan maju kira-kira 0.6 Volt,

·           perlawanan maju cukup kecil,

·           perlawanan terbalik sangat tinggi, dapat mencapai beberapa Mega ohm,

·           Arus maju maksimum yang dibolehkan cukup besar, sampai 1000 A,

·           Tegangan terbalik maksimum yang dibolehkan cukup tinggi, dapat mencapai 1000 V, dll.

Selain kesamaan sifatnya. Kedua dioda ini memiliki kesamaan yaitu memiliki anoda (polaritas positif) dan katoda (polaritas negatif).

2.1    TRANSISTOR FET

-          Prinsip Kerja

Transistor FET bekerja bergantung dari satu pembawa muatan, apakah itu elektron atau hole. Karena hanya bergantung pada satu pembawa muatan saja, transistor ini disebut komponen unipolar.  Transistor FET sering digunakan juga karena memiliki impedansi input (input impedance) yang sangat besar. Terutama jika digunakan sebagai switch, FET lebih baik karena resistansi dan disipasi dayanya yang kecil.

Ada dua jenis transistor FET yaitu JFET (junction FET) dan MOSFET (metal-oxide semiconductor FET).  Pada dasarnya kedua jenis transistor memiliki prinsip kerja yang sama, namun tetap ada perbedaan yang mendasar pada struktur dan karakteristiknya.

2.2     TRANSISTOR JFET

-          Prinsip Kerja

Prinsip kerja transistor JFET lebih jauh akan ditinjau  transistor JFET kanal-n.  Tegangan bias antara gate dan source adalah tegangan reverse bias atau disebut bias negatif. Tegangan bias negatif berarti tegangan gate lebih negatif terhadap source. Perlu catatan, Kedua gate terhubung satu dengan lainnya. Elektron yang mengalir dari source menuju drain harus melewati lapisan deplesi. Di sini lapisan deplesi berfungsi semacan keran air. Banyaknya elektron yang mengalir dari source menuju drain tergantung dari ketebalan lapisan deplesi. Lapisan deplesi bisa menyempit,  melebar atau membuka 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.  Ketika keadaan ini terjadi, tidak ada arus yang dapat mengalir atau sangat kecil sekali. Jadi jika tegangan gate semakin negatif terhadap source maka semakin kecil arus yang bisa melewati kanal drain dan source. 

Jika misalnya tegangan gate dari nilai negatif perlahan-lahan dinaikkan sampai sama dengan tegangan Source. Ternyata lapisan deplesi mengecil hingga sampai suatu saat terdapat celah sempit.  Arus elektron mulai mengalir melalui celah sempit ini dan terjadilah konduksi Drain dan Source. Arus yang terjadi pada keadaan ini adalah arus maksimum 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 kalau nilainya positif maka gate-source tidak lain hanya sebagai dioda.    

Karena tegangan bias yang negatif, maka arus gate yang disebut I_G akan sangat kecil sekali. Dapat dimengerti resistansi input (input impedance) gate akan sangat besar. Impedansi input transistor FET umumnya bisa mencapai satuan MOhm. Sebuah transistor JFET diketahui arus gate 2 nA pada saat tegangan reverse gate 4 V, maka dari hukum Ohm dapat dihitung resistansi input transistor ini adalah : R_in = 4V/2nA = 2000 Mohm.

2.3    TRANSISTOR MOSFET

-          Prinsip Kerja

Pada sebuah kanal semikonduktor tipe n terdapat semikonduktor tipe p dengan menyisakan sedikit celah. Dengan demikian diharapkan elektron akan mengalir dari source menuju drain melalui celah sempit ini. Gate terbuat dari metal (seperti aluminium) dan terisolasi oleh bahan oksida tipis SiO₂ yang tidak lain adalah kaca.

Semikonduktor tipe p di sini disebut subtrat p dan biasanya dihubung singkat dengan source. Ingat seperti pada transistor JFET lapisan deplesi mulai membuka jika V_GS = 0.

Dengan menghubung singkat subtrat p dengan   source diharapkan ketebalan lapisan deplesi yang terbentuk antara subtrat 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. 

Semakin negatif tegangan gate  terhadap source, akan semakin kecil arus drain yang bisa lewat atau bahkan menjadi 0 pada tegangan negatif tertentu. Karena lapisan deplesi telah menutup kanal. Selanjutnya jika tegangan gate dinaikkan sama dengan tegangan source, arus akan mengalir. Karena lapisan deplesi muali membuka. Sampai di sini prinsip kerja transistor MOSFET depletion-mode tidak berbeda dengan transistor JFET.  

Karena gate yang terisolasi, tegangan kerja V_GS boleh positif. Jika V_GS semakin positif, arus elektron yang mengalir dapat semakin besar. Di sini letak perbedaannya dengan JFET, transistor MOSFET depletion-mode bisa bekerja sampai tegangan gate positif.

2.4    PERBEDAAN KETIGA TRANSISTOR

Transistor JFET dan MOSFET merupakan jenis dari transistor FET, maka disini hanya akan dibahas mengenai perbedaan transistor JFET dan MOSFET. Perbedaan kedua transistor ini mendasar pada struktur dan karakteristiknya. Dibandingkan dengan transistor JFET, transistor MOSFET yang dikenal dengan sebutan transistor MOS umumnya gampang rusak. Ada kalanya karena tegangan gate  yang melebihi tegangan V_GS(max). Karena lapisan oksida yang amat tipis, transistor MOS rentan terhadap tegangan statik (static voltage) yang bisa mencapai ribuan volt. Dan juga perbedaannya yaitu pada transistor MOSFET gatenya terisolasi oleh suatu bahan oksida. Gate sendiri terbuat dari bahan metal seperti aluminium. Sedangkan transistor JFET tidak.

2.5    PERSAMAAN KETIGA TRANSISTOR

Sama seperti diatas. Persamaan yang akan dibahas hanya pada transistor JFET dan transistor MOSFET. Persamaanya yaitu kedua transistor memiliki drain, source dan gate yang sama.

3.        THRISTOR

-          Prinsip Kerja

Untuk membuat thyristor menjadi ON adalah dengan memberi arus trigger lapisan P yang dekat dengan katoda. Yaitu dengan membuat kaki gate pada thyristor PNPN. Karena letaknya yang dekat dengan katoda, bisa juga pin gate ini disebut pin gate katoda (cathode gate). Istilah Thyristor berasal dari tabung Thyratron-Transistor, dimana dengan perkembangan teknologi semikonduktor, maka tabung-tabung elektron yang bentuknya relatip besar dapat digantikan oleh tabung-tabung transistor yang berukuran jauh lebih kecil tanpa mengurangi kemampuan operasionalnya. Yang termasuk dalam keluarga thyristor adalan Silicon Controlled Rectifier, Diac, Triac yang semuanya didasari dari Dioda Lapis Empat (Four Layers Diode). Bahan dasar thyristor ini adalah dari silicon dengan pertimbangan jauh lebih tahan panas dibandingkan dengan bahan germanium. Thyristor ini banyak digunakan sebagai alat pengendali tegangan atau daya yang tinggi dengan kemampuan yang tinggi.

4.1    TRIAC

-          Prinsip Kerja                                      

           Gambar berikut memperlihatkan prinsip kerja Triac secara sederhana, dimana pada rangkaian tersebut kapasitor C akan mengisi muatannya lewat R1 dan R2 setiap setengah perioda.

Selama setengah perioda positip, MT2 akan akan lebih positip dari MT1, sehingga pelat atas kapasitor akan bermuatan positif. Jika tegangan pada kapasitor muncul hingga mencapai harga yang mencukupi untuk pemenuhan arus gate, maka Triac akan ON. Kecepatan pengisian kapasitor diatur oleh potensiometer R2, dimana jika hambatannya besar, maka pengisiannya akan lambat sehingga terjadi penundaan penyalaan. Jika nilai R2 kecil, maka pengisian kapasitor akan lebih cepat dan arus yang mengalir ke beban akan tinggi. Metoda lain adalah dengan melibatkan piranti Diac seperti terlihat pada gambar dibawah ini. dimana sering terdapat Triac yang dikemas bersama Diac dalam satu chip dan dikenal dengan nama Quadrac.

4.2    SCR

-          Prinsip Kerja

SCR dapat dihidupkan dengan arus penyulut singkat melalui terminal Gate, dimana arus gate ini akan mengalir melalui junction antara gate dan kathoda dan keluar dari kathodanya. Arus gate ini harus positip besarnya sekitar 0,1 sampai 35 mA sedangkan tegangan antara gate dan kathodanya biasanya 0,7 volt.

Jika arus anota ke kathoda turun dibawah nilai minimum (Holding Current = IHO), maka SCR akan segera mati (Off). Untuk SCR yang berkemampuan daya sedang, besar IHO sekitar 10 mA. Tegangan maksimum arah maju (UBRF) akan terjadi jika gate dalam keadaan terbuka atau IGO = 0. Jika arus gate diperbesar dari IGO, misal IG1, maka tegangan majunya akan lebih rendah lagi.

Gambar dibawah ini memperlihatkan salah satu cara penyulutan SCR dengan sumber searah (dc), dimana SCR akan bekerja dengan indikasi menyalanya lampu dengan syarat saklar PB1 dan PB2 di ON kan terlebih dahulu.

Triggering untuk penyulutan SCR dengan sumber dc ini tidak perlu dilakukan secara terus menerus, jika saklar PB1 dibuka, maka lampu akan tetap menyala atau dengan perkataan lain SCR tetap bekerja. Dibawah ini Memperlihatkan cara penyulutan SCR dengan sumber bolak-balik (ac).

Dengan mengatur nilai R2 (potensiometer), maka kita seolah mengatur sudut penyalaan (firing delay) SCR. Untuk penyulutan SCR dengan sumber arus bolak-balik, harus dilakukan secara terus menerus, jadi saklar S jika dilepas, maka SCR akan kembali tidak bekerja.

Gambar dibawah ini memperlihatkan bentuk tegangan dan pada terminal SCR dan beban. Pengendalian sumber daya dengan SCR terbatas hanya dari 0_­⁰ sampai 90⁰.