Dokumen tersebut membahas tentang semikonduktor dari aspek sains, teknologi, aplikasi dan dampaknya. Secara ringkas, dibahas mengenai struktur atom semikonduktor, sifat semikonduktor tipe-N dan tipe-P, teknologi diode semikonduktor beserta karakteristik dan aplikasinya seperti rectifier dan LED."

1. Fisika Teknik Lajut 2017
1
PEMBAHASAN SEMIKONDUTOR
DARI ASPEK SAINS, TEKNOLOGI, APLIKASI DAN
DAMPAK
Presented by Brian Raafiu 2416201204
SEMIKONDUKTOR
SAINS
1. Struktur Atom Semikonduktor
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 positif, sedangkan elektron-elektron yang
bermuatan negatif mengelilingi inti. Elektron-elektron ini tersusun berlapis-lapis.
Operasi emua komponen benda padat seperti diode, Led, Transistor atau
rangkaian lainnya didasarkan atas sifat-sifat semikonduktor. Struktur atom dengan
model Bohr dari bahan semikonduktor yang paling banyak digunakan
adalah silikon dan germanium.
Gambar 1. Strktur Atom Bahan Silikon (a), Bahan Germanium (b).

2. Fisika Teknik Lajut 2017
2
Secara umum semikondukor adalah bahan yang sifat-sifat kelistrikannya
terletak antara sifat konduktor dan isolator. Sifat-sifat kelistrikan konduktor maupun
isolator tidak mudah berubah oleh pengaruh temperatur, cahaya atau medan
magnet, tetapi pada semikonduktor sifat-sifat tersebut sangat sensitive.
Seperti ditunjukkan pada Gambar 1, Atom silikon mempunyai elektron yang
mengorbit (yang mengelilingi inti) sebanyak 14 dan atom germanium mempunyai
32 elektron. Pada atom yang seimbang (netral) jumlah elektron dalam orbit sama
dengan jumlah proton dalam inti. Elektron yang menempati lapisan terluar disebut
sebagai 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). Empat elektron valensi
tersebut terikat dalam struktur kisi-kisi, sehingga setiap elektron valensi akan
membentuk ikatan kovalen dengan elektron valensi dari atom-atom yang
bersebelahan. Struktur kisi kisi kristal silikon urini digambarkan pada Gambar 2.
Gambar 2. Struktur kristal silikon ikatan kovalen
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 tersebut cukup kuat untuk memisahkan
elektron dari ikatan kovalen, maka elektron tersebut menjadi bebas atau
Si Si Si
elektron
valensi
Si Si Si
Si Si Si
ikatan
kovalen

3. Fisika Teknik Lajut 2017
3
disebut dengan elektron bebas. Pada suhu ruang terdapat kurang lebih 1.5 x
1010 elektron bebas dalam 1cm3 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,
dengankata lain konduktivitas bahan meningkat.
2. Semikonduktor Tipe N
Apabila bahan semikonduktor murni (intrinsik) diberi dengan bahan
bervalensi lain (didoping) maka diperoleh semikonduktor ekstrinsik. Jika bahan
silikon didoping dengan bahan ketidak murnian (impuritas) bervalensi lima
(penta-valens), maka diperoleh semikonduktor tipe n. Bahan dopan yang
bervalensi lima ini misalnya antimoni, arsenik, dan pospor. Struktur kisi-kisi
kristal bahan silikon type n dapat dilihat pada Gambar 3
Gambar 3 . Struktur Kristal Semikonduktor Silikon tipe N
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

4. Fisika Teknik Lajut 2017
4
elektron kelima ini dengan inti menjadi 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 bahan silikon type n ini mengandung elektron bebas (pembawa
mayoritas) cukup banyak, namun secara keseluruhan kristal ini tetap netral karena
jumlah muatan positip pada inti atom masih sama dengan jumlah keseluruhan
elektronnya. Pada bahan type n disamping jumlah elektron bebasnya
(pembawa mayoritas) 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 dapat digambarkan
seperti pada Gambar 4. Jarak antara pita konduksi dengan level energi donor
sangat kecil yaitu 0.05 eV untuk silikon dan 0.01 eV untuk germanium. Oleh
karena itu pada suhu ruang saja, maka semua elektron donor sudah bisa
mencapai pita konduksi dan menjadi elektron
bebas.
Gambar 4. Diagram Pita Energi Semikonduktor Tipe N
Bahan semikonduktor tipe n dapat dilukiskan seperti pada Gambar 5. Karena
atom-atom donor telah ditinggalkan oleh elektron valensinya (yakni menjadi
elektron bebas), maka menjadi ion yang bermuatan positif. Sehingga digambarkan

5. Fisika Teknik Lajut 2017
5
dengan tanda positif. Sedangkan elektron bebasnya menjadi mayoritas. Dan
minoritasnya berupa hole.
Gambar 5. Bahan Semikonduktor tipe N
3. Semikonduktor Tipe P
Apabila bahan semikonduktor murni (intrinsik) didoping dengan bahan
impuritas (ketidak-murnian) bervalensi tiga, maka akan diperoleh semikonduktor
type p. Dopan yang bervalensi tiga tersebut seperti boron, galium, dan indium.
Struktur kisi-kisi kristal semikonduktor (silikon) tipe p seperti gambar 6.
Gambar 6 Struktur kristal semikonduktor (silikon) tipe P

6. Fisika Teknik Lajut 2017
6
Karenaatom 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 lainnya.
Dengan demikian sebuah atom ber valensi 3 akan menyumbangkan sebuah hole.
Atom valensi ini disebut degan atom aseptor, karena atom ini siap untuk menerima
elektron. Pada tipe P hole merupakan pembawa muatan mayoritas. Karena dengan
penambahan atom akan meningkatkan jumlah hole sebagai pembawa muatan.
Sedangkan 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 type p dapat dilukiskan seperti pada Gambar
8. Karena atom-atom akseptor telah menerima elektron, maka menjadi ion
yang bermuatan negatip. Sehingga digambarkan dengan tanda negatif. Pembawa
minoritas berupa elektron

7. Fisika Teknik Lajut 2017
7

8. Fisika Teknik Lajut 2017
8
SEMIKONDUKTOR
TEKNOLOGI
“DIODE”
1. Diode Semikondutor
Diode merupakan teknologi penerapan dari kombinasi bahan
semikonduktor. Diode dibentuk dengan cara menyambungkan semikonduktor
Tipe P dengan Tipe N. Sambungan tipe P dengan tipe N hole hole pada tipe P
dan Elektron elektron pada tipe N cenderung untuk berkombinasi. Hole dan
elektron yang berkombinasi ini saling meniadakan, sehingga pada daerah sekitar
sambungan kosog dan terbentuk daerah pengosongan (depletion region).

9. Fisika Teknik Lajut 2017
9
Oleh karena itu pada sisi tipe p hanya ada ion ion akseptor bermuatan
negatif dan pada sisi tipe n tinggal ion ion donor bermuatan positif. Namun
proses ini tidak berlansung terus menerus,karena potensial ion ion tersebut akan
menghalanginya. Potensial atau tegangan ini disebut denfan tegangan
penghalang (barriel potensial). Besarnya adalah 0.2 untuk germanium dan 0.6
untuk silikon.
2. Bias Mundur (Reverse Bias)
Bias mundur adalah pemberian tegangan negatif supply ke anoda (A) dan
tegangan positif ke katoda (K) dari suatu diode. Gambar 10 menunjukan
diode diberi bias mundur.
Karena pada ujung anoda bahan tipe P diberi tegangan negatif,
maka hole hole akan tertarik ke kutub negatif suplly, menjauhi
persambungan. Demikian juga karena pada ujung katoda berupa bahan
tipe N diberi tegangan positif, maka eletron elektron akan tertarik ke kutp
positif supply, menjauhi persambungan. Sehingga daerah pengosongan
semakn lebar. Dan arus yang disebakan pembawa mayoritas tidak ada
yang mengalir. Sedangkan pembawa minoritas yang berupa elektron
pada bahan tipe P dan hole pada tipe N akan berkombinasi sehingga
mengalir arus jenuh mundur atau (Is). Pada suhu ruang besarnya Is skala

10. Fisika Teknik Lajut 2017
10
mikro ampere untuk diode germanium, dan dalam skala nano ampere
untuk bahan silikon.
3. Bias Maju (Forward Bias)
Apabila tegangan positif suplly dihubungkan ke anoda (A) dan negtifnya
ke katoda (K), maka diode disebut mendapatkan bias maju. Dengan
demikian VA+K adalah positif atau VA+K > 0. Gambar 11 menunjukan
diode 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 negatip 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
diode diberi bias maju. Dan arus diode yang disebabkan oleh
pembawa mayoritas akan mengalir, yaitu ID.
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 diode ditentukan oleh ID.

11. Fisika Teknik Lajut 2017
11
4. Karakteistik Diode
Konstruksi
n p
Gambar 12 Konstrusi Diode
Karakteristik Diode
Dari gambar karakteristik diode terlihat bahwa bila diode diberi
tegangan dengan arah maju lebih besar dari tegangan konduksi (Vf), maka
akan ada arus yang besar sekali melewati rangkaian diode tersebut diode akan
konduksi seperti switch dalam kondisi on atau short circuit, hal ini akan
merusakkan komponen diode atau komponen lain yang tidak mampu dilalui arus
besar. Untuk itu maka pada rangkaian diode selalui ditambahkan tahanan
pembatas arus yang dipasang seri dengan diode.
Gambar 13 Karakteristik Diode

12. Fisika Teknik Lajut 2017
12
SEMIKONDUKTOR
APLIKASI Dan DAMPAK
DIODE
Aplikasi Diode
Aplikasi diode dalam rangkaian elektronika banyak sekali, antara lain : untuk
rectifier (adaptor), proteksi arus balik pada pengendali motor (freewheel), proteksi arus
kejut pada transistor penggerak relay, dsb. Contoh berikut penggunaan diode
sebagai proteksi pada rangkaian relay.
Gambar 14 Aplikasi Diode sebagai proteksi
Arus yang besar terjadi pada saat posisi relay dari on menjadi off. Pada kondisi
tersebut masih terdapat muatan arus pada coil relay. Untuk menjaga kontinyuitas
arus pada relay, arus tersebut dilewatkan pada diode yang terpasang dengan posisi
terbalik parallel dengan coil relay.

13. Fisika Teknik Lajut 2017
13
1. LED
LED adalah singkatan dari Light Emiting Diode, merupakan komponen yang dapat
mengeluarkan emisi cahaya. LED merupakan produk temuan lain setelah
diode. Strukturnya juga sama dengan diode, tetapi belakangan ditemukan bahwa
elektron yang
menembus sambungan P-N juga melepaskan energi berupa energi panas dan
energi cahaya. Untuk mendapatkan emisi cahaya pada semikonduktor, doping
yang dipakai. adalah galium, arsenic dan phosporus. Jenis doping yang berbeda
menghasilkan warna cahaya yang berbeda pula.
Gambar 15 Simbol LED
Warna-warna cahaya LED umumnya adalah warna merah, kuning dan hijau,
tetapi sekarang ini sudah banyak warna-warna LED yang lain biru, ungu dengan
pancaran yang kuat (super bright). Dalam memilih LED selain warna, perlu
diperhatikan tegangan kerja, arus maksimum dan disipasi daya-nya. Tabel berikut
macam-macam warna LED dan karakteristiknya
Tabel karakteristik beberapa type PED
Type Colour
IF
max.
VF
typ.
VF
max.
VR
max.
Luminous
intensity
Viewing
angle Wavelength
Standard Red 30mA 1.7V 2.1V 5V 5mcd @ 10mA 60° 660nm
Standard Bright red 30mA 2.0V 2.5V 5V 80mcd @ 10mA 60° 625nm
Standard Yellow 30mA 2.1V 2.5V 5V 32mcd @ 10mA 60° 590nm
Standard Green 25mA 2.2V 2.5V 5V 32mcd @ 10mA 60° 565nm
High intensity Blue 30mA 4.5V 5.5V 5V 60mcd @ 20mA 50° 430nm
Super bright Red 30mA 1.85V 2.5V 5V 500mcd @ 20mA 60° 660nm
Low current Red 30mA 1.7V 2.0V 5V 5mcd @ 2mA 60° 625nm

14. Fisika Teknik Lajut 2017
14
Rumah (chasing) LED dan bentuknya juga bermacam-macam, ada yang persegi
empat, bulat dan lonjong. Ada pula LED yang memiliki 2 warna (merah dan hijau),
memiliki 3 kaki A1, A2 dan K dengan konstruksi seperti pada gambar dibawah :
Gambar 16 LED dengan 2 warna

15. Fisika Teknik Lajut 2017
15
Menghitung nilai tahanan pada LED
LED dalam aplikasinya harus diberi tahanan pembatas arus yang dipasang seri dengan
LED seperti pada gambar dibawah :
R = (VS-VL)/I
Dimana :
VS = tegangan sumber
VL = tegangan LED (biasanya 2V, 4V untuk
LED biru dan putih)
I = arus LED, besarnya harus lebih rendah
dari yang diijinnkan (misal 20mA)
2. LED Display
LED pada umumnya digunakan sebagai lampu indikator on/off, atau
memberikan informasi mengenai kondisi tertentu dari suatu sistem. LED juga
digunakan untuk menampilkan angka atau display digital atau dot matriks seperti
pada gambar dibawah ini. Beberapa LED tersusun sedemikian rupa membentuk
digit dengan kaki Anoda/Katoda menjadi satu sebagai common

16. Fisika Teknik Lajut 2017
16
a. Bargraph b. 7-segment c. Alphanumeric d. Dot matrix
3. Diode Zener
Diode ini terbentuk dari pertemuan PN Silikon yang di desain khusus untuk dipakai
dalam daerah breakdown sebagai regulator tegangan dan tegangan referensi. Pada
forward bias diode zener mempunyai karakteistik seperti diode biasa, tetapi
pada reverse bias mempunyai resistansi sangat tinggi sampai tegangan tembus
terlampaui (Vz).
Pada saat tegangan tembus terlampaui resistansi akan jatuh dan terjadilah
peningkatan cepat pada arus terbalik. Selama disipasi daya zener tidak terlampaui,
arus terbalik ini tidak akan merusak diode. Ada beberapa Diode Zener dipasaran
dengan tegangan Vz 2.7 volt sampai 75 volt, dengan disipasi daya 500mW, 5W dan
20W.
Simbol Zener

17. Fisika Teknik Lajut 2017
17
Diode zenner sebagai regulator tegangan

18. Fisika Teknik Lajut 2017
18
4. CATU DAYA
PrinsipKerja
Perangkat elektronika pada umumnya dicatu oleh suplai arus searah DC (direct
current) yang stabil agar dapat bekerja dengan baik. Baterai atau accu adalah sumber
catu daya DC yang paling baik. Namun untuk aplikasi yang membutuhkan catu daya
lebih besar, sumber dari baterai tidak cukup. Sumber catu daya yang besar adalah
sumber bolak-balik AC (alternating current) dari pembangkit tenaga listrik. Untuk
itu diperlukan suatu perangkat catu daya yang dapat mengubah arus AC menjadi
DC. Pada tulisan kali ini disajikan prinsip rangkaian catu daya (power supply)
linier mulai dari rangkaian penyearah yang paling sederhana sampai pada catu daya
yang ter-regulasi.

19. Fisika Teknik Lajut 2017
19
5. PENYEARAH (RECTIFIER)
Prinsip penyearah (rectifier) yang paling sederhana ditunjukkan pada gambar-1
berikut ini. Transformator diperlukan untuk menurunkan tegangan AC dari jala-jala
listrik pada kumparan primernya menjadi tegangan AC yang lebih rendah pada
kumparan sekundernya.
gambar 17 : rangkaian penyearah sederhana
Pada rangkaian ini, diode berperan untuk meneruskan tegangan positif ke beban
RL. Ini yang disebut dengan penyearah setengah gelombang (half wave). Untuk
mendapatkan penyearah gelombang penuh (full wave) diperlukan transformator
dengan center tap (CT) seperti pada gambar-17
Gambar 18 : rangkaian penyearah gelombang penuh
Tegangan positif phasa yang pertama diteruskan oleh D1 sedangkan phasa yang
berikutnya dilewatkan melalui D2 ke beban R1 dengan CT transformator sebagai
common ground.. Dengan demikian beban R1 mendapat suplai tegangan gelombang
penuh seperti gambar di atas. Untuk beberapa aplikasi seperti misalnya untuk men-

20. Fisika Teknik Lajut 2017
20
catu motor dc yang kecil atau lampu pijar dc, bentuk tegangan seperti ini sudah
cukup memadai. Walaupun terlihat di sini tegangan ripple dari kedua rangkaian di atas
masih sangat besar.
Gambar 18: Rangkaian penyearah setengah gelombang dengah filter C
Gambar 18 adalah rangkaian penyearah setengah gelombang dengan filter kapasitor
C yang paralel terhadap beban R. Ternyata dengan filter ini bentuk gelombang
tegangan keluarnya bisa menjadi rata. Gambar-19 menunjukkan bentuk keluaran
tegangan DC dari rangkaian penyearah setengah gelombang dengan filter
kapasitor. Garis b-c terjadi akibat pengosongan (discharge) pada kapasitor
sebagai fungsi eksponensial.
gambar 19 : bentuk gelombang dengan filter kapasitor
Kemiringan kurva b-c tergantung dari besar arus I yang mengalir ke beban R.
Jika arus I = 0 (tidak ada beban) maka kurva b-c akan membentuk garis horizontal.
Namun jika beban arus semakin besar, kemiringan kurva b-c akan semakin tajam.

21. Fisika Teknik Lajut 2017
21
Tegangan yang keluar akan berbentuk gigi gergaji dengan tegangan ripple yang
besarnya adalah :
Vr = VM -VL …....... (1)
dan tegangan dc ke beban adalah
Vdc = VM + Vr/2 ..... (2)
Rangkaian penyearah yang baik adalah rangkaian yang memiliki tegangan ripple
paling kecil. VL adalah tegangan discharge atau pengosongan kapasitor C, sehingga
dapat ditulis :
VL = VM e –T/RC
.......... (3)
Jika persamaan (3) disubsitusi ke rumus (1), maka
diperoleh :
Vr = VM (1 – e –T/RC
) ...... (4)
Jika T << RC, dapat ditulis :
e –T/RC
= 1 – T/RC..... (5)
sehingga jika ini disubsitusi ke rumus (4) dapat diperoleh persamaan yang lebih
sederhana:
Vr = VM(T/RC) .... (6)
VM/R tidak lain adalah beban I, sehingga dengan ini terlihat hubungan antara beban
arus I dan nilai kapasitor C terhadap tegangan ripple Vr. Perhitungan ini
efektif untuk mendapatkan nilai tengangan ripple yang diinginkan.
Vr = I T/C... (7)
Rumus ini mengatakan, jika arus beban I semakin besar, maka tegangan
ripple akan semakin besar. Sebaliknya jika kapasitansi C semakin besar, tegangan
ripple akan semakin kecil. Untuk penyederhanaan biasanya dianggap T=Tp, yaitu
periode satu gelombang sinus dari jala-jala listrik yang frekuensinya 50Hz atau 60Hz.
Jika frekuensi jala-jala listrik 50Hz, maka T = Tp = 1/f = 1/50 = 0.02 det. Ini

22. Fisika Teknik Lajut 2017
22
berlaku untuk penyearah setengah gelombang. Untuk penyearah gelombang penuh,
tentu saja fekuensi gelombangnya dua kali lipat, sehingga T = 1/2 Tp = 0.01 det.
Penyearah gelombang penuh dengan filter C dapat dibuat dengan menambahkan
kapasitor pada rangkaian gambar 2. Bisa juga dengan menggunakan transformator
yang tanpa CT, tetapi dengan merangkai 4 diode seperti pada gambar-5 berikut ini.
gambar 20 : rangkaian penyearah gelombang penuh dengan filter C
Sebagai contoh, anda mendisain rangkaian penyearah gelombang penuh dari catu
jala-jala listrik 220V/50Hz untuk mensuplai beban sebesar 0.5 A. Berapa nilai
kapasitor yang diperlukan sehingga rangkaian ini memiliki tegangan ripple yang
tidak lebih dari 0.75 Vpp. Jika rumus (7) dibolak-balik maka diperoleh.
C = I.T/Vr = (0.5) (0.01)/0.75 = 6600 uF.
Untuk kapasitor yang sebesar ini banyak tersedia tipe elco yang memiliki
polaritas dan tegangan kerja maksimum tertentu. Tegangan kerja kapasitor yang
digunakan harus lebih besar dari tegangan keluaran catu daya. Anda barangkalai
sekarang paham mengapa rangkaian audio yang anda buat mendengung, coba
periksa kembali rangkaian penyearah catu daya yang anda buat, apakah tegangan
ripple ini cukup mengganggu. Jika dipasaran tidak tersedia kapasitor yang demikian
besar, tentu bisa dengan memparalel dua atau tiga buah kapasitor.
Type diode bridge dapat dilihat seperti pada gambar dibawah:

23. Fisika Teknik Lajut 2017
23
Variasi diode bridge rectifier

24. Fisika Teknik Lajut 2017
24
6. Regulator Tegangan
Rangkaian penyearah sudah cukup bagus jika tegangan ripple-nya kecil,
namun ada masalah stabilitas. Jika tegangan PLN naik/turun, maka tegangan
outputnya juga akan naik/turun. Seperti rangkaian penyearah di atas, jika arus
semakin besar ternyata tegangan dc keluarnya juga ikut turun. Untuk beberapa
aplikasi perubahan tegangan ini cukup mengganggu, sehingga diperlukan
komponen aktif yang dapat meregulasi tegangan keluaran ini menjadi stabil.
Rangkaian regulator yang paling sederhana ditunjukkan pada gambar 21. Pada
rangkaian ini, zener bekerja pada daerah breakdown, sehingga menghasilkan
tegangan output yang sama dengan tegangan zener atau Vout = Vz. Namun
rangkaian ini hanya bermanfaat jika arus beban tidak lebih dari 50mA.
gambar 21 : regulator zener
Prinsip rangkaian catu daya yang seperti ini disebut shunt regulator, salah satu ciri
khasnya adalah komponen regulator yang paralel dengan beban. Ciri lain dari
shunt regulator adalah, rentan terhadap short-circuit. Perhatikan jika Vout
terhubung singkat (short- circuit) maka arusnya tetap I = Vin/R1. Disamping
regulator shunt, ada juga yang disebut dengan regulator seri. Prinsip utama regulator
seri seperti rangkaian pada gambar 22 berikut ini. Pada rangkaian ini tegangan
keluarannya adalah :

25. Fisika Teknik Lajut 2017
25
Vout = VZ + VBE ....... (8)
VBE adalah tegangan base-emitor dari transistor Q1 yang besarnya antara 0.2 -
0.7 volt tergantung dari jenis transistor yang digunakan. Dengan mengabaikan
arus IB yang mengalir pada base transistor, dapat dihitung besar tahanan R2 yang
diperlukan adalah :
R2 = (Vin – Vz)/Iz........ (9)
Iz adalah arus minimum yang diperlukan oleh diode zener untuk mencapai tegangan
breakdown zener tersebut. Besar arus ini dapat diketahui dari datasheet yang
besarnya lebih kurang 20 mA.
gambar 23 : regulator zener follower
Jika diperlukan catu arus yang lebih besar, tentu perhitungan arus base IB pada
rangkaian di atas tidak bisa diabaikan lagi. Dimana seperti yang diketahui, besar
arus IC akan berbanding lurus terhadap arus IB atau dirumuskan dengan IC = βIB.
Untuk keperluan itu, transistor Q1 yang dipakai bisa diganti dengan tansistor
darlington yang biasanya memiliki nilai β yang cukup besar. Dengan transistor
darlington, arus base yang kecil bisa menghasilkan arus IC yang lebih besar.

26. Fisika Teknik Lajut 2017
26
Teknik regulasi yang lebih baik lagi adalah dengan menggunakan Op-Amp
untuk men- drive transistor Q, seperti pada rangkaian gambar 24. Diode zener
disini tidak langsung memberi umpan ke transistor Q, melainkan sebagai tegangan
referensi bagi Op-Amp IC1. Umpan balik pada pin negatif Op-amp adalah cuplikan
dari tegangan keluar regulator, yaitu :
Vin(-) = (R2/(R1+R2)) Vout ....... (10)
Jika tegangan keluar Vout menaik, maka tegangan Vin(-) juga akan menaik
sampai tegangan ini sama dengan tegangan referensi Vz. Demikian sebaliknya jika
tegangan keluar Vout menurun, misalnya karena suplai arus ke beban meningkat,
Op-amp akan menjaga kestabilan di titik referensi Vz dengan memberi arus IB
ke transistor Q1. Sehingga pada setiap saat Op-amp menjaga kestabilan :
Vin(-) = Vz......... (11)
gambar 24 : regulator dengan Op-amp
Dengan mengabaikan tegangan VBE transistor Q1 dan mensubsitusi rumus (11) ke
dalam rumus (10) maka diperoleh hubungan matematis :
Vout = ( (R1+R2)/R2) Vz........... (12)

27. Fisika Teknik Lajut 2017
27
Pada rangkaian ini tegangan output dapat diatur dengan mengatur besar R1 dan R2.
Sekarang mestinya tidak perlu susah payah lagi mencari op-amp, transistor dan
komponen
lainnya untuk merealisasikan rangkaian regulator seperti di atas. Karena
rangkaian semacam ini sudah dikemas menjadi satu IC regulator tegangan tetap.
Saat ini sudah banyak dikenal komponen seri 78XX sebagai regulator tegangan
tetap positif dan seri
79XX yang merupakan regulator untuk tegangan tetap negatif. Bahkan komponen
ini biasanya sudah dilengkapi dengan pembatas arus (current limiter) dan juga
pembatas suhu

28. Fisika Teknik Lajut 2017
28
(thermal shutdown). Komponen ini hanya tiga pin dan dengan menambah
beberapa komponen saja sudah dapat menjadi rangkaian catu daya yang ter-regulasi
dengan baik. Misalnya 7805 adalah regulator untuk mendapat tegangan 5 volt, 7812
regulator tegangan 12 volt dan seterusnya. Sedangkan seri 79XX misalnya adalah
7905 dan 7912 yang berturut-turut adalah regulator tegangan negatif 5 dan 12 volt.
Selain dari regulator tegangan tetap ada juga IC regulator yang tegangannya dapat
diatur. Prinsipnya sama dengan regulator OP-amp yang dikemas dalam satu IC
misalnya LM317 untuk regulator variable positif dan LM337 untuk regulator
variable negatif. Bedanya resistor R1 dan R2 ada di luar IC, sehingga tegangan
keluaran dapat diatur melalui resistor eksternal tersebut.
Hanya saja perlu diketahui supaya rangkaian regulator dengan IC tersebut bisa
bekerja, tengangan input harus lebih besar dari tegangan output regulatornya. Biasanya
perbedaan tegangan Vin terhadap Vout yang direkomendasikan ada di dalam
datasheet komponen tersebut. Pemakaian heatshink (aluminium pendingin)
dianjurkan jika komponen ini dipakai untuk men-catu arus yang besar.
Di dalam datasheet, komponen seperti ini maksimum bisa dilewati arus
mencapai 1 A.
gambar 25 : regulator dengan IC 78XX / 79XX

29. Fisika Teknik Lajut 2017
29
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, NJ: Prentice-Hall, Inc.