IC TTL

Selama ini kita hanya mengenal symbol-symbol suatu gerbang logika. Di dalam prakteknya suatu gerbang-gerbang logika ini dikemas dalam suatu IC (integrated circuits). Salah satu diantaranya yang terkenal adalah TTL (transistor-transistor logic). Setiap IC TTL ini mempunyai seri-seri tersendiri yang sudah ditetapkan oleh pabrik. Untuk lebih jelasnya berikut ini adalah salah satu data book dari TTL seri 74 yaitu SN74LS00.

Seri 74LS (low power dengan Scottky-clamp diodes), untuk seri yang sama seperti seri 74L (low power) seri 74H (high power) dan seri 74S (fast speed).

Penggunaan scottky diodes dengan rangkaian transistor paling banyak memberikan transistor switching tercepat karena waktu propagasinya terpendek, sedangkan 74H memboroskan tenaga terbesar dan menangani arus output terbesar.

IC TTL ini hanya akan bekerja jika pin-pin power IC tersebut (GND untuk arus minus dan Vcc untuk arus plus) dihubungkan dengan sumber tegangan.

Read More »

Dioda Zener

Dioda zener adalah dioda silikon yang khusus dibuat untuk beroperasi di daerah breakdown (bias mundur) dari suatu dioda. Dioda zener merupakan tulang punggung rangkaian pengatur tegangan, rangkaian yang mampu mempertahankan tegangan tetap konstan pada suatu nilai walaupun ada perubahan pada tegangan input maupun resistor beban.

Grafik I – V

Gambar 1,a menunjukkan simbol suatu dioda zener. Garis yang membentuk huruf “z” sebagai tanda bahwa itu adalah dioda zener. Dioda zener dapat beroperasi pada daerah bias maju, bocor, dan breakdown. Gambar 1.c menunjukkan grafik I-V dari suatu dioda zener. Dalam daerah maju, dioda zener mulai menghantar pada tegangan 0,7 V, seperti dioda biasa. Dalam daerah bocor (leakage), yaitu daerah antara nol dan breakdown, hanya mempunyai arus balik yang kecil. Dalam daerah breakdown, dioda zener mempunyai “lutut” yang tajam, yang diikuti oleh pertambahan arus yang hampir vertikal. Pada titik tersebut, tegangan breakdown akan konstan pada nilai Vz. Pada gambar 1.c juga terlihat adanya arus mundur I_ZT dan arus mundur maksimum I_ZM. Sepanjang arus mundur belum mencapai I_ZM   maka dioda zener aman beroperasi.

Gambar 1. Simbol dan grafik I – V dioda zener

Regulator Zener

Dioda zener terkadang disebut sebagai dioda regulator tegangan karena mampu mempertahankan tegangan output tetap pada sustu nilai walaupun ada perubahan arus yang melaluinya. Dalam gambar 2.a terlihat gambar operasi normal dari suatu dioda zener, dimana dioda zener harus diberi bias mundur untuk dapat beroperasi. Untuk mencapai operasi pada daerah breakdown, sumber tegangan V_s harus lebih besar dari tegangan breakdown dioda zener V_Z. Sebuah resistor R_s dipasang seri untuk membatasi arus zener kurang dari batas arus maksimum yang diperbolehkan.

 Gambar 2. (a) rangkaian dasar  (b) rangkaian alternatif (c) power supply dengan regulator zener

Dalam gambar 2.b. tegangan pada resistor Rs adalah sebanding dengan perbedaan tegangan antara Vs dan Vz . Sehingga arus yang mengalir pada Rs adalah :

Setelah mendapatkan nilai Is maka kita juga akan mengetahui arus yang mengalir pada dioda zener yang nilainya sama dengan I_s, nilai I_s harus lebih kecil dari pada nilai I_ZM.

Dioda Zener Ideal

Untuk troubleshooting dan analisa awal kita bisa melakukan pendekatan pada daerah breakdown adalah vertikal. Artinya tegangan zener akan konstan walaupun ada perubahan arus, yang artinya kita mengabaiakan adanya resistor bulk. Gambar 3. Menunjukkan pendekatan ideal dari zener, tampak zener dianggap sebagai sumber tegangan dengan nilai Vz jika beroperasi didaerah breakdown.

Gambar 2. Pendekatan ideal zener

 

Contoh soal 1

 Diasumsikan zener pada gambar berikut mempunyai tegangan breakdown 10 V. Tentukan nilai arus zener minimum dan maksimumnya?

Jawab :

Tegangan input Vs berubah antara 20 V sampai 40 V, sedangkan jika menggunakan pendekatan ideal maka tegangan zener akan bernilai 10 V sehingga tegangan output tetap 10 V untuk tegangan input antara 20 sampai 40 V.

Untuk mencari arus minimum maka digunakan tegangan input minimum yaitu 20 V. Sehingga tegangan pada resistor adalah 20 V – 10 V = 10 V. Dengan menggunakan hukum ohm maka didapat :

Is = 10 / 820 = 12,2 mA

Untuk mencari arus maksimum maka digunakan tegangan input maksimum yatu 40 V. Sehingga tegangan resistor adalah 40 – 10 V = 30 V. Dan arus yang mengalir pada resistor adalah :   

Is = 30 / 820 = 36,6 mA

Penerapan regulator zener

Gambar 4 menunjukan rangkaian penerapan regulator zener. Zener beroperasi pada daerah breakdown dan akan mempertahankan tegangan beban. Walaupun tegangan sumber berubah dan atau resistor beban beruabah, tegangan beban akan tetap sebesar tegangan zener.

Gambar 4. Pembebanan pada reguletor tegangan zener

Dengan melihat rangkaian pada gambar 4, terlihat antar Vs, Rs dan R_L akan membentuk rangkaian pembagi tegangan. Dengan menerapkan rumus pembagi tegangan maka didapatkan :

Ini adalah tegangan jika zener dicopot dari rangkaian. Tegangan ini harus lebih besar dari tegangan zener untuk memastikan terjadinya zener berada pada daerah breakdown.
Arus yang mengalir pada resistor dinyatakan : (1)

Secara ideal tegangan beban akan sama dengan tegangan zener, V_L = V_Z  (2), karena resistor beban paralel dengan zener. Dengan hukum ohm, arus yang mengalir pada beban I_L = V_L / R_L.  (3)

Arus Zener

Menggunakan hukum arus kirchof : I_s = I_z + I_L. Zener dipasang paralel dengan resistor beban. Jumlah arus zener dan resistor beban akan sama dengan arus total, yang akan sama dengan arus yang mengalir melalui resistor seri. Dengan mengatur persamaan diatas maka didapatkan arus zener sebagai berikut ; I_z = I_s – I_L  (4).  Ada langkah-langkah untuk menganalisa rangkaian pembebanan regulator zener, semuanya ditunjukkan dalam tabel berikut :

Langkah	Proses	Komemntar
1	Hitung arus seri  Is, pers. (1)	Gunakan hukum ohm pada Rs
2	Hitung tegangan beban, Pers.(2)	Tegangan beban = tegangan zener
3	Hitung arus beban, pers. (3)	Terapkan hukum ohm pada RL
4	Hitung arus zenner , pers (4)	Terapkan hukum arus kirchof pada zener

Contoh soal 2

Cek apakah zener pada rangkaian berikut berada pada daerah breakdown?

Jawab:

Dari rumus pembagi tegangan :

Karena tegangan V_TH lebih besar dari tegangan zener, maka zener beroperasi pada daerah brekdown.

Contoh soal 3

Hitung nilai arus zener pada gambar rangkaian (b) diatas.

Jawab :

Tegangan yang melalui resistor seri adalah 18 v – 10 V = 8 V

Sehingga arus seri Is = 8 V / 270 Ω = 29,6 mA

Karena tegangan zener = 10 V maka tegangan beban V_L = 10 V sehingga arus beban :

I_L = V_L / R_L = 10 V / 1k Ω = 10 mA

Arus zener adalah I_Z = I_s – I_L = 29,6 mA – 10 mA = 19,6 mA

Contoh soal 4

Apa yang terjadi pada rangkaian berikut :

 Jawab :
Ini adalah contoh rangkaian pre regulator zener, dimana zener pertama akan mengarahkan zener kedua. Pertama harus dilihat bahwa pre regulator akan mengahsilkan tegangan output sebesar 20 V dan akan menjadi tegangan input untuk zener kedua. Tegangan keluaran akan sama dengan tegangan zener kedua yaitu 10 V.

Contoh soal ke 5
Apa yang terjadi pada gambar berikut :    

Jawab :

Zener dapat digunakan pada rangkaian pembentuk gelombang seperti pada gambar di atas. Pada hubungan back-to-back dari dua zener. Pada setengah siklus positif, zener atas beroperasi dan zener bawah breakdown. Sehingga output terpotong seperti gambar. Level terpotong sama dengan teganag zener (doioda breakdown) ditambah 0,7 V (bias maju dioda).

Pada setengah siklus negatif, aksi akan terbalik. Zener bawah beroperasi dan zener atas breakdown, sehingga keluaran akan mirip gelombang kotak.

Pendekatan ke-2 dioda zener

Gambar 5 menunjukan pendekatan ke-2 dari zener. Sebuah resistansi zener dipasang seri dengan ideal baterai. Tegangan yang mengalir pada zener akan sama dengan tegangan breakdown ditambah tegangan yang mengalir pada resistansi zener. Karena nilai RZ sangat kecil akan mengakibatkan efek yang kecil pada tegangan yang mengalir pada zener.

Bagaiamana cara menghitung efek dari resistansi zener pada tegangan beban? Gambar 5 b akan memeperlihatkan bahwa idealnya tegangan beban akan sama dengan tegangan zener tetapi dengan pendekatan ke-2 zener seprti gambar 5.c maka ada penambahan drop tegangan pada resistansi zener.

Karena arus zener mengalir melalui resistansi zener maka tegangan beban kan bernilai :

V_L = V_Z + I_ZR_Z

Gambar 5. pendekatan ke-2 zener

Efek pada ripple

Seperti pada gambar 6 terlihat bahwa yang mempengaruhi ripple adalah ketiga resistor yang ada. Karena dalam desain R_Z sangat kecil dibanding dengan R_L maka hanya ada dua komponen yang signifikan berakibat pada ripple yaitu tahan seri dan tahanan zener (seperti gambar 6.b).  Suhingga menggunakan rumus pembagi tegangan kita dapat menulis rumus tegangan output riple sebagai :

dan karena R_Z << R_S maka

Gambar 6. efek riplle zener

Contoh soal

Zener pada gambar berikut mempunyai tegangan break down 10 V dan resistansi zener 8,5 Ω. Gunakan pendekatan zener ke-2 untuk menghitung tegangan beban jika arus zener 20 mA.

Jawab :

∆V_L = I_ZR_Z = 20mA x 8,5 Ω = 0,17 V

Dengan pendekatan ke-2 zener maka tegangan beban V_L = 10 V + 0,17 V = 10,17 V

Contoh soal

Jika pada gambar diatas (yang sama) nilai R_s = 270 Ω, R_z = 8,5 Ω dan V_R(in) = 2 V Hitung ripple tegangan yang melewati beban.

Jawab :

Read More »

Teori Dioda

Dioda merupakan komponen elektronika yang non linier karena dalam gambar kurva karakteristik arus terhadap tegangan tidak menggambarkan garis yang lurus. Ketika tegangan dioda kurang dari tegangan batas, arus dioda kecil. Ketika tegangan dioda melebihi tegangan batas (tegangan knee) arus dioda naik secara cepat.

1. Simbol dioda

Gambar simbol skematik dioda terlihat seperti pada gambar 1a. Sisi p disebut sebagai anoda dan sisi n disebut sebagai katoda. Gambar 1b. menunjukan beberapa bentuk fisik dari dioda. Beberapa atau tidak selalu kaki katoda pada dioda dikenali dengan adanya tanda gelang berwarna. Sedangkan gambar 1.c menunjukan gambar rangkaian bias maju suatu dioda dimana kaki anoda tersambung dengan kutub positif baterai dan kaki katoda tersambung dengan kutub negatif baterai.

Gambar 1.

2. Kurva dioda

Dengan memberi bias maju kepada dioda seperi gambar 1.c diatas, kita dapat mengukur arus dan tegangan dioda. Kemudian kita buat plot data hasil pengukuran menjadi gambar grafik kurva dioda seperti pada gambar 2.

Pada gambar tersebut nampak bahwa pada bagian bias maju dimana arus dioda naik secara cepat dimulai pada suatu nilai tegangan tertentu yang dikenal sebagai tegangan lutut (knee voltage) V_k = 0,7 V.

Dari gambar juga tampak bahwa setelah tegangan dioda melewati tegangan lutut arus akan naik, hal ini disebapkan adanya parameter yang disebut sebagai ohmic resistance dalam dioda. Karena dioda terbentuk dari gabungan komponen sisi p dan n dimana masing-masing mempunyai nilai hambatan tertentu maka dalam dioda terdapat hambatan dalam yang disebut sebagai hambatan bulk yang merupakan penjumlahan kedua hambatan ohmic dioda.

R_B = R_p + R_n

Gambar 2.

3. Pendekatan ideal dioda

Kurva dioda seperti pada gambar 2 kadang berbeda untuk masing-masing dioda, walaupun untuk dioda silikon nilai tegangan knee akan tetap 0,7 V. Untuk mempermudah analisa suatu rangkaian dioda akan coba dibuat 3 pendekatan yang bisa dipergunakan. Yang pertama adalah pendekatan ideal suatu dioda dimana dioda disimpulkan seperti sebuah saklar pada suatu rangkaian yanga akan menutup jika dibias maju dan akan terbuka jika dibias mundur.

Gambar 4.

Dari gambar kurva dioda ideal nampak bahwa dioda seolah-olah mempunyai hambatan = 0 saat dibias maju dan hambatan tak terhingga saat dibias mundur.

4. Pendekatan ke-2 dioda

Dalam pendekatan ini, kita gambarkan dioda sebagai sebuah saklar yang terhubung seri dengan tegangan lutut Vk = 0,7 V. Jika tegangan pengganti tevenin yang tersambung ke dioda melebihi 0,7 V maka saklar akan menutup.

 Gambar 5. Pendekatan 2

5. Pendekatan ke-3 dioda

Pendekatan ini jarang dipergunakan karena nilai hambatan bulk sangat kecil sehingga bisa diabaikan. Jika nilai hambata bulk memenuhi syarat :  R_B < 0,01 R_T (tahanan tevenin di depan dioda) maka R_B bisa diabaikan. Dalam pendekatan  ini dioda digambarkan sebagai sebuah saklar yang tersambung seri dengan tegangan lutut dan sebuah hambatan bulk.

Nilai V_D = 0,7 V + I_DR_B

 Gambar 6. Pendekatan 3

Contoh soal pembahasan pendekatan dioda :

Suatu rangkaian dioda tampak seperti gambar 7. Hitung nilai I_L dan V_L untuk masing-masing pendekatan 1, 2, dan 3 untuk gambar 7.a dan 7b. Untuk pendekatan ke-3 dimisalkan menggunakan dioda 1N4001 dengan R_B = 0,23 Ω.

Jawab :

Untuk gambar 7a :
1. Pendekatan ideal : 

Karena dioda dibias maju maka dioda dianggap sebagai saklar tertutup sehingga tegangan sumber akan terukur pada beban atau V_L = V_s = 10 V.

Dengan menggunakan hukum ohm didapatkan nilai arus beban :

2. Pendekatan ke-2 :

Karena dioda dibias maju, maka tegangan beban V_L  akan berupa tegangan sumber dikurangi drop tegangan di dioda.

Dan

2. Pendekatan ke-3 :

Karena nilai R_B = 0,23 Ω dan sangan kecil jika dibandingkan dengan nilai R_L = 1 KΩ, maka nilai R_B dapat diabaikan sehingga nilai I_L dan V_L akan sama dengan nilai I_L pada pendekatan ke-2 sebesar 9,3 mA dan nilai V_L = 9,3 V.

Untuk gambar 7b : 

Untuk menyelesaikan soal seperti gambar 7b. maka terlebih dahulu perlu dibuat penyederhanaan menggunakan teori tevenin norton seperti gambar dibawah ini.

Terlihat ada rangkaian pembagi tegangan dengan hambatan 6 KΩ dan hambatan 3 KΩ sebelum dioda jika dilihat dari tegangan sumber. Sehingga didapatkan nilai teganagn tevenin (tegangan di hambatan 3 KΩ ) sebesar :

Dan nilai tahanan tevenin (tahanan paralel antara 3KΩ dan 6KΩ) = 2 KΩ
1. Pendekatan dioda ideal
Dari gambar penyederhanaan tevenin bisa dihitung nilai IL sebesar :

R adalah hambatan seri antara 1 KΩ dan 2 KΩ
Dan nilai V_L = I_L x R_L = 4 mA x 1 KΩ = 4 V
2. Pendekatan ke-2 :  
Karena tegangan dioda sebesar 0,7 V maka nilai IL :

Dan nilai VL = IL x RL = 3,77 mA x 1 KΩ = 3,77 V
3. Pendekatan ke-3

Karena nilai R_B = 0,23 Ω dan sangat kecil jika dibandingkan dengan nilai R_L = 1 KΩ, maka nilai R_B dapat diabaikan sehingga nilai I_L dan V_L akan sama dengan nilai I_L pada pendekatan ke-2 sebesar 3,77 mA dan nilai V_L = 3,77 V.

Soal untuk pendekatan ke-3 :

Jika nilai tahanan beban pada gambar 7a. diganti dengan tahanan senilai 10 Ω maka hitung IL dan VL.

Jawab :

ekuivalen dengan

Sehingga total hambatan menjadi R_T = 0,23 Ω + 10 Ω = 10,23 Ω

Tegangan yang melewati R_T sebesar V_T = 10 V – 0,7 V = 9,3 V

Maka nilai  

dan V_L = I_L x R_L = 0,909 x 10 Ω = 9,09 V

6. Analisa Up-Down

Analisa ini digunakan untuk lebih memahami suatu rangkaian. Misalkan dioda dirangkai seperi pada gambar berikut :

Pada pendekatan ke-2 ada 3 parameter yaitu V_s (tegangan sumber), R_L (hambatan beban) dan V_k (tegangan knee)  dan ada 5 parameter yang tergantung dari ketiga nilai tersebut yaitu V_L (tegangan beban), I_L (arus beban), P_D (daya dioda) , P_L (daya beban), dan P_T (daya total). Jika tegangan sumber dinaikkan maka akan terlihat parameter mana yang akan naik (Up), turun (Down) atau tetap (No change).

• If the source voltage increases slightly, the diode drop is still 0,7V, which means that the load voltage has to increase. If the load voltage increase, the load current increases. An increase in load current means that the diode power and load power increase. The total power is sum of diode power and load power, so total power must increase.   

Dari pernyataan tersebut bisa dibuat tabel sebagai berikut :

	VL	IL	PD	PL	PT
Vs naik	U	U	U	U	U
RL naik	N	D	D	D	D
Vk naik	D	D	U	D	D

7. Garis beban dioda

Garis beban seperti yang sering akan dijumpai pada transistor digunakan untuk mengetahui nilai sebenarnya dari suatu arus dan tegangan dioda pada suatu rangkaian.

Misal dioda dirangkai bias maju seperti gambar berikut : 

Maka akan didapatkan garis beban dengan melalui tahap sebagai berikut:

berdasarkan rumus tersebut akan kita cari nilai I_D jika V_D = 0 dan V_D = V_S.
      1. Untuk VD = 0 maka nilai 

      2. Untuk VD = VS= 2 V maka nilai 

Dari kedua nilai I_D tersebut dan nilai V_D masing-masing ke dalam kurva dioda maka dapat ditarik garis yang nantinya akan disebut garis beban. Titik yang berpotongan antara garis beban dan garis kurva dioda disebut titik Q yang akan menunjukkan nilai sebenarnya dari arus dioda dan tegangan dioda untuk rangkaian dioda tersebut.  

 

Gambar garis beban dan titik Q seperti pada gambar berikut :   

Read More »