Tek Instalasi Tenaga Listrik Bidang Studi

MODUL PLPG

TEKNIK INSTALASI TENAGA

LISTRIK

KONSORSIUM SERTIFIKASI GURU

dan

UNIVERSITAS NEGERI MALANG

Buku ajar dalam bentuk modul yang relatif singkat tetapi komprehensif ini diterbitkan untuk membantu para peserta dan instruktur dalam melaksanakan kegiatan Pendidikan dan Latihan Profesi Guru (PLPG). Mengingat cakupan dari setiap bidang atau materi pokok PLPG juga luas, maka sajian dalam buku ini diupayakan dapat membekali para peserta PLPG untuk menjadi guru yang profesional. Buku ajar ini disusun oleh para pakar sesuai dengan bidangnya. Dengan memperhatikan kedalaman, cakupan kajian, dan keterbatasan yang ada, dari waktu ke waktu buku ajar ini telah dikaji dan dicermati oleh pakar lain yang relevan. Hasil kajian itu selanjutnya digunakan sebagai bahan perbaikan demi semakin sempurnanya buku ajar ini.

Sesuai dengan kebijakan BPSDMP-PMP, pada tahun 2013 buku ajar yang digunakan dalam PLPG distandarkan secara nasional. Buku ajar yang digunakan di Rayon 115 UM diambil dari buku ajar yang telah distandarkan secara nasional tersebut, dan sebelumnya telah dilakukan proses review_{. Disamping itu, buku ajar tersebut}

diunggah di laman PSG Rayon 115 UM agar dapat diakses oleh para peserta PLPG dengan relatif lebih cepat.

Akhirnya, kepada para peserta dan instruktur, kami sampaikan ucapan selamat melaksanakan kegiatan Pendidikan dan Latihan Profesi Guru. Semoga tugas dan pengabdian ini dapat mencapai sasaran, yakni meningkatkan kompetensi guru agar menjadi guru dan pendidik yang profesional. Kepada semua pihak yang telah membantu kelancaran pelaksanaan PLPG PSG Rayon 115 Universitas Negeri Malang, kami menyampaikan banyak terima kasih.

Malang, Juli 2013

Ketua Pelaksana PSG Rayon 115

Penyusun

Sudarsono

Bidang Keahlian

Teknik Instalasi TenagaListrik

MODUL PLPG

Penyusun

TIM

Puji syukur dipanjatkan kehadirat Tuhan Yang Maha Esa atas rahmat dan

karunia-Nya, sehingga kami dapat menyusun bahan ajar modul manual untuk

Bidang Keahlian Teknik Listrik, khususnya Program Keahlian Teknik Instalasi

Teaga Listrik.

Sumber dan bahan dari pembuatan modul ini adalah sebagian besar

diambilkan dari bahan ajar pokok Kurikulum SMK Edisi 2005, oleh karena

peserta diklat pada umumnya adalah guru-guru yang mengajar di SMK. Modul ini

diharapkan digunakan sebagai sumber belajar pokok oleh peserta diklat untuk

mencapai komptensi kerja standar yang diharapkan dunia kerja.

Kami mengharapkan saran dan kritik dari para pakar di bidang psikologi,

praktisi dunia usaha dan industri, dan pakar akademik sebagai bahan untuk

melakukan peningkatan kualitas modul. Diharapkan para pemakai berpegang pada

azas keterlaksanaan, kesesuaian, dan fleksibelitas dengan mengacu pada

perkembangan IPTEKS pada dunia kerja dan potensi SMK serta dukungan kerja

dalam rangka membekali kompetensi standar pada peserta diklat.

Demikian, semoga modul ini dapat bermanfaat bagi kita semua, khususnya

peserta diklat SMK Bidang Keahlian Teknik Instalasi Listrik, atau praktisi yang

sedang mengembangkan bahan ajar modul SMK.

Padang, Mei 2013

iv

Halaman

HALAMAN JUDUL ……… i

KATA PENGANTAR... iii

DAFTAR ISI ……… iv

Modul 01 Memahami Dasar-dasar dan Menerapkan Pengukuran Komponen Elektronika ...

1

A. Objektif

1. Menjelaskan konsep dasar elektronika.

2. Menjelaskan simbol komponen elektronika.

3. Menjelaskan sifat-sifat komponen elektronika pasif.

4. Menggambar karakteristik komponen elektronika.

5. Menjelaskan peralatan alat ukur komponen elektronika.

6. Melakukan pengukuran komponen R.

7. Melakukan pengukuran komponen C.

8. Melakukan pengukuran komponen L.

9. Menjelaskan hasil pengukuran.

B. Uraian Materi

1. Pengertian Semikonduktor

a. Struktur Atom Semikonduktor

Prinsip dasar semikonduktor merupakan elemen dasar dari

komponen elektronika seperti dioda, transistor dan sebuah Integrated

Circuit (IC). Disebut semi atau setengah konduktor, karena bahan ini

memang bukan konduktor murni. Bahan- bahan logam seperti tembaga,

besi, timah disebut sebagai konduktor yang baik, sebab logam memiliki

susunan atom yang sedemikian rupa, sehingga elektronnya dapat

bergerak bebas. Sebenarnya atom tembaga dengan lambang kimia Cu

memiliki inti 29 ion (+) dikelilingi oleh 29 elektron (-). Sebanyak 28

elektron menempati orbit-orbit bagian dalam membentuk inti yang

disebut nucleus.

Elemen terkecil dari suatu bahan yang masih memiliki sifat-sifat

kimia dan fisika yang sama adalah atom. Suatu atom terdiri atas tiga

partikel dasar, yaitu: neutron, proton, dan elektron. Dalam struktur atom,

proton dan neutron membentuk inti atom yang bermuatan positip dan

sedangkan elektron-elektron yang bermuatan negatif mengelilingi inti.

Elektron-elektron ini tersusun berlapis-lapis. Struktur atom dengan model

Bohr dari bahan semikonduktor yang paling banyak digunakan adalah

silikon dan germanium.

Seperti pada gambar 1 atom silikon mempunyai elektron yang yang

mengelilingi inti sebanyak 14 dan atom germanium 32 elektron. Pada

atom yang seimbang (netral) jumlah elektron dalam orbit sama dengan

jumlah proton dalam inti. Muatan listrik sebuah elektron adalah: - 1.602

-19

C dan muatan sebuah proton adalah: + 1.602-19 C.

Elektron yang terdapat pada lapisan terluar disebut elektron valensi.

Atom silikon dan germanium masing mempunyai empat elektron valensi.

Oleh karena itu baik atom silikon maupun atom germanium disebut juga

dengan atom tetra-valent bervalensi empat (tetra-valent). Empat elektron

valensi tersebut terikat dalam struktur kisi-kisi, sehingga setiap elektron

atom-atom yang bersebelahan. Struktur kisi-kisi Kristal silikon murni

dapat digambarkan secara dua dimensi seperti pada gambar 2 guna

memudahkan pembahasan.

Meskipun terikat dengan kuat dalam struktur Kristal, namun bisa

saja elektron valensi tersebut keluar dari ikatan kovalen menuju daerah

konduksi apabila diberikan energi panas. Bila energi panas cukup kuat

untuk memisahkan elektron dari ikatan kovalen maka elektron tersebut

menjadi bebas dan disebut dengan elektron bebas. Pada suhu ruang

terdapat kurang lebih 1.5 x 1010 elektron bebas dalam 1 cm3 bahan silikon

murni (intrinsik) dan 2.5 x 1013 elektron bebas pada germanium.

Semakin besar energi panas yang diberikan semakin banyak jumlah

elektron bebas yang keluar dari ikatan kovalen, dan hal ini menyebabkan

konduktivitas bahan meningkat.

b. Semikonduktor Tipe N

Suatu kristal Silikon yang murni, dimana setiap atomnya adalah

atom Silikon saja, disebut sebagai semikonduktor intrinsik. Untuk

banyak di dalam suatu semikonduktor intrinsik untuk dapat

menghasilkan arus yang berguna. Doping adalah penambahan atom-atom

impuritas pada suatu kristal untuk menambah jumlah elektron maupun

hole. Suatu kristal yang telah di dop disebut semikonduktor ekstrinsik.

Untuk memperoleh tambahan elektron pada jalur konduksi, diperlukan

atom pentavalent. Atom pentavalen ini juga disebut sebagai atom donor.

Setelah membentuk ikatan kovalen dengan tetangganya, atom pentavalen

ini mempunyai kelebihan sebuah elektron, yang dapat beredar pula pada

jalur konduksi, seperti pada Gambar 3. Sehingga terbentuk jumlah

elektron yang cukup banyak dan jumlah hole yang sedikit. Keadaan ini

diistilahkan dengan elektron sebagai pembawa mayoritas dan hole

sebagai pembawa minoritas. Semikonduktor yang di-doping seperti ini

disebut dengan semikonduktor type-n.

Oleh karena atom antimoni (Sb) bervalensi lima, maka empat

elektron valensi mendapatkan pasangan ikatan kovalen dengan atom

silikon sedangkan elektron valensi yang kelima tidak mendapatkan

pasangan. Oleh karena itu ikatan elektron kelima ini dengan inti menjadi Gambar 3. Struktur Kristal Semikonduktor (Silikon) Tipe N

Si Si

Si

Si _Si

Si Si

Si Sb

atom antimoni

(Sb)

lemah dan mudah menjadi elektron bebas. Karena setiap atom depan ini

menyumbang sebuah elektron, maka atom yang bervalensi lima disebut

dengan atom donor. Dan elektron “bebas” sumbangan dari atom dopan

inipun dapat dikontrol jumlahnya atau konsentrasinya.

Meskipun demikian bahan silikon tipe n ini mengandung elektron

bebas (pembawa mayoritas) yang cukup banyak, namun secara

keseluruhan Kristal ini tetap netral karena jumlah muatan positip pada

inti atom masih sama dengan jumlah keseluruhan elektronnya. Pada

bahan tipe n disamping jumlah elektron bebasnya meningkat, ternyata

jumlah holenya (pembawa minoritas) menurun. Hal ini disebabkan

karena dengan bertambahnya jumlah elektron bebas, maka kecepatan

hole dan elektron ber-rekombinasi (bergabungnya kembali elektron

dengan hole) semakin meningkat. Sehingga jumlah holenya

menurun.Level energi dari elektron bebas sumbangan atom donor

digambarkan pada gambar 4. Jarak antara pita konduksi dengan level

energi donor sangat kecil yaitu 0.01 eV untuk germanium dan 0.05 eV

untuk silikon. Sehingga pada suhu ruang semua elektron donor dapat

mencapai pita konduksi dan menjadi elektron bebas.

Bahan semikonduktor tipe n dapat dilukiskan seperti pada Gambar 5.

Karena atom-atom donor telah ditinggalkan oleh elektron valensinya

pita valensi pita konduksi

Eg = 0.67eV (Ge); 1.1eV (Si)

level energi donor energi

0.01eV (Ge); 0.05eV (Si)

(yakni menjadi elektron bebas), maka menjadi ion yang bermuatan

positip. Sehingga digambarkan dengan tanda positip. Sedangkan

elektron bebasnya menjadi pembawa mayoritas. Dan pembawa

minoritasnya berupa hole.

c. Semikonduktor Tipe P

Apabila bahan semikonduktor murni (intrinsik) didoping dengan

bahan impuritas (ketidak-murnian) bervalensi tiga, maka akan diperoleh

semikonduktor tipe p. Bahan dopan yang bervalensi tiga tersebut

misalnya boron, galium, dan indium. Struktur kisi-kisi kristal

semikonduktor (silikon) tipe p adalah seperti Gambar 6.

Karena atom dopan mempunyai tiga elektron valensi, dalam Gambar

6 adalah atom Boron (B) , maka hanya tiga ikatan kovalen yang bisa

dipenuhi. Sedangkan tempat yang seharusnya membentuk ikatan

kovalen keempat menjadi kosong (membentuk hole) dan bisa ditempati

oleh elektron valensi lain. Dengan demikian sebuah atom bervalensi tiga

akan menyumbangkan sebuah hole. Atom bervalensi tiga (trivalent)

disebut juga atom akseptor, karena atom ini siap untuk menerima

elektron. Seperti halnya pada semikonduktor tipe n, secara keseluruhan

kristal semikonduktor tipe n ini adalah netral. Karena jumlah hole dan

mayoritas. Karena dengan penambahan atom dopan akan meningkatkan

jumlah hole sebagai pembawa muatan. Sedangkan pembawa

minoritasnya adalah elektron.

Level energi dari hole akseptor dapat dilihat pada Gambar 7. Jarak

antara level energi akseptor dengan pita valensi sangat kecil yaitu sekitar

0.01 eV untuk germanium dan 0.05 eV untuk silikon. Dengan demikian

hanya dibutuhkan energi yang sangat kecil bagi elektron valensi untuk

menempati hole di level energi akseptor. Oleh karena itu pada suhur

ruang banyak sekali jumlah hole di pita valensi yang merupakan

pembawa muatan.

Bahan semikonduktor tipe p dapat dilukiskan seperti pada Gambar 8.

Karena atom-atom akseptor telah menerima elektron, maka menjadi ion

yang bermuatan negatif. Sehingga digambarkan dengan tanda negatif.

Pembawa mayoritas berupa hole dan pembawa minoritasnya berupa

elektron.

2. Kode Warna dan Huruf pada Resistor

a.

Kode Warna Resistor

Resistor disebut juga dengan tahanan atau hambatan, berfungsi untuk

menghambat arus listrik yang melewatinya. Satuan harga resistor adalah :

1 M (mega ohm) = 1000 K (kilo ohm) = 106 (ohm) yang merupakan

satuan nilai resistansi dari sebuah resistor. Resistor diberi lambang huruf

R, sedangkan gambar simbolnya dari rangkaian listrik adalah :

atau

Gambar 9. Simbol Resistor

pita valensi pita konduksi

Eg = 0.67eV (Ge); 1.1eV (Si)

level energi akseptor energi

0.01eV (Ge); 0.05eV (Si)

Gambar 7. Diagram Pita Energi Semikonduktor Tipe P

Gambar 8. Bahan Semikonduktor Tipe P

- -

-

-

-

- -

-

pembawa minoritas

Kode warna pada resistor menyatakan harga resistansi dan

toleransinya. Semakin kecil harga toleransi suatu resistor adalah semakin

baik, karena harga sebenarnya adalah harga yang tertera  harga

toleransinya. Misalnya suatu resistor harga yang tertera = 100 

mempunyai toleransi 5%, maka harga sebenarnya adalah:

Harga resistor = 100 – (5% x 100) s/d 100 + (5% x 100)

= 95  s/d 105 .

Terdapat resistor yang mempunyai 4 gelang warna dan 5 gelang warna

seperti yang terlihat pada gambar di bawah ini :

Gambar 10. Resistor dengan 4 Gelang dan 5 Gelang Warna.

Tabel 1. Kode Warna pada Resistor 4 Gelang

Warna

Gelang 1

(Angka

pertama)

Gelang 2

(Angka kedua)

Gelang 3

(Faktor

pengali)

Gelang 4

(Toleransi/%)

Hitam - 0 1 -

Coklat 1 1 10 1

Merah 2 2 102 2

Oranye 3 3 103 3

Kuning 4 4 104 4

Hijau 5 5 105 5

Biru 6 6 106 6

Ungu 7 7 107 7

Abu-abu 8 8 108 8

Putih 9 9 109 9

Emas - - 10-1 5

Perak - - 10-2 10

Tanpa

warna

- - 10-3 20

Arti kode warna pada resistor 5 gelang adalah :

Gelang 1 = Angka pertama

Gelang 2 = Angka kedua

Gelang 3 = Angka ketiga

Gelang 4 = Faktor pengali

Gelang 5 = Toleransi

b.

Kode Huruf Resistor

Resistor yang mempunyai kode angka dan huruf biasanya adalah

resistor lilitan kawat yang diselubungi dengan keramik/porselin, seperti

terlihat pada gambar di bawah ini :

Gambar 11. Resistor dengan Kode Angka dan Huruf

Arti kode angka dan huruf pada resistor ini adalah sebagai berikut :

- 82 k  5% 9132 W

82 k  berarti besarnya resistansi 82 k  (kilo ohm)

5% berarti besarnya toleransi 5%

9132 W adalah nomor serinya

- 5 W 0,02  J

5 W berarti kemampuan daya resistor besarnya 5 watt

0,22  berarti besarnya resistansi 0,22 

J berarti besarnya toleransi 5%

- 5 W 22 R J

5 W berarti kemampuan daya resistor besarnya 5 watt

22 R berarti besarnya resistansi 22 

J berarti besarnya toleransi 5%

- 5 W 1 k  J

5 W berarti kemampuan daya resistor besarnya 5 watt

1 k  berarti kemampuan besarnya resistansi 1 k 

J berarti besarnya toleransi 5%

- 5 W R 1 k

5 W berarti kemampuan daya resistor sebesar 5 watt

RIK berarti besarnya resistansi 1 k 

c.

Kode Angka dan huruf pada Kapasitor

Kapasitor atau kondensator adalah suatu komponen listrik yang dapat

menyimpan muatan listrik. Kapasitas kapasitor diukur dalam F (Farad) =

10-6 F (mikro Farad) = 10-9 nF (nano Farad) = 10-12 pF (piko Farad).

Kapasitor elektrolit mempunyai dua kutub positif dan kutub negatif

(bipolar), sedangkan kapasitor kering misal kapasitor mika, kapasitor

kertas tidak membedakan kutub positif dan kutub negatif (non polar).

Simbol kapasitor dapat dilihat pada gambar di bawah ini:

Gambar 12. Simbol Kapasitor

Bentuk sebenarnya dari kapasitor dapat dilihat pada gambar di bawah

ini. Arti kode angka dan huruf pada kapasitor dapat dilihat pada tabel di

bawah ini.

+

Tabel 2. Kode Angka dan Huruf pada Kapasitor

Kode

angka

Gelang 1

(Angka pertama)

Gelang 2

(Angka kedua)

Gelang 3

(Faktor pengali)

Kode huruf

(Toleransi/%)

0 - 0 1 B

1 1 1 10 C

2 2 2 102 D

3 3 3 103 F = 1

4 4 4 104 G = 2

5 5 5 105 H = 3

6 6 6 106 J = 5

7 7 7 107 K = 10

8 8 8 108 M = 20

9 9 9 109

Contoh :

1) kode kapasitor = 562 J 100 V artinya : besarnya kapasitas = 56 x

102 pF = 5600 pF; besarnya toleransi = 5%; kemampuan tegangan

kerja = 100 Volt.

2) Kode kapasitor = 100 nJ artinya : besarnya kapasitas = 100 nF;

besarny atoleransi = 5%.

3) Kode kapasitor : 100 F 50 V artinya = besarnya kapasitas = 100

F; besarnya tegangan kerja = 50 Volt.

d.

Kodel Warna pada Kapasitor

Cara membaca kode warna pada kapasitor dapat melihat tabel 3,

dibawah ini :

Gambar 13. Kode Warna pada Kapasitor

Keterangan :

A = gelang 1 = Angka pertama

B = gelang 2 = Angka kedua

C = gelang 3 = Angka ketiga

D = gelang 4 = Toleransi

E = gelang 5 = Tegangan kerja

Tabel 3. Kode Warna pada Kapasitor

Warna Gelang 1

(Angka)

Gelang 2

(Angka)

Gelang 3

(Pengali)

Gelang 4

(Toleransi)

Gelang 5

(Tegangan Kerja)

Hitam - 0 1 - - -

Coklat 1 1 10 1 - -

Merah 2 2 102 2 250 V 160 V

Jingga 3 3 103 3 - -

Kuning 4 4 104 4 400 V 200 V

Hijau 5 5 105 5 - -

Biru 6 6 106 6 630 V 220 V

Ungu 7 7 107 7 - -

Abu-abu 8 8 108 8 - -

Putih 9 9 109 9 - -

3. Induktor L

Induktor adalah komponen listrik yang digunakan sebagai beban

induktif. Simbol induktor dapat dilihat pada gambar di bawah ini :

Gambar 14. Simbol Induktor

Kapasitas induktor dinyatakan dalam satuan H (Henry) = 100mH (mili

Henry). Kapasitas induktor diberi lambang L, sedangkan reaktansi induktif

XL = 2 . f . L (ohm). …………...… (1)

dimana :

XL= reaktansi induktif ()

 = 3,14

f = frekuensi (Hz)

L = kapasitas induktor (Henry)

Beban induktor antara lain adalah :

- Kumparan kawat yang harganya dapat dibuat tetap atau tidak tetap.

Induktor yang harganya tidak tetap yaitu Dekade Induktor dan Variabel

Induktor.

- Motor-motor listrik, karena memiliki lilitan kawat.

- Transformator, karena memiliki lilitan kawat.

Pada induktor terdapat unsur resistansi (R) dan induktif (XL) jika

digunakan sebagai beban sumber tegangan AC. Jika digunakan sebagai beban

sumber tegangan DC, maka hanya terdapat unsur R saja. Dalam sumber

tegangan AC berlaku rumus :

Z = V ………... (2)

I

Z2 = R2 + XL2

XL2 = Z2– R2

XL =

Keterangan

Z = Impedansi ()

R = Tahanan ()

V = Tegangan AC (Volt)

XL = Reaktansi induktif ()

Dari persamaan (2) jika sumber tegangan AC (V) dan arus (I)

diketahui, maka Z dapat dihitung. Dari persamaan (3), jikaR diketahui, maka

XL dapat dihitung. Dari persamaan (1) jika f diketahui, maka L dapat

dihitung.

4. Karakteristik Dioda Semikonduktor

a. Dioda Semikonduktor

Dioda semikonduktor dibentuk dengan cara menyambungkan

semi-konduktor tipe p dan tipe n. Pada saat terjadinya sambungan (junction) p

dan n, hole-hole pada bahan p dan elektron-elektron pada bahan n disekitar

sambungan cenderung untuk berkombinasi. Hole dan elektron yang

berkombinasi ini saling meniadakan, sehingga pada daerah sekitar

sambungan ini kosong dari pembawa muatan dan terbentuk daerah

pengosongan (depletion region).

ion akseptor ion donor

- - - - - - - - + + + + + + + +

elektron dan hole berkombinasi tipe p _{tipe n}

(a) - - - - - - - - + ₊ + + + + + + + - + + + + - - - - daerah pengosongan

tipe p tipe n

(b)

Oleh karena itu pada sisi p tinggal ion-ion akseptor yang bermuatan

negatif dan pada sisi n tinggal ion-ion donor yang bermuatan positip.

Namun proses ini tidak berlangsung terus, karena potensial dari ion-ion

positip dan negatif ini akan mengahalanginya. Tegangan atau potensial

ekivalen pada daerah pengosongan ini disebut dengan tegangan

penghalang (barrier potential). Besarnya tegangan penghalang ini adalah

0.2 untuk germanium dan 0.6 untuk silikon. Lihat Gambar 14.

b. Bias Mundur (Reverse Bias)

Bias mundur adalah pemberian tegangan negatif baterai ke terminal

anoda (A) dan tegangan positip ke terminal katoda (K) dari suatu dioda.

Dengan kata lain, tegangan anoda katoda VA-K adalah negatif (VA-K < 0).

Gambar 15 menunjukkan dioda diberi bias mundur.

Karena pada ujung anoda (A) yang berupa bahan tipe p diberi

tegangan negatif, maka hole-hole (pembawa mayoritas) akan tertarik ke

kutup negatif baterai menjauhi persambungan. Demikian juga karena pada

ujung katoda (K) yang berupa bahan tipe n diberi tegangan positip, maka

elektron-elektron (pembawa mayoritas) akan tertarik ke kutup positip

baterai menjauhi persambungan. Sehingga daerah pengosongan semakin

lebar, dan arus yang disebabkan oleh pembawa mayoritas tidak ada yang

mengalir.

Gambar 16. Dioda Diberi Bias Mundur - - - - - - - - + ₊ + + + + + + + - + + + + - - - - daerah pengosongan

tipe p tipe n

+ + + + - - - -

A K

- +

A K

Sedangkan pembawa minoritas yang berupa elektron (pada bahan

tipe p) dan hole (pada bahan tipe n) akan berkombinasi sehingga mengalir

arus jenuh mundur (reverse saturation current) atau Is. Arus ini dikatakan

jenuh karena dengan cepat mencapai harga maksimum tanpa dipengaruhi

besarnya tegangan baterai. Besarnya arus ini dipengaruhi oleh temperatur.

Makin tinggi temperatur, makin besar harga Is. Pada suhu ruang, besarnya

Is ini dalam skala mikro-amper untuk dioda germanium, dan dalam skala

nano-amper untuk dioda silikon.

c. Bias Maju (Foward Bias)

Apabila tegangan positip baterai dihubungkan ke terminal Anoda

(A) dan negatifnya ke terminal katoda (K), maka dioda disebut

mendapatkan bias maju (foward bias). Dengan demikian VA-K adalah

positip atau VA-K > 0. Gambar 16 menunjukan dioda diberi bias maju.

Dengan pemberian polaritas tegangan seperti pada Gambar 11, yakni

VA-K positip, maka pembawa mayoritas dari bahan tipe p (hole) akan

tertarik oleh kutup negatif baterai melewati persambungan dan

berkombinasi dengan elektron (pembawa mayoritas bahan tipe n).

Demikian juga elektronnya akan tertarik oleh kutup positip baterai untuk

melewati persambungan. Oleh karena itu daerah pengosongan terlihat

semakin menyempit pada saat dioda diberi bias maju. Dan arus dioda

yang disebabkan oleh pembawa mayoritas akan mengalir, yaitu ID.

Gambar 17. Dioda Diberi Bias Maju - - - - - - - - + + + + + + + + + - daerah pengosongan

tipe p tipe n

+ + + - - -

A K

- +

A K

Sedangkan pembawa minoritas dari bahan tipe p (elektron) dan dari

bahan tipe n (hole) akan berkombinasi dan menghasilkan Is. Arah Is dan

ID adalah berlawanan. Namun karena Is jauh lebih kecil dari pada ID,

maka secara praktis besarnya arus yang mengalir pada dioda ditentukan

oleh ID.

d. Kurva Karakteristik Dioda

Hubungan antara besarnya arus yang mengalir melalui dioda dengan

tegangan VA-K dapat dilihat pada kurva karakteristik dioda (Gambar 17).

Gambar 17 menunjukan dua macam kurva, yakni dioda germanium

(Ge) dan dioda silikon (Si). Pada saat dioda diberi bias maju, yakni bila

VA-K positip, maka arus ID akan naik dengan cepat setelah VA-K

mencapai tegangan cut-in (V_). Tegangan cut-in (V_) ini kira-kira sebesar 0.2 Volt untuk dioda germanium dan 0.6 Volt untuk dioda silikon.

Dengan pemberian tegangan baterai sebesar ini, maka potensial

penghalang (barrier potential) pada persambungan akan teratasi, sehingga

arus dioda mulai mengalir dengan cepat.

ID (mA)

Ge Si

Si Ge

VA-K (Volt) Is(Si)=10nA

Is(Ge)=1A

0.2 0.6

Bagian kiri bawah dari grafik pada Gambar 17 merupakan kurva

karakteristik dioda saat mendapatkan bias mundur. Disini juga terdapat

dua kurva, yaitu untuk dioda germanium dan silikon. Besarnya arus jenuh

mundur (reverse saturation current) Is untuk dioda germanium adalah

dalam orde mikro amper dalam contoh ini adalah 1 A. Sedangkan untuk

dioda silikon Is adalah dalam orde nano amper dalam hal ini adalah 10 nA.

Apabila tegangan VA-K yang berpolaritas negatif tersebut dinaikkan

terus, maka suatu saat akan mencapai tegangan patah (break-down)

dimana arus Is akan naik dengan tiba-tiba. Pada saat mencapai tegangan

break-down 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 dioda biasa pencapaian

tegangan break-down ini selalu dihindari karena dioda bisa rusak.

Hubungan arus dioda (ID) dengan tegangan dioda (VD) dapat

dinyatakan dalam persamaan matematis yang dikembangkan oleh W.

Shockley, yaitu:

keterangan:

Id = arus dioda (amper)

Is = arus jenuh mundur (amper)

e = bilangan natural, 2.71828...

VD = beda tegangan pada dioda (volt)

n = konstanta, 1 untuk Ge; dan  2 untuk Si

VT = tegangan ekivalen temperatur (volt)

Harga Is suatu dioda dipengaruhi oleh temperatur, tingkat doping

dan geometri dioda. Dan konstanta n tergantung pada sifat konstruksi dan

�� = �

�

keterangan:

k = konstanta Boltzmann, 1.381 x 10-23 J/K

(J/K artinya joule per derajat kelvin)

T = temperatur mutlak (kelvin)

q = muatan sebuah elektron, 1.602 x 10-19 C

Pada temperatur ruang, 25 oC atau 273 + 25 = 298 K, dapat dihitung

besarnya VT yaitu:

(1.381 x 10-23 J/K)(298K)

VT = 

1.602 x 10-19 C

= 0.02569 J/C

 26 mV

Harga VT adalah 26 mV.

Sebagaimana telah disebutkan bahwa arus jenuh mundur, Is,

dipengaruhi oleh beberapa faktor seperti: doping, persambungan, dan

temperatur. Namun karena dalam pemakaian suatu komponen dioda,

faktor doping dan persambungan adalah tetap, maka yang perlu mendapat

perhatian serius adalah pengaruh temperatur.

5. Penggunaan Dioda Semikonduktor

a. Penyearah Setengah Gelombang

Dioda semikonduktor banyak digunakan sebagai penyearah.

Penyearah yang paling sederhana adalah penyearah setengah gelombang,

setengah gelombang saja yang akan disearahkan. Gambar 18 menunjukkan

rangkaian penyearah setengah gelombang.

Rangkaian penyearah setengah gelombang mendapat masukan dari

skunder trafo yang berupa sinyal ac berbentuk sinus, vi = Vm Sin t

(Gambar 18 (b)). Dari persamaan tersebut, Vm merupakan tegangan

puncak atau tegangan maksimum. Harga Vm ini hanya bisa diukur dengan

CRO yakni dengan melihat langsung pada gelombangnya. Sedangkan

pada umumnya harga yang tercantum pada skunder trafo adalah tegangan

efektif. Hubungan antara tegangan puncap Vm dengan tegangan efektif

(Veff) atau tegangan rms (Vrms) adalah:

Tegangan (arus) efektif atau rms (root-mean-square) adalah tegangan

(arus) yang terukur oleh voltmeter (amper-meter). Karena harga Vm pada

umumnya jauh lebih besar dari pada V (tegangan cut-in dioda), maka

pada pembahasan penyearah ini V diabaikan.

Prinsip kerja penyearah setengah gelombang adalah bahwa pada saat

sinyal input berupa siklus positip maka dioda mendapat bias maju

sehingga arus (i) mengalir ke beban (RL), dan sebaliknya bila sinyal input

berupa siklus negatif maka dioda mendapat bias mundur sehingga tidak

mengalir arus. Bentuk gelombang tegangan input (vi) ditunjukkan pada (b)

dan arus beban (i) pada (c) dari Gambar 19. Vm

V_eff = V_rms=  = 0.707 Vm

Arus dioda yang mengalir melalui beban RL (i) dinyatakan dengan:

.

Resistansi dioda pada saat ON (mendapat bias maju) adalah Rf, yang

umumnya nilainya lebih kecil dari RL. Pada saat dioda OFF (mendapat

bias mundur) resistansinya besar sekali atau dalam pembahasan ini

dianggap tidak terhigga, sehingga arus dioda tidak mengalir atau i = 0.

Arus yang mengalir ke beban (i) terlihat pada Gambar (c) bentuknya

sudah searah (satu arah) yaitu positip semua. Apabila arah dioda dibalik,

maka arus yang mengalir adalah negatif. Frekuensi sinyal keluaran dari

Vm

Im =  R_f + R_L

v_i i RL

v_d

masukan sinyal ac

(a)

Gambar 19. Penyearah Setengah Gelombang (a) Rangkaian; (b) Tegangan Skunder Trafo; (c) Arus Beban

vi

0  2

Vm

(b)

0  2

i

Im I_dc

(c)

penyearah setengah gelombang ini adalah sama dengan frekuensi input

(dari jala-jala listrik) yaitu 50 Hz. Karena jarak dari puncak satu ke

puncak berikutnya adalah sama.

Bila diperhatikan meskipun sinyal keluaran masih berbentuk

gelombang, namun arah gelombangnya adalah sama, yaitu positip

(Gambar c). Berarti harga rata-ratanya tidak lagi nol seperti halnya arus

bolak-balik, namun ada suatu harga tertentu. Arus rata-rata ini (Idc) secara

matematis bisa dinyatakan:

� = 1

2� �

2�

0

��

Untuk penyearah setengah gelombang diperoleh:

� = 1

2� �

�

0

��

� = �

� = �, 318 �

Tegangan keluaran dc berupa turun tegangan dc pada beban adalah:

Vdc = Idc.RL

� =� .�

�

Karena harga tahanan dalam Rf jauh lebih kecil dari RL, yang berarti

pengaruh Rf dapat ditiadakan, sehingga:

Vm = Im.RL

Sehingga:

� = �

� = �, 318 �

Apabila penyearah bekerja pada tegangan Vm yang kecil, untuk

memperoleh hasil yang lebih teliti, maka tegangan cut-in dioda (V) perlu

dipertimbangkan, yaitu:

� = �

Dalam perencanaan rangkaian penyearah yang juga penting untuk

diketahui adalah berapa tegangan maksimum yang boleh diberikan pada

dioda. Tegangan maksimum yang harus ditahan oleh dioda ini sering

disebut dengan istilah PIV (peak-inverse voltage) atau tegangan puncak

balik. Hal ini karena pada saat dioda mendapat bias mundur (balik) maka

tidak arus yang mengalir dan semua tegangan dari skunder trafo berada

pada dioda. Bentuk gelombang dari sinyal pada dioda dapat dilihat pada

Gambar 19. PIV untuk penyearah setengah gelombang ini adalah ��� =

� .

Bentuk gelombang sinyal pada dioda seperti Gambar 19 dengan

anggapan bahwa Rf dioda diabaikan, karena nilainya kecil sekali

dibanding RL. Sehingga pada saat siklus positip dimana dioda sedang ON

(mendapat bias maju), terlihat turun tegangannya adalah nol. Sedangkan

saat siklus negatif, dioda sedang OFF (mendapat bias mundur) sehingga

tegangan puncak dari skunder trafo (Vm) semuanya berada pada dioda.

b.

Penyearah Gelombang Penuh Dengan Trafo CT

Rangkaian penyearah gelombang penuh ada dua macam, yaitu

dengan menggunakan trafo CT (center-tap = tap tengah) dan dengan

sistem jembatan. Gambar 20 menunjukkan rangkaian penyearah

gelombang penuh dengan menggunaka trafo CT.

Terminal skunder dari Trafo CT mengeluarkan dua buah tegangan

titik tengahnya. Kedua keluaran ini masing-masing dihubungkan ke D1

dan D2, sehingga saat D1 mendapat sinyal siklus

positip maka D1 mendapat sinyal siklus negatif, dan sebaliknya.

Dengan demikian D1 dan D2 hidupnya bergantian. Namun karena arus i1

dan i2 melewati tahanan beban (RL) dengan arah yang sama, maka iL

menjadi satu arah (20 c).

i₁

R_L

i₂

masukan sinyal ac

Vi

Vi

D1

D2

i_L

V_L

Gambar 21. (a) Rangkaian Penyearah Gelombang Penuh dengan Trafo CT; (b) Sinyal Input; (c) Arus Dioda dan Arus Beban

0  2 i1

Im

0  2 i2

Im

iL

Im

0  2 Idc

(c) (a)

(b)

vi

0  2

Terlihat dengan jelas bahwa rangkaian penyearah gelombang penuh

ini merupakan gabungan dua buah penyearah setengah gelombang yang

hidupnya bergantian setiap setengah siklus. Sehingga arus maupun

tegangan rata-ratanya adalah dua kali dari penyearah setengah gelombang.

Dengan cara penurunan yang sama, maka diperoleh:

� = 2�

� = 0,636 �

dan

� = � .� = 2 � .�

�

Apabila harga Rf jauh lebih kecil dari RL, maka Rf bisa diabaikan,

sehingga:

� = 2�

� = 0,636 �

Apabila penyearah bekerja pada tegangan Vm yang kecil, untuk

memperoleh hasil yang lebih teliti, maka tegangan cut-in dioda (V) perlu

dipertimbangkan, yaitu:

� = 0,636 (� − ��)

Tegangan puncak inverse yang dirasakan oleh dioda adalah sebesar

2Vm. Misalnya pada saat siklus positip, dimana D1 sedang hidup (ON)

dan D2 sedang mati (OFF), maka jumlah tegangan yang berada pada dioda

D2 yang sedang OFF tersebut adalah dua kali dari tegangan skunder trafo.

Sehingga PIV untuk masing-masing dioda dalam rangkaian penyearah

dengan trafo CT adalah PIV=2 Vm

c. Penyearah Gelombang Penuh Sistem Jembatan

Penyearah gelombang penuh dengan sistem jembatan ini bisa

menggunakan sembarang trafo baik yang CT maupun yang biasa, atau

bahkan bisa juga tanpa menggunakan trafo. rangkaian dasarnya adalah

Prinsip kerja rangkaian penyearah gelombang penuh sistem jembatan

dapat dijelaskan melalui Gambar 21. Pada saat rangkaian jembatan

mendapatkan bagian positip dari siklus sinyal ac, maka (Gambar 21b):

- D1 dan D3 hidup (ON), karena mendapat bias maju

- D2 dan D4 mati (OFF), karena mendapat bias mundur

Sehingga arus i1 mengalir melalui D1, RL, dan D3.

Sedangkan apabila jembatan memperoleh bagian siklus negatif,

maka (Gambar 21 c):

- D2 dan D4 hidup (ON), karena mendapat bias maju

- D1 dan D3 mati (OFF), karena mendapat bias mundur

Sehingga arus i2 mengalir melalui D2, RL, dan D4.

Arah arus i1 dan i2 yang melewati RL sebagaimana terlihat pada

Gambar 21 b dan c adalah sama, yaitu dari ujung atas RL menuju ground.

Dengan demikian arus yang mengalir ke beban (iL) merupakan

penjumlahan dari dua arus i1 dan i2, dengan menempati paruh waktu

masing-masing (Gambar 21 d).

Besarnya arus rata-rata pada beban adalah sama seperti penyearah

gelombang penuh dengan trafo CT, yaitu: Idc = 2Im/ = 0.636 Im. Untuk

harga Vdc dengan memperhitungkan harga V adalah:

� = 0,636(� −2��)

Harga 2V ini diperoleh karena pada setiap siklus terdapat dua buah

dioda yang berhubungan secara seri.

Disamping harga 2V ini, perbedaan lainnya dibanding dengan trafo

CT adalah harga PIV. Pada penyearah gelombang penuh dengan sistem

jembatan ini PIV masing-masing dioda adalah:

��� = ��

6. Dioda Semikonduktor Sebagai Pemotong (clipper)

Rangkaian clipper (pemotong) digunakan untuk memotong atau

menghilangkan sebagian sinyal masukan yang berada di bawah atau di atas

level tertentu. Contoh sederhana dari rangkaian clipper adalah penyearah

setengah gelombang. Rangkaian ini memotong atau menghilangkan

sebagian sinyal masukan di atas atau di bawah level nol.

Secara umum rangkaian clipper dapat digolongkan menjadi dua,

yaitu: seri dan paralel. Rangkaian clipper seri berarti diodanya

berhubungan secara seri dengan beban, sedangkan clipper paralel berarti

diodanya dipasang paralel dengan beban. Sedangkan untuk

masing-masing jenis tersebut dibagi menjadi clipper negatif (pemotong bagian

negatif) dan clipper positip (pemotong bagian positip). Dalam analisa ini

Petunjuk untuk menganalisa rangkaian clipper seri adalah sebagai

berikut:

a) Perhatikan arah diode.

- Bila arah dioda ke kanan, maka bagian positip dari sinyal input

akan dilewatkan, dan bagian negatif akan dipotong (berarti clipper

negatif).

- bila arah dioda ke kiri, maka bagian negatif dari sinyal input akan

dilewatkan, dan bagian positip akan dipotong (berarti clipper

positip)

b) Perhatikan polaritas baterai (bila ada)

c) Gambarlah sinyal output dengan sumbu nol pada level baterai (yang

sudah ditentukan pada langkah 2 di atas)

d) Batas pemotoyngan sinyal adalah pada sumbu nol semula (sesuai

dengan sinyal input)

Rangkaian clipper seri positip adalah seperti Gambar 22 dan

rangkaian clipper seri negatif adalah Gambar 23.

VB

Vi Vo

D

R L

v_i

Vm

m -VB

v_O

VB

Vi Vo

D

R L

+V B

v_O

Petunjuk untuk menganalisa rangkaian clipper paralel adalah sebagai

berikut:

1. Perhatikan arah dioda.

- bila arah dioda ke bawah, maka bagian positip dari sinyal input akan

dipotong (berarti clipper positip)

- bila arah dioda ke atas, maka bagian negatif dari sinyal input akan

dipotong (berarti clipper negatif)

2. Perhatikan polaritas baterai (bila ada).

3. Gambarlah sinyal output dengan sumbu nol sesuai dengan input.

4. Batas pemotongan sinyal adalah pada level baterai.

Rangkaian clipper paralel positip adalah seperti Gambar 25 dan

rangkaian clipper paralel negatif adalah Gambar 26. VB

Vi Vo

D

R L

VB

Vi Vo

D

R L

v_O

-VB

v_O

+VB

Gambar 24. Rangkaian Clipper Seri Negatip

v_i

v_i

Vm m

+V B

v_O

R

VB

Vi Vo

D

v_i

Vm m

R

VB

Vi Vo

D

R

VB

Vi Vo

D +V

B

v_O

-VB

v_O

Gambar 26 Rangkaian Clipper Paralel Negatip R

VB

Vi Vo

D

-VB

v_O

7. Dioda Semikonduktor Sebagai Penggeser (clamper)

Rangkaian Clamper (penggeser) digunakan untuk menggeser suatu

sinyal ke level dc yang lain. Rangkain Clamper 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. Dalam analisa ini

dianggap didodanya adalah ideal.

Sebuah rangkaian clamper sederhana (tanpa baterai) terdiri atas

sebuah R, D, dan C terlihat pada Gambar 26.

Gambar 26 (a) adalah gelombang kotak yang menjadi sinyal input

rangkaian clamper (b). Pada saat 0 - T/2 sinyal input adalah positip sebesar vi

+V

0 T/2 T

-V

C

D R

Vi Vo

Vo

0 T/2 T

-2V

C + -

R +

V -

Vo

C + -

R -

V +

Vo

(a) (b) (c)

(d) (e)

+V, sehingga Dioda menghantar (ON). Kapasitor mengisi muatan dengan

cepat melalui tahanan dioda yang rendah (seperti hubung singkat, karena

dioda ideal). Pada saat ini sinyal output pada R adalah nol (Gambar d).

Kemudian saat T/2 - T sinyal input berubah ke negatif, sehingga dioda

tidak menghantar (OFF) (Gambar e). Kapasitor membuang muatan sangat

lambat, karena RC dibuat cukup lama. Sehingga pengosongan tegangan ini

tidak berarti dibanding dengan sinyal output. Sinyal output merupakan

penjumlahan tegangan input -V dan tegangan pada kapasitor -V, yaitu sebesar

-2V (Gambar c). Terlihat pada Gambar 26 c bahwa sinyal output merupakan

bentuk gelombang kontak (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. Disamping

itu arah penggeseran juga bisa dinuat kearah positip dengan cara membalik

arah dioda. Beberapa rangkaian clamper negatif dan positip dapat dilihat

pada Gambar 27.

Gambar 28. Rangkaian Clamper Negatip dan Positip C

D R

Vi Vo

V B

Vo

0 T/2 T

2V V

B

C

D R

Vi Vo

V B

Vo

2V 0 T/2 T

8. Transistor dan Penggunaannya

Transistor merupakan peralatan yang mempunyai 3 lapis N-P-N atau

P-N-P. Dalam rentang operasi, arus kolektor IC merupakan fungsi dari arus

basis IB. Perubahan pada arus basis IB memberikan perubahan yang diperkuat

pada arus kolektor untuk tegangan emitor-kolektor VCE yang diberikan.

Perbandingan kedua arus ini dalam orde 15 sampai 100.

Simbol untuk transistor dapat dilihat pada Gambar 28a dan Gambar

28b. berikut ini.

Gambar 29a. dan 29b. Simbol Transistor Daya

Sedangkan karakteristik transistor dapat digambarkan seperti gambar

berikut ini.

Salah satu cara pemberian tegangan kerja dari transistor dapat

dilakukan seperti pada Gambar 30. Jika digunakan untuk jenis NPN, maka

tegangan Vcc-nya positif, sedangkan untuk jenis PNP tegangannya negatif.

Gambar 31. Rangkaian Transistor

Arus Ib (misalnya Ib1) yang diberikan dengan mengatur Vb akan

memberikan titik kerja pada transistor. Pada saat itu transistor akan

menghasilkan arus collector (Ic) sebesar Ic dan tegangan Vce sebcsar Vce1.

Titik Q (titik kerja transistor) dapat diperoleh dari persamaan sebagai berikut :

Persamaan garis beban = Y = Vce = Vcc – Ic x RL

Jadi untuk Ic = 0, maka Vce = Vcc dan

untuk Vce = 0, maka diperoleh Ic = Vcc/RL

Apabila harga-harga untuk Ic dan Ice sudah diperoleh, maka dengan

menggunakan karakteristik transistor yang bersangkutan, akan diperoleh titik

kerja transistor atau titik Q.

Pada umumnya transistor berfungsi sebagai suatu switching (kontak

on-off). Adapun kerja transistor yang berfungsi sebagai switching ini, selalu

berada pada daerah jenuh (saturasi) dan daerah cut off (bagian yang diarsir

pada Gambar 24). Transistor dapat bekerja pada daerah jenuh dan daerah cut

off-nya, dengan cara melakukan pengaturan tegangan Vb dan rangkaian pada

on-off yang bergantian dengan periode tertentu, dapat dilakukan dengan

memberikan tegangan Vb yang berupa pulsa, seperti pada Gambar 31.

Gambar 32. Pulsa Trigger dan Tegangan Output Vce

Apabila Vb = 0, maka transistor off (cut off), sedangkan apabila

Vb=V1 dan dengan mengatur Rb dan R1 sedemikian rupa, sehingga

menghasilkan arus Ib yang akan menyebabkan transistor dalam keadaan

jenuh. Pada keadaan ini Vce adalah kira-kira sama dengan nol (Vsat = 0.2

volt). Bentuk output Vce yang terjadi pada Gambar 31. apabila dijelaskan

adalah sebagai berikut (lihat Gambar 31 dan Gambar 32) :

1. Pada kondisi Vb = 0, harga Ic = 0, dan berdasarkan persamaan loop :

Vcc+ IcR1 + Vce= 0, dihasilkan Vce= +Vcc

2. Pada kondisi Vb = V1, harga Vce= 0 dan Iv = I saturasi

Untuk mendapatkan arus Ic, (I saturasi) yang cukup besar pada

rangkaian switching ini, umumnya RL didisain sedemikian rupa sehingga RL

LEMBAR LATIHAN

1. Jelaskan pengertian dari bahan semikonduktor!

2. Apa arti dari elektron valensi?

3. Apa yang dimaksud dengan semikonduktor intrinsik?

4. Sebutkan beberapa contoh semikonduktor bervalensi tiga!

5. Bagaimanakah rumus mencari harga reaktansi induktif (XL) ?

6. Bagaimankah rumus mencari harga impedansi (Z) ?

7. Suatu induktor diberi sumber tegangan AC 100 Volt, arus yang mengalir

1 Ampere, jika diukur dengan Ohmmeter, induktor tersebut berharga 99

. Jika frekuensi sumber 50 Hz, berapakah kapasitas induktansi L.? 8. Apa arti kode warna resistor 5 gelang.?

9. Apa arti kode warna resistor 4 gelang.?

10. Apa arti kode 82 k  5% 9132 W pada resistor.?

11. Apa arti kode 5 W 22 R J pada resistor.?

12. Apa arti kode pada kapasitor: 562 J 100 V?

13. Apa arti kode pada kapasitor: 100 nJ?

14. Apa arti kode pada kapasitor: 10 F 50 V?

15. Apa arti kode pada kapasitor: 104 k 100 V?

16. Bagaimana dioda semikonduktor dibentuk?

17. Bagaimana arus pada dioda yang diberi bias mundur?

18. Bagaimana arus pada dioda yang diberi bias maju?

19. Sebutkan macam-macam penggunaan dioda semikonduktor !

20. Jelaskan prinsip kerja penyearah setengah gelombang !

21. Jelaskan prinsip kerja penyearah gelombang penuh dengan

trafo CT!

22. Jelaskan prinsip kerja penyearah gelombang penuh sistem

DAFTAR PUSTAKA

Boylestad and Nashelsky. (1992). Electronic Devices and Circuit Theory, 5th ed.

Engelwood Cliffs, NJ: Prentice-Hall, Inc.

Floyd, T. (1991). Electric Circuits Fundamentals. New York: Merrill Publishing

Co.

Herman DS. (1996). Elektronika: Teori dan Penerapan. Yogyakarta: FPTK IKIP

Yogyakarta.

Malvino, A.P. (1993). Electronic Principles 5th Edition. Singapore:

McGraw-Hill, Inc.

Milman & Halkias. (1972). Integrated Electronics: Analog and Digital Circuits

and Systems. Tokyo: McGraw-Hill, Inc.

Savant, Roden, and Carpenter. (1987). Electronic Circuit Design: An Engineering

Approach. Menlo Park, CA: The Benjamin/Cummings Publishing

Company, Inc.

Stephen, F. (1990). Integrated devices: discrete and integrated. Englewood Cliffs,

A. Objektif

1. Mendeskripsikan konsep rangkaian listrik 2. Menganalisis rangkaian listrik arus searah 3. Menganalisis rangkaian listrik arus bolak-balik 4. Menganalisis rangkaian kemagnetan

B. Uraian Materi

1.Dasar Listrik Arus Bolak Balik (AC) a. Tegangan dan Arus Listrik Bolak-Balik

Arus bolak-balik (AC/alternating current) adalah arus listrik dimana besarnya dan arahnya arus berubah-ubah secara bolak-balik. Berbeda dengan arus searah dimana arah arus yang mengalir tidak berubah-ubah dengan waktu. Bentuk gelombang dari listrik arus bolak-balik biasanya berbentuk gelombang sinusoida, karena ini yang memungkinkan pengaliran energi yang paling efisien. Suatu bentuk gelombang tegangan listrik olak-balik dapat digambarkan seperti pada gambar 1 di bawah ini.

Gambar 33. Bentuk Gelombang Tegangan Listrik Bolak-Balik.

Pesamaan tegangan sesaat

t

V

t

T

V

ft

V

v

_m

sin

2

π

_m

sin

2

π



=

_m

sin

ω











=

=

Dimana

v = Tegangan sesaat Vm = Tegangan Maksimum

ƒ = Frekuensi = 1/t (Hz)

T = Periode = waktu untuk satu gelombang

ω = kecepatan sudut = 2πƒ = 2π/T = radian perdetik.

Frekuensi dalam listrik AC merupakan banyaknya gelombang yang terjadi dalam satu detik. Jika waktu yang diperlukan oleh satu gelombang disebut periode (T) maka.

T

f

=

1

atau

f

T

=

1

jika generator mempunyai P kutub dan berputar sebanyak N kali dalam satu menit, maka frekuensi mempunyi persamaan

120

PN

f

=

P = Jumlah kutub generator

N = Jumlah putaran permenit (rpm).

b. Sudut Fase dan Beda Fase

c. Tegangan Efektif dan Arus Efektif

Tegangan listrik arus bolak – balik yang diukur dengan multimeter menunjukan nilai tegangan efektif. Nilai tegangan dan arus efektif pada arus bolak – balik menunjukan gejala yang sama seperti panas yang timbul jika dilewati arus searah :

2

Maksimum Tegangan

Efektif = Tegangan

= 0.707 Tegangan Maksimum Ief

= 2 mak I

= 0.707 Imax

d. Respon Elemen

1) Resistor dalam arus bolak – balik.

Rangkaian yang terdiri dari sebuah sumber tegangan bolak– baliik dan sebuah resistor seperti Gambar 2 di bawah

Gambar 34. Rangkaian R, Bentuk Phasor, dan Bentuk Gelombang Pada AC

V = Vm Sin ωt i = Im Sin ωt

VR IR

V = Vm Sin ωt ~

Persamaan tegangan sumber V(t) = Vm Sin ωt

Persamaan tegangan pada Resistor R v = i R

v = tegangan sesaat i = arus sesaat R = resistansi

Sehingga i =

R t

ω

Sin Vm

i = Im Sin ωt

Pada beban resistor murni tegangan dan arus mempunyai fasa sama

(sefase).

Daya sesaat ( p )

P = vi = Vm Sin ωt .Im Sin ωt = Vm Im Sin 2ωt

= (1-Cos2 t )

2 Im Vm ω = 2 t 2 Cos Im Vm -2 Im Vm ω

Untuk satu gelombang nilai rata – rata

0 t 2 Cos 2 Im Vm = ω Sehingga daya P = 2 Im x 2 Vm 2 Im Vm ₌

P = V I watt

V = Tegangan Efektif

I = Arus Efektif

Bila tegangan bolak – balik dipasang pada induktor murni

seperti, maka induktor menghasilkan ggl yang melawan sumber yang

besarnya

V = L dt di

L

Gambar 35. Rangkaian L dan Bentuk Pashor Pada AC.

Tegangan Sumber

v = Vm Sin ωt

sehingga:

Vm Sin ωt = L dt di ) 2 t ( Sin L Vm i ) t Cos ( L Vm i t Sin L Vm i dt t Sin L Vm di π − ω ω = ω − ω = ω = ω =

∫

Arus sesaat ( i ) maksimum Im = L Vm

ω jika Sin( t -2)

π

ω mempunyai

nilai 1maka persamaan arus pada Induktor menjadi

I = Im )

2 -t (

Sin ω π

VL

IL

~

Arus ketinggalan dengan sudut 2

π

atau 90o .

Daya Sesaat:

Bentuk gelombang tegangan dan arus pada induktor dapat

dilihat dalam Gambar 4 berikut ini.

Gambar 36. Bentuk Gelombang Tegangan dan Arus Pada Induktor

P = vi

= Vm Im Sin ωt )

2 -t (

Sin ω π

p = daya sesaat

Daya Untuk seluruh siklus

P = - Sin2 tdt 0

2 Im

Vm 2

0

= ω

∫

π

Dari persamaan di atas dapat dijelaskan bahwa induktor murni

tidak menyerap daya listrik hanya menyimpan energi listrik sesaat

dalam jumlah terbatas.

3) Kapasitor dalam arus bolak – balik

Rangkaian yang terdiri dari sebuah sumber tegangan bolak –

baliik dan sebuah kapasitor seperti Gambar 5 di bawah. V = Vm Sin ωt

I = Im )

2 -t (

IC

VC

Gambar 37. Rangkaian C dan Bentuk Phasor Pada AC

Tegangan sumber mempunyai persamaan

v = Vm Sinωt

Muatan pada kapasitor

q = Cv

q = Muatan pada plat kapasitor

C = Kapasitansi kapasitor

V = Beda potensial/tegangan

Persamaan Arus ) 2 t ( Sin Im i ) 2 t ( Sin C 1/ Vm t Cos Vm C dt t sin dCvVm dt dCv dt dq i π + ω = π + ω ω = ω ω = ω = = =

Dari persamaan tersebut terlihat bahwa arus mendahului

tegangan dengan sudut 2

π

atau 900

Daya:

Daya sesaat pada kapasitor ( p )

P = vi i

= Vm Sinωt ) 2 t ( Sin

Im ω + π

= Vm Im Sinωt 158,2 400 Z V fase fase ₌ = 2 1

Vm Im Sinωt daya untuk seluruh siklus

P = 2 1

Vm Im Sin2 tdt 0 2

0

= ω

∫

π

Dari persamaan di atas dapat dilihat bahwa kapasitor tidak

menyerap daya listrik

Karakteristik tegangan dan arus dari ketiga elemen pasif

tersebut dapat dilihat dalam Tabel 1 berikut .

Tabel 1. Karakteristik tegangan dan arus R, L, dan C

Elemen Sudut fasa arus

Dan tegangan

Diagram Impedansi

R

L

C

Sefasa (sama fasa)

Arus tertinggal 900 atau

½ π

Arus mendahului

tegangan 900 atau ½ π

R

XL= ωL = 2π

XC = π = ω 2 1 C 1

B A

φ

V = Vm Sin ωt

i = Im Sin ωt

π

2

i

π 2

2.Rangkaian Seri Arus Bolak Balik Beban Resistor dan Induktor

Sebuah resistor R ohm dan Induktor L henry diseri dan

dihubungkan dengan sebuah sumber tegangan arus bolak – balik seperti

Gambar 6 di bawah ini.

B

O A

Gambar 38. Rangkaian Dengan Beban R dan L

Drop tegangan seperti terlihat pada ∆ OAB . Drop tegangan pada R

= VR digambarkan oleh vektor OA, dan drop tegangan pada L = VL

digambarkan oleh vektor AB. Tegangan Sumber V merupakan jumlah

secara vektor dari VR dan VL

2 L 2 2 L 2 2 L 2 2 L 2 R X R V I X R I ) IX ( ) IR ( V V V V + = + = + = + =

Besaran R2 +X_L2 disebut impedansi ( Z ) dari rangkaian, yaitu :

Z2 = R2 + XL2

Dari gambar di atas terlihat bahwa arus ketinggalan terhadap

teganagn dengan sudut ∅ adalah :

tg∅ =

si tan resis si tan reak R L R X_L = ω = ~

a. Daya (P):

Daya rata-rata yang diserap rangkaian RL merupakan hasil kali V

dengan komponen I yang searah V

P = V I Cos ∅

Cos ∅ disebut faktor daya rangkaian

Daya = Volt Ampere (VA) x Faktor Daya

Watt = VA x Cos ∅

Jika daya dala kilowatt maka

KW = K VA x Cos ∅

P = VI Cos ∅ = VI x (R/Z)

= V/2 x I x P

= I2 R

P = I2 R watt

b. FAKTOR DAYA (Pf = Power Faktor)

Faktor daya dapat dirumuskan

1) Kosinus beda fase antara arus dan tegangan.

2)

Z R impedansi resistansi

=

3)

kVA kW VA

W Ampere .

Volt

watt _{= =}

Sehingga

Pf = Cos ∅ =

kVA kW VA

W Z

R _{= =}

Jika digambarkan dengan segitiga daya seperti ditunjukkan oleh

Gambar 9 berikut ini.

Hubungan ke tiga jenis daya adalah sebagai berikut :

S2 = P2 + Q2

kVA2 = kW2 + k VAR2

kW = kVA Cos ∅

kVAR =k VA Sin ∅

c. Beban Resistor dan Kapasitor

Sebuah resistor R dan kapasitor C dihubungkan seri dan diberi

tegangan bolak-balik, seperti ditunjukkan oleh gambar 10.

R C

V

Gambar 40. Rangkaian RC Seri dan Diagram Phasornya.

VR = I R = drop tegangan pada R (fasa sama dengan nol).

VC = I XC= drop tegangan pada C (ketinggalan terhadap I dengan

sudut π/2)

XC = reaktansi kapasitif (diberi tanda negatif) karena arah VC

pada sudut negatif Y

~

Z

XC

R

¬

I _VR

VC

I

¬

VR I

2 C 2 2 C 2 2 C 2 2 C 2 R X R V I X R I ) IX ( (IR) V V V V + = + = − + = + =

Z2 = R2 + XC2 disebut impedensi rangkaian.

Dari gambar di atas terlihat bahwa I mendahului V dengan sudut ¬

di mana

tg ¬ = R X

- C

Jika tegangan sumber dinyatakan dengan

V = Vm Sinωt

Maka arus dalam rangkaian R – C seri dapat dinyatakan dengan

I = Im sin (ωt + ¬ )

d. Beban R – L – C Seri

Sebuah rangkaian seri R-L-C diberi tegangan V seperti Gambar 11di

bawah ini.

Gambar 41. Gambar R-L-C Seri

VR = I R = drop tegangan pada R sefasa dengan arus I

VL = I XL = drop tegangan pada L mendahului I dengan sudut 90 °

VC = I XC = drop tegangan pada C ketinggalan dengan sudut 90 °

V = tegangan sumber yang merupakan jumlah secara vektor

~

I VR

VC

dari VR, VL dan VC, seperti terlihat dalam Gambar 12 berikut ini.

Perhatikan gambar 12 berikut ini.

¬ ¬

Gambar 42. Diagram Phasor Tegangan

V = V_R +(V_L −V_C)2

Z = R2 +(X_L −X_C)2

= R2 +X2

Beda fasa antara tegangan dan arus :

Tg ¬ =

R X R ) X

-(X_{L C}

=

Sedangkan faktor daya :

Cos ¬ =

2 C L 2 ) X (X R R Z R − + =

Jika sumber tegangan diberikan

V = Vm Sinωt

Sehingga arus mempunyai persamaan :

I = Im sin (ωt ±¬ )

Tanda negatif bila arus ketinggalan terhadap tegangan, XL > XC

atau beban bersifat induktif.

XL – XC

VL – VC

VR

-VC

V Z

R

TSaudara positif bila arus mendahului tegangan, XL < XC atau

beban bersifat kapasitif.

e. Resonansi RLC Seri.

Resonansi pada rangkaian RLC seri terjadi jika besarnya reaktansi

sama dengan nol. Hal ini terjadi bila nilai XL = XC. Frekuensi saat

terjadinya resonansi disebut fo, maka :

XL = XC

2πfoL =

foC 2

1

π

fo =

LC 2

1

π

f. Faktor Kualitas ϑϑϑϑ

Faktor kualitas dalam rangkaian seri RLC adalah tegangan

magnetisasi saat rangkaian berresonansi.

Pada saat resonansi, besarnya arus maksimum :

Im = R V

Nilai Tegangan pada induktor atau kapasitor = Im XL

Nilai Tegangan sumber adalah V = Im R

Jadi tegangan magnetisasi dinyatakan sebagai berikut :

R foL 2 R X R I X I _L m L

m = = π

Faktor kualitas ϑ = R foL 2 π

di mana fo =

Faktor kualitas juga dapat didefinisikan dalam bentuk :

ϑ = 2π

perioda 1 dalam diserap yang energi disimpan yang maksimal energi

Sedangkan lebar band :

β =

0 0

ϑ

ω

3.Rangkaian Paralalel Arus Bolak Balik

Dalam rangkaian arus bolak-balik apabila beban dihubungkan paralel

maka untuk menganalisis rangkaian tersebut dapat diselesaikan dengan

beberapa cara, antara lain :

a. Metode Vektor.

Misalkan rangkaian yang terhubung paralel terdiri dari dua cabang

seperti ditunjukkan pada gambar 15 di bawah ini

Gambar 43. Rangkaian AC dengan Beban Terhubung Paralel.

Dari cabang A diperoleh persamaan sebagai berikut :

Z1 = 2L

2

X

R +

I1 =

2 L 2

1 R X

V Z

V

+ =

Cos ∅1 =

1 1

Z R

atau ∅1 = Cos –1(

Dari cabang B diperoleh persamaan :

Z2 = 2L

2

X

R +

I2 =

2 C 2

2 R X

V Z

V

+ =

Cos ∅1 =

2 2

Z R

atau ∅1 = Cos –1(

2 2

Z R

)

Pada cabang A vektor arus tertinggal terhadap tegangan dengan sudut

∅1. Sedang pada cabang B vektor arus mendahului tegangan dengan sudut

∅2 dan arus I merupakan jumlah vektor dari I1 dan dapat dijelaskan dengan menggunakan gambar 16 berikut ini.

Gambar 44. Gambar Vektor Rangkaian RLC Paralel.

Vektor arus I1 dan I2 mempunyai komponen ke sumber X (komponen

aktif) dan komponen ke sumber Y (komponen reaktif).

Jumlah komponen aktif arus I1 dan I2 = I1 Cos ∅1 + I2 Cos ∅2

Jumlah komponen reaktif = I2 Sin ∅2 – I1 Sin ∅1

Sehingga besarnya arus total I dinyatakan dengan persamaan;

I = (I₁CosΦ1+I₂CosΦ₂)2 +(I₂SinΦ2−I₁SinΦ1)2

Sedangkan sudut fase antara vektor tegangan V dan arus I dinyatakan dalam

b. Metode Admitansi.

Model rangkaian seperti gambar 17 dapat dianalisis dengan metode

admintansi sebagai berikut;

Gambar 45. Rangkaian dengan Beban Paralel.

Z1 = 2L

2

1 X

R + Y1 =

1

Z 1

= g₁2 +(−b₁)2

Z2 = 2L2

2

2 X

R + Y1 =

2 Z

1

= g2₂ +(−b₂)2

Z3 = R2+XC2 Y1 =

3 Z

1

1

= g2₃ +(b₃)2

Y = Y1 + Y2 + Y3

Z = Y

1

c. Resonansi Pada Rangkaian Paralel

Jika rangkaian paralel dihubungkan dengan sumber tegangan yang

frekuensinya berubah-ubah, maka pada frekuensi tertentu komponen arus

reaktif jumlahnya akan nol. Pada kondisi ini rangkaian disebut beresonansi.

Perhatikan Gambar 18 berikut ini.

C R1

R2

L1

L2

Gambar 46. Rangkaian RLC Paralel dan Diagram Phasor.

Rangkaian beresonansi saat IC - IL Sin ∅ = 0

IL Sin ∅ = IC

IL =

Z V

Sin ∅

= Z X_L

IC =

C X V Z V x Z X_L = C X V

atau XL x XC = Z2

XL = ωL dan Xc = C 1

ω maka C

L

ω ω

= Z2

R C IC L I I ∅1 IC

I2 Sin∅1 IL

V IL Cos ∅1

∅1

Z

R

C L

= R2 + XL2

= R2 + (2πf0L)2

2πf0 = ₂

2

L R LC

1

− sehingga f0 =

π 2 1 2 2 L R LC 1 −

Jika R diabaikan maka freakuensi resonansi menjadi

f = π = ω 2 1 C 1

sama seperti Resonansi Seri.

4.Rangkaian Tiga Fasa

a.Tegangan dan Arus pada Hubungan Bintang ( Y )

Tegangan sistem tiga fase hubungan bintang terdiri dari empat

terminal salah satunya titik nol. Urutan fase ada yang menyebut RST , a b c ,

atau fase I , II , III. Dalam hubungan bintang sumber tegangan tiga fase

ditunjukkan oleh Gambar 20 di bawah ini.

Gambar 47. Diagram Phasor Sambungan Bintang

Sedangkan VRS = VR - VS

VST = VS - VT

VTR = VT - VR

Disebut dengan tegangan line ( vl )

VL = Vfase x 3

0 L ST 0 L TR 0 L RS 900 V V 150 V V 30 V V ∠ = ∠ = ∠ =

Jika sumber tiga fase hubungan bintang dihubungkan dengan beban

seimbang, sambungan bintang dapat digamabarkan sebagai berikut ( Gambar

21).

Gambar 48. Hubungan Bintang dengan Beban Seimbang

Pada Hubungan Y – Y

VL = Vf x 3 I = If

Pada beban seimbang IR + IS + IT = I N = 0

Daya total L f L f f f I I 3 V V cos I V X 3 P = = φ =

sehingga P = 3V_LV_Lcosφ

b.Arus dan Tegangan pada Sambungan Segitiga ( )

Sambungan segitiga dapat ditunjukkan oleh gambar 22 di bawah.

Gambar 49. Sambungan Segitiga.

Pada sambungan segitiga

Tegangan line = tegangan fase

VL = Vf

Arus line = 3 arus fase

IL = 3 If

Jika beban seimbang besar arus line akan sama

I1 = I2 =I3 =IL

tetapi sudut fase berbeda 1200 listrik.

c.Daya pada sambungan segitiga

Daya setiap fase

φ = V I cos P_{f f f}

Daya total

φ = = = φ = cos I V 3 P maka 3 I I V V karena cos I V x 3 P f f L f L f f f

I1 = IR - IS

I3 = IT – IR

I2 = IS– IT

IT

IR

LATIHAN

1. Hitunglah banyak putaran generator setiap detik bila diketahui sebuah

pembangkit listrik tenaga air ( PLTA ) mempunyai generator dengan 20

kutub, untuk menghasilkan frekuensi 50 Hz !

2. Hitunglah penunjukan voltmeter dari suatu tegangan bolak – balik

gelombang sinus yang menunjukan 200 volt puncak - puncak jika dilihat

CRO !

3. Hitunglah arus yang mengalir pada lampu dan tahanan lampu bila lampu

pijar 220 – 230 volt, 100 watt dipasang pada tegangan 225 volt. !

4. Sebuah kompor listrik 225 volt, 900 watt mempunyai elemen pemanas 5

m. hitunglah arus dan tahanan elemen. Jika elemen pemanas putus,

kemudian disambung sehingga panjangnya menjadi 4,8 m. hitunglah besar

tahanan, arus dan daya kompor yang dipasang pada tegangan 225 volt !

5. Hitunglah arus dan daya yang diserap oleh kapasitor, jika dua buah

kapasitor 60 µF dan 40 µF diseri dan dipasang pada tegangan 220 V, 50

HZ !.

6. Sebuah kumparan mempunyai resistansi 80 Ω dan induktor 0,192 H

dipasang pada tegagan 225 V, 50 H. Hitunglah :

a. Arus yang mengalir

b. Faktor daya

c. Daya aktif, reaktif dan daya semu.

7. Sebuah rangkaian seri jika dihubungkan dengan tegangan 100 V DC

menyerap daya 500 W jika dihubungkan dengan 100 V AC,