BAB 3 SAKLAR ELEKTRONIK DAN MULTIVIBRATOR

3.1 Pendahuluan

Dalam bab-bab yang terdahulu telah dibahas bagaimana transistor

digunakan sebagai komponen aktif dalam suatu penguat. Pada penggunaan

ini transistor diberi panjaran sedemikian rupa sehingga bentuk isyarat

keluaran serupa dengan isyarat masukan dan tegangan keluaran berbanding

lurus (tinier) dengan tegangan masukan. Bila tegangan isyarat masukan

diubah menjadi dua kali lipat, maka tegangan isyarat keluaran juga menjadi

dua kali lipat. Dikatakan transistor bekerja dalam daerah tinier.

Disamping dapat berfungsi sebagai penguat transistor j�uga dapat bekerja

sebagal saklar dimana transistor dibuat agar hanya ada pada dua keadaan

yaitu keadaan saturasi dan keadaan terputus . Pada keadaan saturasi beda

tegangan antara kclektor dan emitor sama dengan not, dan arus yang

mengalir mendekati nilai R (gambar 3.1). Pada keadaan terputus tegangan c

antara kolektor dan emitor sama dengan Vcc dan arus kolektor sama dengan

not. Pada keadaan saturasi transistor dikatakan menghantar (ON) dan pada

keadaan terputus transistor dikatakan padam (OFF).

Gambar 3.1 Sebagai saklar transistor hanya dapat berada pada dua keadaan, yaitu saturasi atau terputus.

39

Saklar transistor hanyalah merupakan satu macam saklar elektronik. Disatu

pihak saklar transistor digunakan dalam multivibrator, yang terdiri dari dua

saklar transistor yang sating berinteraksi. Saklar transistor dalam bentuk

yang tebih umum membentuk pintu-pintu logika (logic gates) yang bersama

multivibrator merupakan komponen-komponen utama dari pada elektronika

digital. Pintu-pintu logika serta multivibrator yang digunakan dalam

elektronika digital adalah berupa IC dengan berbagai skala integrasi. Orang

telah membuat IC digital dengan skala kecil (SSI- Small Scale Integration), dan

skala besar (LSI Large Scale Integration), dan skala amat besar (VLSI -

Very Large Scale Integration).

Pada arah yang lain saklar eiektronik digunakan dalam industri guna

menghantarkan dan memadamkan arus Iistrikk dalam alat-alat berdaya

tinggi. Skalar elektronik ini terutama berupa suatu komponen semikonduktor

yang bernama Silicon Controlled Rectifier (SCR). Komponen ini terbuat dari

bahan semikonduktor p dan n, yang membentuk struktur pnpn, seperti yang

telah kita jumpai pada PUT (Programmable Unijunction Transistor). Piranti

pnpn ini ada banyak macam dan seluruhnya dikenal nama thyristor. Saklar

elektronik yang menggunakan thyristor adalah tulang punggung elektronika

daya dan elektronika industri. Komponen ini kini telah banyak menggantikan

komponen-komponen berupa tabung gas seperti misalnya thyratron.

Satu pemakaian lagi dari pada saklar elektronik adalah sebagai pemotong

(chopper). Pemotong memotong-motong isyarat ac frekuensi rendah atau dc

menjadi pulsa-pulsa. Pengertian pemotong ini digunakan pada berbagai

piranti seperti penguat dc, pengubah tegangan dc menjadi ac (inverter),

integrator boxcar untuk mengolah isyarat, dan akhir-akhir ini sedang

berkembang dengan pesat yaitu regulator saklaran. Yang terakhir ini adalah

suatu Cara regulator tegangan dc, dimana isyarat tegangan dc

dipotong-potong menjadi pulsa-pulsa berfrekuensi tinggi. Rangkaian balikan

pada regulator ini akan mengubah lebar pulsa (modulasi lebar pulsa)

sehingga tegangan dc keluaran tidak berubah dengan arus beban. Regulator

40

sakiaran ini dapat dibuat amat kecil dan mempunyai daya guna (efisiensi)

yang tinggi. Pada bab inl kita mula-mula akan membahas sakiar transistor,

kemudian diikuti dengan uraian tentang pemotong transistor, multivibrator,

IC

timer 555, dan thyristor.

3.2 Saklar transistor

Rangkaian dasar daripada suatu sakiar transistor ditunjukkan pada gambar

3.2a.

V

Vs

V

V

cc

O

Y�rniAtgw jI b^)

1 tT

-I - 'S

V CEwre

(a)

fbwM61

V G CE

(b)

Gambar 3.2 (a) Rangkaian sakiar transistor (b) Karakteristikkeluaran transistor dan garis beban.

Gambar 3.2b menunjukkan karakteristik keiuaran beserta garis bebannya.

Pada rangkainn akan tampak bahwa bila arus basis IB = IBO maka transistor

tepat akan saturasi, Pada keadaan ini beda patensial antara kolektor dan

emittor adalah amat kecil, yaitu sama dengan VCE(sat) arus kolektor yang

mengalir hampir sama dengana" dan hambatan kolektor adalah kebalikan

dari pada kemiringan kurva saturasi dari transistor. Bila arus basis diperbesar

menjadi IB atau IB2 atau Iebih besar lagi, tegangan kolektor (VCE ) dan arus

kolektor Ic tak berubah nilainya, yaitu masing-masing tetap sama dengan

VCE(sat) dan Ri. Inilah mengapa keadaan ini diberi nama keadaan saturasi atau

keadaan jenuh, sebab nilainya tak berubah walaupun arus basis

ditambah terus.

41

Nilai arus basis bergantung kepada tegangan Vs yang digunakan untuk

menghantarkan transistor (membuatnya ON) dan juga kepada hambatan RB

yang dipasang serf dengan basis. Arus basis IB dapat dihitung dari

VS - VBE VS -0,6V/B = RB

_ (3.1)RB

Hubungan antara arus basis dan arus kolektor adalah linier yang berarti arus

kolektor berbanding lurus dengan arus basis kurang dari IBO , yaitu arus

basis yang tepat mengakibatkan keadaan saturasi. Bagian dari garis beban

antara q1 dan q2 pada gambar 3.2 disebut daerah linier. Dapatlah

disimpulkan bahwa pada daerah linier, yaitu

Ic = hFEIB = /3IB (3.2)Pada persamaaan 3.2 tetapan hFE adalah untuk arus dc. Jadi belum tentu

sama dengan parameter hFE untuk isyarat kecil (ac).

Agar Iebih jelas mariiah kita bahas suatu contoh. Kita ingin menggunakan

saklar transistor untuk menyalakan lampu LED. Yang terakhir ini. adalah

suatu diode yang bi!a diberi panjaran maju akan menyala. LED adalah

singkatan dari Light Emitting Diode. LED yang biasa digunakan orang adalah

untuk daerah cahaya tampak, dan digunakan untuk iampu indikator. LED

untuk daerah infra merah juga digunakan pada komunikasi optik melaiui

serat optik. LED terbuat dari bahan semikonduldor galium-arsenida

membentuk sambungan pn, dengan tegangan cut-in kira-kira 1,2 V. LED

akan tampak menyala sedikit terang bila dialiri arus maju (forward) sebesar

10 mA. Bila digunakan arus Iebih besar LED akan menyala Iebih terang lagi.

Satu bentuk saklar transistor untuk menyalakan LED adalah seperti pada

Gambar 3. Tegangan Vcc dan Vs boleh mempunyai nilai berapa saia. Dalam

contoh ini digunakan Vcc = 15 V dan Vs = 5 V. Misalkan kita alirkan arus

kolektor Ic = 10 mA untuk menghantar (agar transistor dalam saturasi).

42

I v mrnyataS

R

tI

(c)

tt2

Gambar 3.3 (a) Saklar transistor untuk menyalakan lampu LED (b) Rangkaian ekulvalen (c) Waktu nyala lampu LED

I - VCC - VD - VCE(sat) (3.3)

C RB + rd

dengan VD adalah tegangan cut-in LED = 1,5 V dan ra adalah hambatan

ekuivalen dc dari LED. Bila VcE(s3t) dan Rd kita abaikan maka

R _ VCr_ - VD - (15 - 1,5)V - 13,5IC 20 mA 20 kK2 = 68052

Selanjutnya misalkan transistor yang kita pasang mempunyai penguatan

arus Pdc = 100, maka

I IC(sat) = 10 mA =Bo = 0,1 mA

)qdC 100

Hambatan RB dapat dihitung dari

VS - VBE VS-0,7VRB (3.4)

IB IB

IB = IBO = 0,1 mA adalah nilai arus IB yang diharapkan tepat akan

menyebabkan transistor menjadi jenuh (saturasi). Agar Iebih pasti kita pilih IB

>> IBO, misalkan IB = 10 IBO = 1 mA. Ini dapat dicapai bila

R _ VS - VBE -VS-0,7V= (5-0,7)V=

B 4,3k52IB IB 1 mA

atau kita pasang RB = 3K9 agar Iebih past) lagi.

43

Contoh lain lagi penggunaan sakiar transistor adalah seperti pada Gambar

3.4. Rangkaian ini adalah untuk alarm pencuri. Saklar S1, S2 dll. adalah

reedswitch yang dipasang pada jendela-jendela secara serf. Bila pencuri

membuka jendela maka salah satu reedswitch akan membuka dan bel akan

berbunyi

Vcc =ioV

220 V acPW

(b)

Garnbar 3.4 (a) Saklar transistor untuk menyalakan relay R. (b)Reedswitch.

Bila semua jendela tertutup maka sakiar S1, S2, ...dst dalam keadaan

tertutup. Akibatnya VBE(Q1) + VBE(Q2)= 0, dan transistor Q, dan Q2 padam

(off) relay tak dialiri arus, dan saklar SR yang ada didalam kotak relay dalam

keadaan terbuka. Saklar ini adalah tipe NO (Normally Open), yang berarti

bila relay R tak dialiri arus, sakiar SR terbuka. Disamping sakiar NO ada juga

saklar NC (Normally Dosed). Redswitch S1, S2 ... .dst juga sakiar NO. Bila

alarm ada dalam keadaan terpasang semua reedswitch S, S2 ...dst. ada

dalam keadaan tertutup. Ini berarti dapat dilakukan dengan memasang

magnet permanen kecil yang dapat di beli di toko besi pada daun jendela. Bila

daun jendela dibuka maka reedswitch yang bersangkutan akan terbuka, sehingga

arus IB masuk kedalam, basis Q1, dan mengalirkan arus kolektor pada relay,

sakiar relay SR menutup dan bel akan berbunyi.

44

Satu contoh lagi pemakaian saklar transistor dilukiskan pada Gambar 3.5.

Rangkaian ini dapat digunakan agar saklar dibuat menghantar bila cahaya

yang jatuh pada R terhalang. Saklar ini dapat digunakan untuk alarm yang

bekerja bila suatu berkas cahaya terhalang oleh orang yang memotongnya.

Gambar 3.5 Saklar peka cahaya.

Pada rangkaian di atas op-arnp 741 bekerja sebagai komparator. Biia cahaya

jatuh pada R, maka ke!uaran op-amp 741 mempunyai tegangan not,

sehingga transistor Q padarn dan relay RL1 tak dialirl arus. Bila cahaya

terhalang maka hambatan R3 naik , sehingga Va naik. Untuk R3 digunakan

LDR ( light dependent resistor ) yang hambatannya turun bila terkena

cabaya. Bila Va > Vb maka keluaran komparator mempunyai tegangan positif

sehingga transistor saturasi, dan arus mengalir dalam kumparan relay,

menutup saklar relay RL1 sehingga bel berbunyi. Bel berbunyl selama cahaya

terhalang menyinari R3 . Untuk membuat agar bel tetap berbunyi walaupun

penghalang sudah berlalu, saklar relay RL2 yang ditutup oleh relay yang

sama, dihubungkan seperti pada Gambar. Dikatakan babwa saklar sensor

kita bersifat latching. Sifat latching ini terjadi oleh karena dengan mengalirnya

arus melalui kumpara, maka relay RL2 tertutup, sehnigga arus dari Vcc

mengalir ke tanah. Walaupun transistor menjadi padam lagi bila penghalang

sudah berlalu arus mengalir malalui RL2 . Saklar S1 bersifat NC (Normally

Connected), dan digunakan untuk mematikan bel bila relay ada dalam

45

keadaan latching (mengunci). Diode D digunakan untuk mencegah terjadinya

ggl induksi pada kumparan relay.

Mungkin anda berfikir bahwa transistor hanya dapat digunakan untuk

menghantarkan arus yang kecil-kecil saja, akan tetapi teknologi

semikonduktor terus berkembang dengan amat pesat. Pada saat ini

perusahaan semikonduktor Motorola telah membuat transistor bipolar

Darlington, yaitu MJ 10500 yang dapat menahan beda petensial 400 V

antara kolektor dan emitor, serta dilewatkan arus hingga 200A. Dipihak lain

perkembangan FET untuk daya tinggi telah menghasilkan transistor dengan

kemampuan tegangan 400 V dan mampu mengalirkan arus 7 A secara

kontinyu. Transistor ini yaitu transistor Hexfet IRF 350, dibuat oleh

perusahaan semikonduktor International Rectifier.

3.3 Transistor pemotong

Pada bagian yang terdahulu kita telah membahas bagaimana transistor

bekerja sebagai saklar, untuk menyalakan lampu LED atau saklar relay.

Seringkali transistor digunakan untuk menghantarkan dan mematikan arus

listrik secara berulang. Dikatakan bahwn transistor bekerja sebagai

pemotong. Isyarat yang dipotong-potong dilukiskan pada gambar 3.6.

Hf}flF x + � I

� � I y x x

x I F ! i i

`

Gambar 3.6 (a) Isyarat pemotong (b) Isyarat keluaran pemotong

46

Pemotccng digunakan pada isyarat penguat dc atau penguat untuk frekuensi

amat re-ndah, misalnya dibawah 1 Hz. Isyarat dc dipatong-potong dahulu,

kemudn cibuatkan searah dan dihaluskan dengan filter.

Pada rrasa kini pemotong digunakan pada regulator saklaran untuk regulasi

catu daya. Pada regulator ini tegangan do dipotong-potong sehingga menjadi

pulsa-pulsa dengan frekwensi tinggi 1000 Hz. Lebar pulsa dapat diatur

sesuai dengan arus beban sehingga dihasilkan tegangan dc yang konstan

dalam batas-batas arus beban tertentu. Regulator saklaran atau dikenal

sebagal switcher, mempunyal efesiensi tinggi dan tidak mempunyai

induktansi tinggi untuk filter. Pada masa kini telah dibuat catu daya saklaran

(switch mode power supply - SMPS) dengan kemampuan arus 300 A untuk

tegangan 5V dengan ukuran kecil.

Pemotong juga digunakan untuk membuat agar lampu LED infra merah

menyala dan mati sesuai dengan isyarat pulsa pada masukan yang

digunakan pada komunikasi optik dengan serat optik..Pemakaian lain dari

pada pemotong adalah untuk penguat sinkron, untuk stabilitas penguat

instumentasi, untuk detektor peka fase dan integrator boxcar, dll.

Sekarang kita tinjau bebarapa rangkaian pemotong transistor. Satu

rangkaian pemotong sederhana dengan transistor bi-polar dilukiskan pada

Gambar 3.7.

v31 tnnnn n WLnnn

I

VoV0

(a) (b)Gambar 3.7 (a) Pemotong transistor bipolar

(b) Rangkalan ekuivalen.

47

Peristiwa pemotongan isyarat V1(t) oleh Vs(t) dapat difahami dari Gambar

3.8.

VQstI 0

1

�o v v 11) 0

v v

tL

Gambar 3.8 (a) Bentuk isyarat pemotong VV(t) untuk setiap isyarat masukan VI(t) dan syarat keluaran Vo(t) . (b) Kurva karakteristik keluaran beserta garis garis beban pada berbagai nilai isyarat masukan V,(t)

Antara tj dan t2, Vs mempunyai nilai Vp sehingga transistor saturasi.

Akibatnya pada selang waktu ini isyarat keluaran Vo - 0 V. Selanjutnya

antara t2 dan t3 , Vs = 0, maka transistor ada pads keadaan terputus, yaitu

arus kolektor Ir = 0. Akibatnya pada selang waktu ini tegangan kolektor sama

dengan V, . Demikian seterusnya terjadi secara berulang, sehingga isyarat

keluaran Vo menjadi terpatong-potong seperti pada gambar 8 (a). .

Pada gambar 3.8b ditunjukkan garis-garis beban untuk berbagai nilai V1. Bila

isyarat V, negatif maka penguatan arus mempunyai nilai amat kecil.

Akibatnya untuk membuat agar transistor saturasi perlu arus basis IB yang jauh

Iebih besar dari pada kolektor yang mempunyai tegangan positif. Agar perilaku

pemotong simetrik terhadap polaritas isyarat masukan, artinya untuk saturasi

transistor diperlukan arus basis yang sama, kita dapat gunakan rangkaian

seperti pada gambar 3.9.

48

=l nn ninn171Z_

V. I 1 -�! t t t 1 3 t

VO

Gambar 3.9 Pemotong simetrik

Suatu rangkaian pemotong FET sederhana dilukiskan pada gambar 10.

Perhatikan bahwa rangkaian ini isyarat V hams mengambang (floating).

Transistor FET juga dapat digunakw untuk pemotong. Karakeristik keluaran

FET adalah simetris terhadap polaritas beda tegangan antara drain dan

source. Dengan kata lain drain dapat berfungsi sebagai source dan

sebaliknya. Hal lain yang bila FET digunakan untuk pemotong ada!ah FET

diatur oleh tegangan pada gate, sedangkan transistor bipolar diatur oleh arcs

pada gate. Untuk memotong arus yang besar diperlukan arus basis yang

besar pada pemotong transistor bipolar.

-7 a («)

Va-0

Vjc0

0

'R-" VI V05

VGS > V05-0

(a) (b)

Gambar 3.10 (a) Rangkaian FET pemotong. (b) Karakteristik keluaran FET

Pada masa lalu keberatan dari pada FET untuk pemotong adalah beda

tegangan antara drain dan source pada keadaan saturasi VDS(sat) mempunyai

49

nilai lebih besar dari pada VCE(sat) untuk transistor bipolar. Ini berhubungan

erat dengan hambatan channel rd pada keadaan saturasi yang biasanya

dinyatakan sebagal rd(on). Besaran ini adalah sama dengan kebalikan dari

pada kemiringan bagian saturasi dari pada kurva karakteristik keluaran

transistor. Suatu MOSFET yang dibentuk secara khusus dan dikenal sebagai

HEXFET IRF 350 telah dibuat agar mampu menahan tegangan V = 400 V,

anus ID(kontinu) = 11 A, dan mempunyai rd(on)=0,3 0. FET days lain yang sering

digunakan untuk pemotong adalah VMOS. Transistor ini mampu memotong arus

dengan frekuensi tinggi untuk daya yang tinggi. Pada gambar 10 (a),

perhatikan bahwa isyarat pemotong VS(t) mempunyai nilai negatif. Ingat

bahwa JFET harus diberi panjaran mundur (reverse bias) pada gate, dan

pada VGS = 0 mengalir arus drain IDSS.

Kita harus memasang RL cukup besar agar garis beban memotong bagian

saturasi dari kurva karakteristik keluaran sehingga VDs(sat) sekecil mungkin.

Ini dapat dicapai dengan membuat agar pada keadaan saturasi ID (sat) << ICSS

Dengan demikian pada waktu Vcs = 0 maka transistor akan betel-betul

jenuh. Biia Vas > 0 maka arus IG dibatasi oleh Rs. Bagaimana Cara

menentukan Rs?

Misalkan isyarat yang harus dipotong-potong berbentuk sinusoida dengan

amplituda 20 V Dalam operasi normal, yaitu bila drain lebih positif dari

source (Vi > 0 ), transistor akan mati (padam) bila VG = -IVpl dengan Vp

adalah tegangan pinch-off. Misalkan transistor mempunyai Vp = -3V.

Tegangan pada V, dapat mempunyai nilal antara 20 V hingga 20 V. Untuk

menentukan Rs kita harus tentukan tegangan Vs yang diperlukan untuk

membuat agar transistor mati (padam) dan berapa beda tegangan

maksimum antara kedua ujung resistor R. Dalam operasi normal V, >0 akan

tetapi isyarat V, dapat berubah menjadi negatif. Pada keadaan ini V, < 0,

sehingga panjaran transistor terbalik dan fungsi drain dan source ikut terbalik

juga. Misalkan VDD = 20 V, maka untuk membuat transistor pinch off, gate

harus berada pada tegangan Vp = 3V dibawah source (drain dalam keadaan

normal). Oleh karena pada keadaan pinch off VG = Vi = -20 V, haruslah VG

50

= - 20 V + Vp = -20 V - 3 V = -23 V. Ini berarti bahwa isyarat pemotong VS

haruslah berbentuk persegi dengan amplitudo 23 V. Agar lebih jelas

rangkaian pemotong beserta isyarat Vi dan Vo dilukiskan pada Gambar 3.11.

F-I

(a)

r

'�Q-U-U-Jv-(b)

Gam bar 3.11 (a) Pemotong MET (b) E3entuk isyarat V. (t)dan V (t)

Dari Gambar 3.11 (b) tampak bahwa pada saat VD = VI = 20 V, dan VS =

-23 V, yaitu dalam selang waktu antara t1 dan t2. Pada keadaan ini VD - VS

= 20 V - (-23 V) = 43 V dengan gate pada keadaan ini dapat timbul arus

mundur (arus saturasi) yang cukup besar dari drain ke gate. Misalkan arus ini

mempunyai nilai 1 mA, dan agar transistor dalam keadaan mati, maka gate

haruslah paling sedikit Vp = -3 V dibawah tegangan source, atau. gate

mempunyai tegangan VG, = VD Vp = -3V. Akibatnya antara kedua ujung RS

ada beda tegangan sebesar Vba = -3 V + 23 V = 20 V dan Rs = Vba =

tGmaks

zoV=20 kQ

1 mA

3.4 Waktu Saklaran

Pada penggunaan transistor untuk sakiar pada pemotong dan beberapa

pemakaian yang akan dibahas kemudian, perubahan dari keadaan mati

(padam) menjadi nyala (saturasi) dan sebaliknya, harus terjadi secepat

mungkin. Pada kenyataannya perubahan ini memerlukan waktu. Misalkan

kita mempunyai rangkaian sakiar transistor seperti pada Gambar 3.12a.

51

V

(a)

Oc

(b)

Gambar 3.12 (a) Rangkaian sakiar transistor (b) Bentuk isyarat Vs(t) dan isvarat keiuaran Vo(t).

Tampak bahwa isyarat keluaran perlu waktu untuk naik dan untuk turun.

Waktu yang diperlukan isyarat untuk naik dari 10 % ke 90 % ciaripada

keadaan maksimum isyarat disebut waktu naik (rise time), dan waktu yang

diperlukan isyarat untuk turun dad 90 % ke 10 % daripada keadaan

maksiksimum disebut waktu turun (fall time). Adanya waktu naik dan waktu

turun disebabkan oleh adanya kapasitansi-kapasitansi yang paralel dengan

arus isyarat, yaitu yang bersifat sebagai filter lolos rendah (low pass).

Kapasitansi-kapasitansi yang sama menyebabkan terjadinya frekuensi

potong atas pada penguat. Pada gambar 3.12b bentuk isyarat keluaran Vo(t)

yang terlukis adalah untuk arus basis yang tepat menyebabkan saturasi,

yaitu pada Gambar 3.13a.

CVo

�•t IB RC

VCC IW

RC

0

0

0

CE(a)

1:7---

(b)

Gambar 3.13 (a) Arus IBO adalah anus yang tepat menyebabkan saturasi untuk garis beban terlukis. b. Bentuk isyarat keluaran untuk IBO dan IB3 >> IBo

52

Nyata bahwa bila IB >> IBO isyarat akan lebih cepat naik. Dikatakan basis

diberi overdrive, atau dalam bahasa Indonesia kira-kira dikatakan bahwa

basis diberi pacu Iebih.

Pacu lebih, pada basis ini mempunyai efek sampingan, yaitu bahwa pada

saat isyarat pada basis Vs(t) kembali ke nol (t), isyarat keluaran masih tetap

dan baru turun setelah waktu is kemudian (Gambar 13b). Waktu is ini disebut

waktu simpan (storage time). Adanya waktu simpan ini disebabkan oleh

terkumpulnya muatan bebas dari emitor didalam basis pada keadaan pacu

lebih. Muatan terkumpul ini disebut muatan simpanan, perlu waktu untuk

dinetralkan oleh arus basis. Waktu simpan is memegang peranan amat

penting pada elektronika digital, dan merupakan besaran yang membatasi

rangkaian digital terhadap isyarat frekuensi tinggi. Pengarun waktu simpan is

dapat dikurangi dengan memberikan panjaran mundur (reverse) pada waktu

isyarat turun ditunjukkan pada Gambar 3.14.

tr

V 0

Vtx

FE t-h a Z n c

t

------------------- �--

Gambar 3.14 Pengaruh pacu Iebih dan pacu mundur pada bentuk isyarat

Tampak bahwa pacu lebih waktu isyarat naik akan mempersingkat waktu

naik t1, dan pada waktu isyarat turun mengurangi waktu simpan is dan waktu

turun tf . Kedua hal di atas dapat dilaksanakan sekaligus dengan memasang

suatu kapasitor paralel dengan RB seperti ditunjukkan pada Gambar 3.15.

53

v 0

Gambar 3.15 Kapasitor C untuk mempercepat naik dan turunnya isyarat keluaran.

Pada saat isyarat Vs mendadak naik, kapasitor C belum terisi, sehingga

beda tegangan antara kedua keping transistor adalah not dan arus mengalir ke

basis amat besar. Inilah pacu Iebih basis pada salt isyarat keluaran naik Pada

saat isyarat turun, kapasitor C telah penuh berisi muatan, dengan keping-

keping kapasitor yang berhubungan dengan basis pada potensial Iebih

negatif . Bila V mendadak menjadi not, maka basis akan berada pada

potensial negatif sehingga basis menjadi terpanjar mundur.

Nilai kapasitansi untuk C dapat ditentukan dengan menggunakan rangkaian

ekivalen hybrid-P. Rangkaian ekivalen ini mestinya digunakan untuk isyarat

kecil, sehingga penggunaannya untuk rangkaian saklar hanyalah bersifat

pendekatan. Dengan menggunakan kapasitor C maka RB dipilih agar ,B tepat

memberikan saturasi, atau mengikuti Gambar 15, IB = IBO . Oleh sebab itu transistor tak

pernah terbenam terlalu jauh dalam keadaan saturasi, sehingga penggunaan

rangkaian hybrid-P tidaklah menyimpang terlalu jauh. Rangkaian hybrid-P untuk

rangkaian pada Gambar 3.15 dapat dilukiskan seperti pada Gambar 3.16.

54

C

(a)

C RJ.'b

(b)(C)

RS ra

R

(d) (e)

Gambar 3.16 (a) Rangkaian ekivalen hybrid-P penuh, (b) Dilihat darimasukan, (c) Dilukis sebagal jembatan, (d) C dipilih agardalam keadaan seimbang, (c) Pendekatan bila Celt

<< C dan

RB+rn>> Rs+rb

Agar jembatan pada gambar 3.16c ada dalam keadaan seimbang, maka

RBXceff = riXc (3.5)

atau

RBC=r, CKU

Nilai RB dipilih agar IB yang dihasilkan tepat memberikan keadaan saturasi

atau

5!

h IFE B

sedangkan

= Vcc (3.6)RC

VS+V BE

atau

I B = RB+RS

RB + R s = (VS - VBE)hFERC

(3.7)

. (38) Vcc

Dari persaman (4-1) dan (4-2) nilai kapasitansi C dapat dihitung. Pada

keadaan ini waktu naik dan waktu turun diberikan oleh tetapan waktu

rangkaian, yaitu

r = (Rs + rb)C (3.9)

dan

t,. =tf=2,2(Rs+rb)C (3.10)

3.5 Multivibrator

Transistor yang bekerja sebagai sakiar juga digunakan ' dalam rangkaian

multivibrator. Keluaran multivibrator dapat berada pada dua keadaan, sesuai

dengan dua keadaan transistor bila digunakan sebagai sakiar. Satu keadaan

menyatakan transistor dalam keadaan padam (cut-off) dan keadaan yang lain

menyatakan transistor dalam keadaan saturasi. Pada keadaan pertama

tegangan keluaran sama dengan Vcc, sedang pada keadaan yang lain

tegangan keluaran sama dengan nol.

Ada empat macam multivibrator, yaitu bistabil (flip-flop), monostabil,

astabil, dan picu Schmitt. Monostabil mempunyai satu keadaan stabil,

bistabil mempunyal dua keadaan stabil, dan astabil selalu berubah keadaan.

Astabil berfungsi sebagal osilator relaksasi. Picu Schmitt berubah keadaan

bila isyarat masukan melampaui suatu nilai tegangan tertentu. Picu Schmitt tak

lain adalah komparator dengan histeresis.

56

3.5.1 Multivibrator bistabil

Multivibrator bistabil juga dikenal sebagal flip-flop. Rangkaian bistabil adalah

seperti pada Gambar 3.17.

pP

Gai,ibar 3.17 Multivibrator bistabil

Kita lihat bahwa bistabil dapat dipandang sebagai penguat dengan balikan

positif, atau dua saklar yang salig menghantarkan. Akibatnya rangkaian

dapat berada pada dua keadaan. Pada keadaan satu transistor Q2

menghantar (saturasi) sedangkan Q1 padam (cut-off), pada keadaan

yang

lain transistor Q2 padam dan Qi menghantar. Bila pada kolektor Q1 , jadi

pada basis transistor Q2 , diberi suatu pulsa negatif (picu) maka bistabil akan

berubah keadaan, dan tetap berada pada keadaan yang baru ini hingga ada

pulsa picu baru yang mengubah keadaannya.

Misalkan kita bermula dengan transistor Q2 dalam keadaan menghantar

(saturasi), yaitu kolektor Q1 ada pada Vcc , dan Q2 mendapat arus basis

amat besar sehingga Q2 saturasi akibatnya kolektor Q2 ada pada tanah, dan

arus basis Q1 sama dengan nol sehingga Q1 padam. Misalkann Q1 diberi

picu berupa pulsa negatif maka untuk waktu sesaat transistor Q2 tak

mendapat arus basis, sehingga tegangan pada kolektor Q2 akan naik sesaat,

dan arus basis Q1 naik kolektor Q1 turun, arus basis Q2 lebih turun lagi dan

tegangan kolektor Q2 naik lagi demikian seterusnyya sehingga bistabil akan

berubah keadaan. Pada keadaan baru Q2 padam dan Q1 dalam keadaan

menghantar. Keadaan ini tetap bertahan sehingga ada picu negatif pada

57

kolektor Q2 , yang akan memadamkan Q,. Picu berupa pulsa negatif harus

dipasang sehingga mepadamkan transistor yang sedang menghantar.

Dengan menggunakan dioda pulsa picu dapat disampaikan secara otomatis

kepada transistor yang sesuai. Ini ditunjukkan pada Gambar 3.18.

IPr

r rr

T

(I) (b)

a

0

Gambar 3.18 a. Rangkaian bistabil (flip-flop) b. Lambang untuk flip-flop

Pulsa positif yang masuk pada T terdiferensiasi oleh rangkaian RC sehingga

terjadi sepasang pulsa positif dan negatif. Pulsa positif adalah diferensial dari

pada tepi naik, dan pulsa negatif diferensial dari pada tepi turun. Bila Q2

sedang padam (VQ2 = Vcc) maka sedang menghantar (VQ, = 0 V). Akibatnya

dioda D2 mendapat panjaran maju, sedangkar, dioda D, mendapat panjaran

mundur. Sehingga apabila bila ada pulsa negatif pada titik A, pulsa akan

diteruskan ke Q2, sehingga memadamkan Q, , dan keluaran Q pada Q2

berubah keadaan menjadi VQ = 0 V. Keadaan ini akan tetap bertahan hingga

ada pulsa lagi pada masukan T, yang akan membuat keluaran Q menjadi

tinggi lagi (VQ = Vcc ). Jadi dengan memberikan beberapa pulsa berturut-turut

keluaran Q dirubah menjadi tinggi (VQ = Vcc), rendah (VQ = 0 V), tinggi

(High), rendah (Low), dst. Dikatakan bahwa flip- flop berperilaku seperti

saklar togle (saklar tekan on-off), sehingga rangkaian di atas disebut flip-flop

Toggle. Lambang dari pada flip-flop togle adalah seperti pada gambar 18b.

Bila masukan OR diberi pulsa negatif (seperti pada Gambar 18a), maka Q

58

akan padam dan Q saturasi, yang berarti VQ = 0 V atau Q menjadi rendah

(L). Bila masukan PR (preset) diberi pulsa negatif (seperti ada Gambar 18)

maka Q akan saturasi, sehingga Q akan tinggi (H). Pada bulatan kecil berarti

masukan aktif bila rendah (L) sedang tanda pada T mengatakan aktif oleh

transisi negatif. Bistabil atau flip-flop dapat dipasang gandengkan seperti

pada Gambar 3.19.

Reset

Gambar 3.19 Flip-flop digunakan untuk pencacah (counter)

Mula-mula kita beri masukan rendah (L) pada reset. Akibatnya ke!uaran Q

pada semua flip-flop menjadi rendah (L). Dikatakan semua flip-flop direset.

Selanjutnya misalnya pada masukan T datang pulsa-pulsa seperti pada

Gambar 19. Oleh pulsa ti keluaran QA pada FFA menjadi tinggi, sehingga

lampu LED A menyala. Dikatakan FFA diset. Flip-flop yang lain tetap pada

keadaan reset. Pulsa t2 akan mereset FFA, dan transisi negatip yang terjadi

pada QA akan mentogel FFB, sehingga QB menjadi set, dan lampu LED B

menyala. Setelah dua pulsa datang maka keadaan lampu seperti berikut:

LED A = padam; LED B = menyala dan LED C padam. Dengan cara ini

rangkaian pada Gambar 19 dapat mencacah pulsa dan dikatakan

membentuk pencacah (counter). Alat cacah pada Gambar 19 mempunyai 23

= 8 keadaan, dan dapat mencacah hingga 7 buah pulsa. Pada pulsa ke

delapan semua flip-flop kembali direset (semua lampu padam). Peristiwa di

atas juga menunjukkan bahwa flip-flop membentuk suatu rangkaian yang

punya ingatan (memory). Setelah tiga buah pulsa keadaan flip-flop tetap

59

sebagai (QA QB Qc) = (H H L), yang berarti rangkaian ingat bahwa ada tiga

buah pulsa yang telah masuk.

Sebuah flip-flop T dapat digunakan untuk membagi frekuensi. Dua buah

flip-flop dapat membagi empat frekuensi isyarat masukan. Flip-flop banyak

digunakan dalam elektronika digital dalam bentuk rangkaian terintegrasi (IC).

Demikian pula halnya dengan pencacah. Memory semi konduktor digunakan

dalam komputer terdiri dari banyak flip-flop. Satu IC memory dapat berisi

hingga 64.000 flip-flop.

3.5.2 Multivibrator monostabil

Seperti halnya flip-flop, multivibrator monostabil mempunyai dua keadaan,

akan tetapi hanya satu keadaan yang stabil. Bila masukan monostabil

mendapat pulsa picu maka

keluarannya akan berubah ke keadaan yang tak stabi! sclania waktu tertentu

kemudian kemball Ice pada keadaan yang stabil. Dalam prakteknya

monostabil digunakan untuk mengubah transisi pada isyarat masukan

menjadi pulsa dengan lebar tertentu. Monostabil juga dapat digunakan untuk

mengubah lebar pulsa. Pulsa yang amat sempit dapat diperlebar, dan

sebaliknya pulsa yang lebar dapat dibuat sempit. Lebar pulsa keluaran

ditentukan oleh nilai R dan C di dalam rangkaian. Oleh karena untuk satu

isyarat picu dihasilkan satu pulsa keluaran, monostabil juga dikenal dengan

nama one-shot (satu tembakan). Rangkaian suatu monostabil diskrit

(menggunakan transistor, R, dan Q ditunjukkan pada Gambar 3.20.

V c

Gambar 3.20 Rangkaian monostabil

60

Keadaan stabil dari pada monostabil adalah bila transistor Q2 ada dalam

keadaan saturasi, jadi Vo = 0 V. Dalam keadaan stabil titik a pada kapasitor

berada pada VBE(Q2) = 0,6V sedang titik b ada pads Vcc. Dengan kata lain

basis Q2 ada pada potensial Vcc - VBE(Q) = Vcc - 0,6 V Iebih rendah

daripada kolektor Q, .

Sekarang misalkan pada kolektor Q, datang suatu pulsa picu arah negatif

Tegangan basis Q2 akan turun sejenak, cukup untuk membuat Q2 padam

sehingga tegangan kolektor mendadak naik, dan tegangan kolektor Q, turun

menjadi 0 V karena ada dalam keadaan saturasi. Tegangan basis Q2 yang

berada pada potensial (Vcc - 0,6 V) Iebih rendah dari kolektor Q, menjadi -

(Vcc - 0,6 V). Oleh karena kolektor Q2 ada pada 0 V. Peristiwa ini dilukiskan

pada Gambar 3.21.

0

t

vc(Q1)

---

01-�--

tGambar 3.21 Terbentuknya pulsa keluaran pada monostabil

Selanjutnya kapasitor C2 diisi melalui RB2 dengan tetapan waktu RB2C2.

Selama VBE(Q2) 0,6 V transistor Q2 tetap padam, sehingga Vc(Q2) VCC.

Segera setelah basis Q2 mencapai =_ 0,6 V transistor Q2 kembali padakeadaan saturasi dan Vc(Q2) kembali kepada keadaan semula yaitu 0 V.

61

3.5.3. Multivibrator Astabil

Keluaran multivibrator astabil dapat berada pada dua keadaan akan namun

keduanya tidak stabil. Keluaran astabil selalu bergantian keadaan, sehingga

astabil tak lain juga merupakan suatu osilator relaksasi. Pada umumnya

multivibrator astabil tak perlu pulsa picu. Pada pemakaian tertentu seperti

misalnya pada osilator horisontal didalam pesawat pene 1 Mia televisi orang

menggunakan astabil yang dapat dipicu, sehingga osilator dapat dibuat

sinkron dengan pulsa-pulsa sinkronisasi horisontal. Rangkaian suatu astabil

ditunjukkan pada Gambar 3.22.

Gam bar 3.22 Rangkaian multivibrator astabil

Pada saat dihubungkan dengan Vcc salah satu transistor akan saturasi dan

yang lain akan padam. Misalkan kita bermula dengan transistor 02 padam

(Vc (Q2) = Vcc ) dan Qi saturasi (Vc(Qi) = 0 V). Kapasitor C2 diisi lewat RB2.

Pada saat Vc > 0,6 V, Q2 akan saturasi (Vc (Q2)= 0 V). Akibat selanjutnya Va

turun menjadi - (Vcc - VBE) sehingga Q, padam. Selanjutnya C, diisi lewat

RB1 sehingga tegangan titik a terus naik hingga pada waktu Va > 0,6 V

transistor Q1 menjadi saturasi dan Q2 padam. Demikian terus terjadi secara

berulang. Agar lebih jelas peristiwa ini dilukiskan pada Gambar 3.23.

62

V B (a2� f I

f I t

E t

v - 0,6v

T'=R C �82 2

t

Gambar 3.23 Bentuk isyarat pada basis Q , basis Q dan kolektor Q untuk rangkaian pads Gambar 3.22

Periode osilasi astabil adalah kira-kira

T = 0, 693 (z, + z2) = 0, 693 (R B, C, + R B 2 C2) (3.11)

3.5.4 Picu Schmitt

Picu Schmitt juga mempunyai dua keadaan dan keduanya stabil. Picu

Schmitt akan berubah keadaan bila tegangan pada masukan melampaui

suatu tegangan acuan. Rangkaian picu Schmitt adalah seperti pada Gambar

3.24. v- = 15 V

v 0

Gambar 3.24 Picu Schmitt

63

perilaku picu Schmitt dapat dilukiskan pada Gambar 3.25.

0

M

t

(a) (C)

Gambar 3.25 a) Isyarat masukan dan keluaran, b) Histeresis padak-araktenstik picu Schmitt, c) Lambang picu Schmitt

Pada Gambar 3.25a tampak bahwa selama isyarat masukan berada di

bawah V2 maka isyarat keluaran mempanyai nilai V1. Demikian isyarat

masukan melebihi Vt tegangan keluaran menjadi sama dengan Vcc. Pada

waktu isyarat menjadi lebih rendah dari pada Vt maka tegangan keluaran

kembali menjadi V. Ini terus berlangsung hingga V; menjadi lebih besar dan

V2 lagi, pada saat mana isyarat keluaran berubah menjadi Vcc iagi.

Hubungan antara V. dan V; adalah seperti pada Gambar 3.25b, yang

menunjukkan suatu histeresis.

Cara kerja picu Schmitt adalah sebagai berikut (lihat Gb.3.24). Bila VBE(Q1 )

Iebih kecil dari 0,6 V maka Qt akan padam (off), dan nilai-nilai komponen

yang dipergunakan haruslah membuat agar transistor Q2 menjadi jenuh

(saturasi), yaitu VCE(Q2) 0. Pada keadaan ini

Vo = VL VE(Q2) (3.12)

_ RE2

V. RE2 + RC2 Vcc (3.13)

Bla VBE(Q1) > 0,6 V atau VB(Q1) > VB(Q1)+0,6 V = Vcc+ 0,6 V, makaRgREZ

transistor Qt akan jenuh (saturasi), dan transistor Q2 padam sehingga Vo =

Vcc. Nilai tegangan VB(Q1) ini tak lain adalah V2 pada Gambar 3.25a. Pada

keadaan ini VVE(Q1) = 0 V, sehingga

64

VE WO

=

Jika

RE2

RE2 + Rc1Vcc (3.14)

VB < (VB + 0,6 V) = RE2 Vcc + 0,6 V (3.15)RE2 + Rc1

maka transistor Q1 akan kenibah padam, dan transistor Q2 akan jenuh,

sehingga V. = VE(Q2) = V1 (lihat Gambar 3.25a). Jadi pada histeresis untuk

gambar 3.25b

Vl = RE2 Vcc+ 0,6 V (3.16)RE2 + Rc2

V2 = , RE2 Vcc + 0,6 V (3.17)RE2 + Rci

Picu Schmitt digunakan sebagai komparator untuk pembentukan kembali

puisa-puisa yang sudah lemah, untuk pembentukan pulsa pada osiloskop,

pada alat-alat elektronika nuklir, untuk pembentukan pulsa-pulsa picu

maupun pada saklar transistor.

3.6 Pewaktu 555

Pada tahu;i 1972 perusahaan semikonduktor Signetics mengeluarkan suatu

produk berupa IC pewaktu (timer) dengan nomor NE 555. Kini hampir semua

perusahaan semikonduktor yang besar ikut memproduksi IC ini. IC ini amat

luwes dan dapat dirakit untuk berbagai ppnggmaan. Dengan menambahkan

beberapa resistor dan kapasitor IC ini dapat berfungsi sebagal multivibrator

astabil, monostabil, bistabil maupun picu Schmitt untuk modulasi lebar pulsa

dan penundaan waktu (time delay) pulsa. Dalam buku IC Timer Cookbook'

karangan Berlin disebutkan literatur hampir 150 macam, pemakaian yang

dapat dibuat dengan IC ini.

Pada bagian ini hanya akan dibahas dasar kerja pewaktu 555, beserta

beberapa penggunaan dasar, yaitu astabil, monostabil, bistabil dan picu

Schmitt. Beberapa pemakaian yang dapat disebutkan disini adalah konverter

DC-DC (mengubah catu daya DC agar mempunyal tegangan Iebih tinggi),

65

logic probes, tachometer, pengatur dan pengukur suhu, cable tester,

konverter V-F (pengubah tegangan menjadi frekuensi), pengirim isyarat

morse, timer fotografi, regulator switching, komunikasi data (line driver dan

line receiver). Disamping pewaktu 555 ada berbagai jenis pewaktu lainnya

dalam bentuk IC, seperti ZN1034 buatan Ferranti, XR 2240 buatan Exar,

dsb.

3.6.1 Pewaktu 555 Astabil

Pewaktu merupakan suatu rangkaian pembangkit pulsa yang dapat

menjadi input bagi pencacah. Ada beberapa jenis pewaktu diantaranya

adalah pewaktu 555 astabil. Gambar 3.26 memperlihatkan rangkaian

pewaktu 555 astabil.V

+V Resd

C bd Tn g.c

Tlaesbold

Oko"A

555

Gam bar 3.26 Rangkaian astabil 555

66

Cara kerja rangkaian dapat diterangkan dengan menggunakan diagram blok

555 seperti ditunjukkan pada gambar 3.27.

6

2M bang

kontrd 5

0.01

/QF

20

V ' 0 reset6

1 Vrd

1

R O 7c0 S o-a

d schwge

NE555 3 kekraran

a

G

Gambar 3.27 Diagram blok 555

VO

Pada saat Vcc dihubungkan dengan catu daya, kapasitor Ct belumberisi

muatan, dan jugs keluaran Q2 pada flip-flop ada pads keadaan tinggi;

sehingga transistor Q2 ada pada keadaan saturasi, dan kaki (2) dan (6)

keduanya rendah. Hal ini selanj!atnya membuat komparator A menjadi

rendah dan komparator B memnjadi tinggi, sehingga keluaran Q2 menjadi

rendah dan transistor Q2 terbuka. Selanjutnya kapasitor Ct diisi muatan

melalui RA dan RB dan tegangan naik secara eksponensial dengan tetapan

waktu.

Bila tegangan pada kapasitor Ct melebihi 2/3 Vcc maka masukan R pada flip-

f l op menjadi tinggi pula. Akibatnya transistor Q2 saturasi, dan muatan

kapasitor Ct dikosongkan lewat RB. Bila tegangan pada kapasitor Ct sudah

turun dibawah 1/3 Vcc maka komparator A membuat masukan R rendah, dan

komparator B akan membuat masukan S tinggi, sehingga keluaran Q2

menjadi rendah, transistor Q2 terbuka (mati), dan kapasitor C mulai diisi lagi

melalui RA + RB. Bentuk isyarat pada keluarah adalah seperti pada gambar

3.28

67

vC

t

Gambar 3.28 Bentuk isyarat keluaran

Selang waktu

ti = 0, 693 (RA + RB) Ct

t2 = 0, 693 RBCt

Perioda

T=t1+t2 = 0, 693 (RA + 2RB) Ct

Sehingga frekuensi

_ 1 _ 1,443

T (RA + 2RB)Ct

Sedang Duty cycle

- R A + R B

(3.18)

(3.19)

(3.20)

(3.21)

Duty cycle = t, (3.22)t, +t2 RA +2RB

Agar t, = t2, yaitu Duty cycle = 50% maka dapat digunakan rangkaian pada

gambar 3.29.

Gambar 3.29 Rangkaian pewaktu 555 untuk mendapatkan duty cycle 50 %

68

Dengan memasang dioda D1 maka pengisian kapasitor Ct dilakukan melalui

RA dan mengosongkan melalui RB. Bila RA = RB maka tetapan waktu

pengisian dan pengosongan menjadi sama, sehingga diperoleh duty cycle

50%.

3.7 Thyristor

Pada masa kini relay elektromekanik telah banyak digantikan dengan relay

semikonduktor, berupa SCR, triac, dan sebagainya. Relay semikonduktor ini

mempunyai struktur pnpn, dan secara keseluruhan dikenal sebagai thyristor.

Dua anggota keluarga thyristor yang paling dikenal adalah SCR (Silicon

Controlled Rectifier), dan triac. Kedua thyristor ini (terutama SCR) dapat

digunakan untuk daya tinggi. Anggota keluarga thyristor yang lain yang

digunakan untuk daya rendah, antara lain adalah PUT, DIAC, SCR, Silicon

Unilateral Switches (SUS), Gate turn-off(GTO), dsb.

Pada bagian ini kita akan membahas SCR dan triac serta beberapa

rangkaian untuk mengontrol operasinya. Uraian disini dimaksudkan sebagai

pengenalan pertama terhadap thyristor. Topik ini mempunyai tempat yang

penting dalam elektronika industri dimana banyak digunakan banyak thyristor

yang dipasang seri, paralel atau membentuk suatu jaringan. Begitu pula

karakteristik thyristor dibahas seperlunya. Untuk membuat rangkaian bekerja

mungkin diperlukan informasi lebih dalam tentang data dan karakteristik

thyristor yang digunakan.

3.7.1 Dasar kerja thyristor

Struktur pnpn sederhana seperti pada SCR dapat dipandang sebagai dua

transistor npn dan pnp yang dihubungkan membentuk pasangan feedback

regeneratif, seperti pada gambar 30. Kita telah membahas ini di depan pada

waktu membicarakan PUT (Programmable Unijunction Transistor).

69

KATOOE

Gambar 3.30 Analogi thyristor dengan pasangan transistor

Tampak bahwa arus kolektor transistor pnp membentuk arus basis untuk

transistor npn, dan arus kolektor npn merupakan sebagian dari arus basis

transistor pnp. Dapat ditunjukkan bahwa arus anode I adalah

_ anMnIG(p) + (1 - afMp)IG(n) +'CBO(n) + ICBO(1) + 1CBO(2) V

IA - 1 -apMp-anMn cc

Dengan an adalah penguatan arus basis bersama untuk transistor pnp dan ap

untuk transistor npn, sedang Mn dan Mp adalah faktor multiplikasi untuk

elaktron dan lubang oleh karena breakdown longsor (avalanche). Besarnya

apMp + a,M, dapat dipandang sebagai loop gain G dari pada suatu feedback

positif.

Dengan panjaran yang semestinya (anode yang positif dan katode negatif

dan tampa ada anus gate Iii dan lG2 , maka Mn dan Mp mempunyai nilai

rendah. Penyebut persamaan untuk IA mempunyai nilai hampir sama dengan

satu, dan IA mendekati nilai jumlah dari pada arus bocor transistor. Pada

keadaan ini thyristor dikatakan ada dalam keadaan blokir maju

(forward

blocking) atau keadaan padam.

Keadaan menghantar (yaitu impedansi rendah) dapat dicapai dengan

membuat loop gain G sama dengan satu. Pada keadaan ini arus anode IA --

+

co . Secara fisis dapat dikatakan bahwa bila loop gain mendekati satu maka

70

rangkaian di dalam thyristor mulai bersifat regeneratif, masing-masing

transistor membuat lawannya menjadi jenuh (saturasi). Sekali ada dalam

keadaan saturasi semua sambungan pn akan berada pada keadaan

panjaran maju dan beda tegangan antara anode dan katode sama dengan

tegangan satu sambungan pn O,7V. Arus anode hanya dibatasi oleh

rangkaian luar saja.

Loop gain G dapat mendekati satu oleh bertambah besarnya Mn dan Mp .

karena bertambahnya tegangan atau arus. Kebanyakan transistor silikon

mempunyai nilai, amat rendah pada arus emitor yang rendah, dan

bertambah besar dengan cepat bila arus emitor diperbesar. Setiap peristiwa

yang menyebabkan pertambahan sernentara pada arus emitor dapat

memenghantarkan suatu thyristor. Reberapa mekanisme yang penting

adalah seperti tersebut di bawah Ini.

a. Tegangan

Bila tegangan antara kolektor dan emitor diperbesar, akhirnya akan tercapai

keadaan dimana arus bocor dapat menghasilkan pembawa muatan yang

lain, sehingga terjadi suatu breakdown avalanche (longsor). Mekanisme

hantaran ini biasanya digunakan pada diode empat lapis seperti DIAC.

b. Perubahan tegangan

Setiap sambungan pn mempunyai kapasitansi. Makin luas sambungan makin

besar pula kapasitasnya. Bila suatu tegangan fungsi tangga tiba-tiba

dipasang antara kolektor dan

emitor suatu arus pengisi kapasitansi akan mengalir sebesar i = C av . Arus

ini dapat membuat nilai loop gain G mendekati nilai satu, yang akan

menghantarkan thyristor.

7'i

c. Suhu

Pada suhu tinggi arus bocor (arus saturasi) pada sambungan pn silikon

dengan panjaran mundur menjadi dua kali lipat dengan pertambahan suhu

sambungan sebesar 8°C. Ini dapat membuat loop gain G dan

menghantarkan thyristor.

d. Mekanisme Transistor

Pada transistor pertambahan arus pada basis akan, memperbesar arus

kolektor. Ini adalah mekanisme yang biasa digunakan untuk menghantarkan

thyristor yang mempunyai gate. SCR dibuat menghantar dengan

memasukkan arus pada gate p. Sedangkan pada complementary SCR atau

CSCR digunakan gate-n. CSCR dibuat menghantar dengan mengambil arus dari

gate-n (gate anode).

e. Cahaya

Cahaya yang disinarkan pada silikon dapat melepaskan pasangan elektron dan

lubang. Cara trigger ini dilakukan pads Light Activited SCR (LASCR), dan

thyristor lain yang peka cahaya.

3.7.2 Mekanisme Pemadaman Thyristor

Bila suatu thyristor ada dalam keadaan konduksi ketiga sambungan pn ada

dalam keadaan panjaran mundur (reverse bias) (Gb.3.31). Kedua basis (B„ dan

BP) penuh dengan elektron dan lubang sebagai muatan simpanan (stored

charges). Untuk memadamkan thyristor dengan cepat perlu dipasang tegangan

mundur (reverse).

72

E0

IANODE

1J

an BP En

1 1 IKATOOE

t f

t J2 J3

I IGambar 3.31 Thyristor diberi panjaran pada keadaan

konduksi (gate terbuka)

Bila tegangan mundur ini dipasang maka lubang dan elektron dalam daerah

dekat sambungan di Ujung (J, , J3 ) akan berdifusi dan menghasilkan arus

mundur (reverse) di dalam rangkaian luar. Tegangan antara kedua ujung

thyristor tetap mempunyai niiai 0,6 V selama arus (mundur) masih

mernpunyai nilai cukup besar. Setelah elektron dan lubang di daerah dekat

J, dan J2 teiah bersifat, arus mundur akan berhenti dan sambungan J, dan J3

memasuki keadaan memblokir. Tegarigan mundur pada thyristor akan

menjadi besar dan mempunyai niiai yang ditentukan oleh rangkaian luar.

Pada keadaan ini thyristor belumlah dalam keadaan padam benar, oleh

karena pada daerah sekitar sambungan J2 masih banyak muatan simpanan.

Konsentrasi muatan ini berkurang melalui proses rekombinasi dan tak

bergantung rangkaian di luar. Setelah muatan simpanan cukup berkurang

sambungan J2 akan berada pada keadaan memblokir. Pada keadaan ini bila

antara kedua ujung thyristor dipasang panjaran maju ( Iebih kecil dari VBO ),

maka thyristor tetap pada keadaan maju. Waktu antara berakhirnya arus

maju hingga keadaan dimana tegangan maju dapat dipasang tanpa

memenghantarkan thyristor disebut waktu pemadaman tq yang dapat

mempunyai nilai antara beberapa mikrosekon hingga beberapa ratus

mikrosekon.

73

3.7.3 SCR

SCR atau Silicon Controlled Rectifier adalah suatu triode thyristor dengan

tiga elektrode, yang dapat mengalirkan arus hanya pada satu arch. Salah

satu struktur SCR dan simbol SCR ditunjukkan pada Gambar 32. A

(a) (b)

Gambar 3.32 (a) Susanan SCR (b) Lmbang SCR

Karakteristik I-V untuk SCR adalah seperti pada Gambar 3.33.

I A

fegangan

mundur

make num

Gambar 3.33 Karakteristik IN SCR

Pada daerah pemblokiran maju, bila tegangan maju di tambah, maka arus

bocor hampir tak berubah hingga terjadi pelipat gandaan pembawa muatan

oleh adanya avalanche breakdown. Setelah keadaan ini dilampaui arus di

dalam SCR mempunyai nilai cukup besar hingga loop gain sama dengan

satu. Pada keadaan ini SCR akan berubah pada. keadaan konduksi asalkan

arus anode lebih besar dari pada suatu nilai yang. disebut arus bertahan

(holding current). Bila arus anode turun di bawah nilai arus bertahan SCR

akan kembali pada pemblokiran maju. Pada keadaan pemblokiran mundur

SCR berperilaku, seperti dua diode dalam keadaan terpanjar mundur

74

(reverse) dipasang serf. Bila arus gate diperbesar daerah antara arus

breakover dan arus bertahan menjadi makin sempit dan tegangan breakover

maju (VBO semakian berkurang). Untuk arus gate yang cukup besar seluruh

daerah pemblokiran hilang, dan SCR berperilaku seperti diode dengan

panjaran maju.

Penggunaan SCR sebagai sakiar setengah gelombang dilukiskan pada

Gambar 3.34. Bila sakiar S lepas I = 0 sehingga beban tak dialiri arus. Bila S

dipasang arus gate mengalir hingga SCR berkonduksi, dan arus mengalir

setengah gelombang melalui beban. Diode D dipasang untuk mencegah

tegangan mundur pada gate yang dapat merusak SCR.

Beban

Gambar 3.34 Saklar setengah gelombang statik

Bila pada rangkaian di atas sumber arus adalah tegangan DC, maka arus

akan mengalir terus walaupun S hanya tertutup sebentar, asalkan arus yang

mengalir Iebih besar dari pada arus yang bertahan. Salah satu penggunaan

SCR adalah untuk melindungi peralatan terhadap tegangan terlalu tinggi

yang dapat merusakkannya. Rangkaian ini dikenal sebagai rangkaian

crowbare. Crowbar adalah alat pembuka paku terbuat dari sebatang besi

yang besar. Rangkaian crowbar dengan SCR berlaku seolah-olah

memasang sebuah crowbar paralel dengan alat bila tegangan yang

terpasang pada suatu alat yang dilindungi terialu besar. Dengan

terpasangnya suatu crowbar maka suatu sekering yang dipasang serf

dengan alat yang dilindungi akan putus, sehingga alat terhindar dari

kerusakan. Gambar 35 menunjukkan suatu rangkaian crowbar.

75

Gambar 3.35 Pelindung tegangan tipe crowbar

Bila Vi naik maka V naik dan akan membuat SCR berkonduksi, sehingga

memutuskan sekering.

3.7.4 Kontrol fasa pada SCR

SCR dapat dibuat agar berkonduksi pada bagian tertentu dari pada siklus

tegangan PLN. Rangkaian yang digunakan untuk ini ditunjukkan pada

Gambar 3.36a atau bentuk tegangan serta arus dilukiskan pada

Gambar 3.36b.

PLN

a

Gambar 3.36 a) Rangkaian SCR beserta picu b) Bentuk tegangan PLN, V, dan I(t)

Tampak bahwa segera setelah tegangan gate melebihi suatu nilai ambang V,

maka SCR akan berkonduksi sehingga V = 0,7 V, walaupun tegangan gate

sudah kembali ke nol. Sudut fase disebut sudut tembakan oleh karena sudut

fase menyatakan awal SCR berkonduksi (menembak). Sudut fase disebut

sudut konduksi. Bila sudut tembakan a = 0 maka 0 = 90 berarti SCR

76

berkonduksi selama setengah siklus dimana tegangan anode positif terhadap

tegangan katode. Sudut a = 90 berarti 0 = 0 , yaitu SCR tak berkonduksi

sama sekali.

Dengan mengatur sudut tembakan kita dapat mengatur arus yang mengalir.

Inilah mengapa SCR disebut penyearah terkontrol (controlled rectifier).

Bentuk rangkaian picu kontrol fase dapat bermacam-macam. Suatu

rangkaian picu yang menggunakan RC ditunjukkan pada Gambar

3.37.

0 -Gambar 3.37 (a) Rangkaian kontrol fase RC b) Bentuk

isyarat V dan V

Bila anode sedang negatif terhadap katode, kapasitor C diisi muatan melalui

D2 hingga tegangan -V . Diode D1 mencegah arus gate negatif pada SCR.

Selanjutnya waktu anode positif, kapasitor C diisi muatan malalui R dengan

tetapan waktu RC. Bila V melampaui tegangan ambang (V) maka SCR akan

berkonduksi sehingga V = 0. Dengan mengatur R, sudut konduksi dapat

diatur dari 0 sampai 180°.

Rangkaian picu yang lain menggunakan osilator relaksasi dengan UJT, PUT,

atau thyristor lain. Kita akan bahas ini setelah mempelajari triac

77

3.7.5 Triac

Triac adalah singkatan dan Triode AC Switch, yaitu thyristor dengan

elektrode picu yang mampu mengalirkan arus bolak-balik (AC). Struktur dan

simbol triac dilukiskan pada Gambar 3.38.

MT2

MT2

P

N gate0

MT1

0 0gate MT1

(a) (b)

Gambar 3.38 a) Struktur triac b) Lambang triac

Elektrode MTI ( Main Terminal no. 1) dan sering disebut anode no.1 (Al),

sedangkan MT2 sering dinyatakan sebagai A2 Karakteristik IN untuk triac

adalah seperti terlukis pada Gambar 3.39.

Tampak bahwa triac mempunyai karaktenistik IN yang simetrik, dan dapat

berkonduksi untuk V positif atau negatif. Untuk arus gate 1 = 0 bila V > V

maka arus triac akan berkonduksi. Bila arus I < I (arus bertahan) triac akan

padam. Triac dapat dipicu oleh arus gate positif (masuk gate) atau oleh arus

negatif (keluar gate). Ada empat modus untuk picu triac, yaitu

1. MT2+, Gate + disebut kuadran 1+

2. MT2+, Gate - disebut kuadran I

3. MT2-, Gate + disebut kuadran III+

4. MT2-, Gate - disebut kuadran III

78

Triac paling peka adalah untuk picu I+ dan III-, sedikit kurang peka pada

kuadran I- dan III+. Gambar 3.39a menunjukkan bagaimana triac digunakan

untuk saklar terkontrol, dan Gambar 39b menunjukkan bentuk tegangan dan

arus dalam rangkaian. Dengan mengatur sudut tembakan dari 0° hingga

180° arus dapat diubah dari aliran penuh hinigga menjadi not.

v 'A

0 80V

(a)

Gambar 3.39 a) Rangkaian picu kontrol fase untuk triac b) Bentuk V (t), V(t), V(t), dan I(t)

3.7.6 Komponen aktif untuk picu SCR dan Triac

Untuk kontro! fase pada SCR dan triac digunakan beberapa komponen aktif,

seperti UJT, PUT, diac picu, diac thyristor, Silicon Unilateral Switch (SUS).

dan Silicon Bilateral Switch (SBS), diode Schottky, dll. Kita telah membahas

UJT. dan PUT. Dalam bagian ini akan dibahas secara singkat,diac, SUS, dan

SBS. Komponen-komponen ini digunakan dalam rangkaian osilator relaksasi.

a. Diac

Ada dua macam diac, yaitu diac picu dan disc thyrstor. Diac picu mempunyai

struktur transistor. Lambang dan karakteristik daripada diac picu adalah

seperti pada Gambar 3.40.

79

(b)

Gambar 3.40 a) Lambang diac picub) Karakteristik diac picu

Perhatikan bahwa untuk arus Iebih besar dari 1 diac pica mempunyai

hambatan negatif Diac digunakan dalam osilator relaksasi seperti akan

dibahas pada bagian berikutnya. Untuk diac picu tipe ST2 buatan General

Electric V = 28 V hingga 36 V dan I = 200 mA (maksimum). Diac thyristor

adalah suatu piranti PNPN dengan simbol dan karakteristik seperti pada

Gambar 3.41. ,

4 7 e0 V10 V

Gambar 3. 41 a) Lambang diac thyristor b) Karaktenistik

Tampak bahwa diac thyristor tak punya daerah hambatan negatif Diac

thyristor digunakan untuk menghasilkan pulsa picu positif dan negatif dengan

RC yang dipasang pada tegangan AC.

80

b. Silicon Unilateral Switch (SUS)

SUS adalah suatu SCR kecll dengan gate terpasang pada anode, dan suatu

diode zener dipasang antara gate dan katode. Akibatnya breakover terjadi

pada tegangan yang kecil. Lambang, rangkaian ekulvalen dan karaktenistik

SUS adalah seperti pada Gambar 3.42. Spesifikasi SUS tipe 2N4987 adalah

seperti di bawah ini

Tegangan switching V ... ..

Arus switching I . ..

Tegangan maju

(pada arus 170 mA) V . .

Tegangan pulsa V

.6 hingga 10 V

0,5 mA. Arus bertahan I . . . . . . . . . . . . . . .. 1,5 mA

. . . . 1,5 V Tegangan reverse V . . .. . . .. . 30 V

...3,5 V

Tegangan pulsa V adalah tegangan pulsa minimum yang dihasilkan oleh

SUS. I

A

0

VR

07

rr

l

V V $

O

(a)

Gambar 3.42 SUS a) Lambang b) rangkaian ekivalen c) karaktenistik

c. Silicon Bilateral Switch (SBS)

Silicon Bilateral Switch (SBS) adalah seperti SUS akan tetapi dapat

mengalirkan arus bolak-balik. Lambang, rangkaian ekivalen dan kurva

karakteristiknya adalah seperti pada Gambar 3.43.

81

A

G

Is

0

(a)

Gambar 3.43 SBS a) Lambang b) Rangkaian ekivalen, c) karakteristik

Bentuk umum rangkaian relaksasi yang digunakan untuk fase adalah seperti

pada Gambar 3.44.

v dc -

eP

R

piranG t

P+"

ep

Gambar 3.44 Bentuk umum rangkaian osilator relaksasi

R1 adalah untuk mengatur frekuensi pulsa keluaran e(t), sedangkan R2

adalah beban yang terdiri dari hambatan suatu resistor yang dipasang

paralel dengan hambatan gate SCR atau triac yang dikontrol. Gambar 3.45

hingga 3.48 menunjukkan beberapa rangkaian picu untuk SCR dan triac.

Saw S

V 0

V 0

0

T R tCt

0 . o

Gambar 3.45 Osilator relaksasi UJT

82

Gambar 3.46 Osilator relaksasi PUT

Gambar 3.47 Osilator relaksasi SUS

v 0--, Sf 0-dC dc

`v1

R

SBS R

(a) (b)

Gambar 3.48 Picu ac a) SBS, b) Diac picu

3.7.7 Rangkaian pemadam lampu 800 W

Sebagai contoh pemakaian triac untuk kontrol, kita bahas rangkaian

pemadam lampu dengan nmenggunakan triac. Rangkaian ini ditunjukkan

pada Gambar 3.49.

83