sekedar berbagi ilmu: November 2011

Kristal

Kristal lazimnya digunakan untuk rangkaian osilator yang menuntut stabilitas frekuensi yang tinggi dalam jangka waktu yang panjang. Alasan utamanya adalah karena perubahan nilai frekuensi kristal seiring dengan waktu, atau disebut juga dengan istilah faktor penuaan frekuensi (frequency aging), jauh lebih kecil dari pada osilator-osilator lain. Faktor penuaan frekuensi untuk kristal berkisar pada angka ±5ppm/tahun, jauh lebih baik dari pada faktor penuaan frekuensi osilator RC ataupun osilator LC yang biasanya berada diatas ±1%/tahun.

Simbol Kristal

Kristal juga mempunyai stabilitas suhu yang sangat bagus. Lazimnya, nilai koefisien suhu kristal berada dikisaran ±50ppm direntangan suhu operasi normal dari -20°C sampai dengan +70°C. Bandingkan dengan koefisien suhu kapasitor yang bisa mencapai beberapa persen. Untuk aplikasi yang menuntut stabilitas suhu yang lebih tinggi, kristal dapat dioperasikan didalam sebuah oven kecil yang dijaga agar suhunya selalu konstan.

Tatanan Fisik

Material yang mempunyai bentuk struktur kristalin, seperti quartz, mempunyai satu sifat unik yaitu mampu menghasilkan tegangan listrik ketika diberi tekanan mekanikal dan juga sebaliknya, berubah bentuk mekanikalnya ketika diberi tegangan listrik. Sifat ini dikenal dengan nama efek piezo-electric.
Sifat inilah yang dimanfaatkan untuk menghasilkan resonansi listrik-mekanik, sehingga kristal akan bergetar pada frekuensi alami tertentu jika diberi tegangan listrik bolak-balik. Frekuensi alami ini ditentukan oleh potongan dan dimensi keping kristal, yang ditetapkan pada saat pembuatan.
Karena potongan dan dimensi keping kristal dapat dikontrol secara presisi pada saat proses produksi, maka kristal mempunyai frekuensi getar alami yang sangat akurat. Akurasi kristal umumnya berada pada kisaran ±30ppm, dengan akurasi yang lebih tinggi juga tersedia walaupun harganya tentu lebih mahal.
Potongan keping kristal mengacu kepada orientasi sudut pemotongan keping kristal terhadap garis struktur kristalin, dan juga bentuk keping kristal tersebut. Ada banyak standar potongan keping kristal, yang masing-masing mempunyai karakteristik yang berbeda-beda. Sebagai contoh, potongan AT yang populer mempunyai frekuensi fundamental maksimum yang tidak terlalu tinggi dan koefisien suhu yang cukup baik (berbentuk kurva fungsi kubik). Contoh lain adalah potongan BT, yang mempunyai frekuensi fundamental maksimum yang lebih tinggi tetapi koefisien suhunya lebih buruk (berbentuk kurva parabolik).
Kristal dapat dioperasikan pada frekuensi fundamental atau salah satu dari frekuensi-frekuensi harmonik ganjil (odd harmonics) yang biasa disebut dengan istilah overtones. Frekuensi fundamental maksimum sebuah kristal ditentukan oleh potongan dan dimensi keping kristal. Semakin tinggi frekuensi fundamental sebuah kristal, semakin tipis keping kristal tersebut, sehingga keping kristal menjadi rapuh dan mudah patah. Jadi untuk mencapai spesifikasi frekuensi getar yang lebih tinggi, kristal harus beroperasi menggunakan salah satu overtone yang ada.
Walaupun quartz adalah material yang paling sering digunakan untuk membuat kristal, material lain seperti lithium-niobate, lithium-tantalate, bismuth-germanium oxide dan alumimium-phosphate juga dapat dipakai untuk membuat kristal. Material lain yang juga dapat digunakan adalah sejenis keramik yang terbuat dari padatan timbal, zirconium dan titanium dan material polimer seperti polyvinyl chloride dan difluorpolyethylene.

Rangkaian Ekuivalen

Rangkaian Ekuivalen Kristal

Dari sudut pandang bidang elektronika, tata kerja kristal dapat diilustrasikan melalui rangkaian ekuivalen yang terdiri dari dua buah kapasitor, satu buah induktor dan satu buah resistor.
Induktor L₁ (motional inductance) adalah padanan dari massa keping kristal yang bergetar, kapasitor C₁ (motional capacitance) adalah padanan dari kekakuan keping kristal melawan getaran dan resistor R₁ adalah padanan dari energi yang hilang diserap oleh kristal karena bentuknya mengalami perubahan ketika bergetar. Kapasitor C₀ (shunt capacitor) adalah kapasitansi yang terbentuk diantara dua elektroda yang mengapit potongan kristal.
Frekuensi getar alami kristal diberikan oleh persamaan berikut:

Umumnya, nilai induktansi L₁ adalah sangat tinggi sementara nilai kapasitansi C₁ sangat rendah. Sebagai contoh, sebuah kristal yang mempunyai frekuensi getar 10MHz mempunyai nilai L₁ = 0.05H, C₁ = 0.0051pF, R₁ = 5Ω dan C₀ = 6pF.
Rasio antara nilai induktansi L₁ dan kapasitansi C₁ yang sangat besar, jauh melampaui nilai rasio yang lazim didapat jika menggunakan komponen biasa, sehingga nilai faktor kualitas (Q) dari kristal menjadi jauh lebih tinggi daripada rangkaian LC biasa.
Faktor kualitas sebuah kristal diberikan oleh persamaan berikut:

Nilai faktor kualitas kristal umumnya bekisar diantara 10⁴ sampai dengan 10⁶, bandingkan dengan nilai faktor-kualitas rangkaian LC biasa yang hanya berkisar diangka ratusan.
Kristal dapat diterapkan pada rangkaian resonansi-seri ataupun resonansi-paralel. Pada rangkaian resonansi-seri, kristal bersifat seolah-olah terdiri dari sebuah kapasitor dan sebuah induktor yang dirangkai secara seri. Impedansi kristal akan mencapai nilai terendah, yaitu sama dengan nilai tahanan R₁, pada frekuensi getar alami.
Pada rangkaian resonansi-paralel, kristal bersifat seperti terdiri dari sebuah kapasitor dan sebuah induktor yang dirangkai secara paralel. Impedansi kristal akan mencapai nilai tertinggi pada frekuensi getar alami. Perlu dicatat bahwa frekuensi getar alami sebuah kristal yang sama jika beroperasi secara resonansi-paralel adalah sedikit lebih tinggi daripada ketika dioperasikan secara resonansi-seri. Fenomena ini dikenal dengan istilah pulling, yang besarannya tergantung kepada rasio dari C₁ dengan C₀ dan C_L.
Besarnya perubahan frekuensi yang disebabkan oleh faktor pulling ini diberikan oleh persamaan berikut:

Kristal biasanya dibentuk sedemikian rupa sehingga lebih optimal jika dioperasikan pada salah satu mode tertentu, baik itu secara resonansi-seri ataupun resonansi-paralel.

Aplikasi Kristal

Osilator Colpitts

Kristal dapat digunakan sebagai pengganti jajaran resonansi LC untuk hampir semua jenis rangkaian osilator, baik secara resonansi-seri maupun resonansi-paralel. Sebagai contoh adalah rangkaian osilator Colpitts yang menggunakan jajaran kristal dan kapasitor secara resonansi-seri.

Osilator Pierce

Satu contoh lain adalah rangkaian osilator Pierce yang menggunakan jajaran kristal dan kapasitor secara resonansi-paralel pada jalur umpan-balik. Osilator Pierce ini sangat populer dan kerap digunakan karena mempunyai karakteristik stabilitas yang lebih superior dibandingkan dengan rangkaian osilator lainnya.

Osilator CMOS

Rangkaian osilator populer lain menggunakan sebuah CMOS inverter yang menerapkan kristal pada jalur umpan-balik dari kaki output ke kaki input. Osilator ini mempunyai prinsip kerja yang serupa dengan osilator Pierce.
Rangkaian osilator klasik ini diterapkan secara luas sebagai sumber frekuensi denyut (clock frequency) pada rangkaian digital dan juga menjadi dasar cara kerja rangkaian osilator terpadu yang biasa digunakan oleh mikrokontroler.
Kedua kapasitor yang terhubung dari kaki-kaki kristal ke ground adalah kapasitor beban (load capacitance) yang perlu untuk berfungsinya rangkaian osilator ini. Nilai total kapasitor beban akan mempengaruhi frekuensi getar sebuah kristal. Efek ini juga disebut pulling, dimana perubahan nilai kapasitor beban (atau mode resonansi, seperti disebutkan diatas) dalam rangkaian osilator kristal akan merubah frekuensi getar kristal tersebut.
Pulling dapat digunakan untuk mengatur frekuensi getar kristal, walaupun hanya dalam rentangan yang terbatas. Biasanya, lembaran data kristal mencantumkan nilai nominal kapasitor beban yang tepat untuk mendapatkan spesifikasi frekuensi getar yang tertera.
Resistor R₂ berfungsi untuk membatasi tingkat pasokan daya (drive level) kepada kristal. Tingkat pasokan daya yang terlalu rendah akan menyebabkan kristal gagal berosilasi dan sebaliknya, jika terlalu tinggi akan mempengaruhi stabilitas frekuensi kristal atau malah dapat menyebabkan keping kristal menjadi retak.
Kristal jenis HC49 memerlukan tingkat pasokan daya dikisaran 1mW, sedangkan kristal HC49S atau HC49SM memerlukan sekitar 100µW. Semakin besar dimensi kepingan kristal, akan semakin tinggi pasokan daya yang dibutuhkan. Tingkat pasokan daya juga dipengaruhi oleh frekuensi getar, dimana frekuensi getar yang lebih tinggi akan memerlukan pasokan daya yang lebih besar.

Kemasan Kristal

Kristal tersedia dalam berbagai bentuk kemasan. Kemasan yang populer adalah HC49 dan HC49S. HC49S mempunyai bentuk tapak yang sama dengan HC49, tetapi kemasannya lebih pendek. HC49S juga tersedia untuk aplikasi SMD (HC49SM), dengan kaki yang ditekuk rata dibawah dasar yang terbuat dari plastik. Kemasan SMD bentuk lain juga banyak tersedia dipasaran.
Perlu diingat bahwa kristal dengan kemasan yang berbeda akan mempunyai karakteristik yang berbeda pula. Hal ini disebabkan karena dimensi dan bentuk keping kristal tergantung kepada besarnya kemasan. Sebagai contoh, kemasan HC49 biasanya berisikan keping kristal yang berbentuk piringan, sedangkan kemasan HC49S, karena lebih pendek, berisikan keping kristal berbentuk persegi panjang.

RUNNING LED

Animasi lampu yang bergerak tentunya akan menambah semaraknya suasana suatu acara atau dapat pula memberikan kesan kreatif. Salah satu animasi lampu yang mudah dibuat dan tidak terlalu membutuhkan biaya yang banyak adalah running led.

Animasi lampu atau hiasan lampu yang bergerak tidaklah selalu mahal dan sukar dalam pembuatannya. Proyek ini sangat mudah dibuat hanya dengan menggunakan tiga buah IC CMOS. Rangkaiannya pun sangat sederhana dan mudah untuk dipahami dan dibuat sendiri.

Ide Running LED

Running led ini dibuat dengan menggunakan dua buah IC CMOS MC14017 sebagai decade counter. IC CMOS ini mempunyai karakteristik untuk mengaktifkan salah satu bit outputnya saja dan mampu memberikan arus sampai 10mA. Arus output ini sudah cukup untuk menyalakan sebuah led dengan kecerahan yang cukup.

IC CMOS ini cukup baik kerjanya terutama dengan tegangan suplai yang daerah kerjanya sangat lebar yaitu mulai 3.0 VDC sampai 18VDC. Dalam hal ini karena nantinya diaplikasikan pada bidang otomotif, misalnya, maka dipilih tegangan 12VDC.

Untuk membentuk pulsa clocknya digunakan MC14011, merupakan IC CMOS gerbang NAND. Dengan adanya potensiometer R3 maka frekuensi output dari osilator clock dapat diatur.

Gambar 1

Arah Gerakan LED

Cara Kerja Rangkaian

Rangkaian osilator clock dibangun dari rangkaian MC14011, R2, potensiometer R3 dan kapasitor C2. Frekuensi kerjanya diatur dengan mengatur nilai resistansi potensiometer R3 tetapi jika dirasa masih kurang lambat maka nilai kapasitor C2 dapat diperbesar.

Rangkaian C1 dan R1 merupakan rangkaian yang mereset MC14017 pada saat power-up. Pada saat pertama kali dihidupkan kapasitor C1 akan mengisi muatannya sehingga muncul tegangan di R1 sehingga MC14017 reset. Setelah beberapa saat maka kapasitor C1 akan penuh dan tegangan pada R1 akan turun menuju 0 volt. Dalam kondisi seperti ini maka MC14017 akan mulai dari kondisi awal dimana Q0 akan aktif kemudian diikuti oleh Q1 setelah MC14017 mendapatkan pulsa clock. Setelah mendapatkan 10 kali pulsa clock maka secara otomatis MC14017 akan reset dan kembali pada kondisi awal yaitu pada Q0 aktif kembali.

Saklar SW1 dan SW2 digunakan untuk menentukan operasi kerja dari running led ini. Jika kedua saklar ini terbuka maka tidak ada led yang bergerak. Semua led akan diam pada posisi terakhirnya. Jika saklar SW1 ditutup maka hanya led D11 sampai D20 saja yang bergerak sedangkan jika hanya saklar SW2 saja yang ditutup maka hanya led D1-D10 saja yang bergerak. Tetapi jika kedua saklar ini ditutup maka semua led akan bergerak.

Gambar 2
Rangkaian Lengkap Running LED

Pengembangan Rangkaian

Tetapi jika diperlukan arus yang lebih besar maka perlu ditambahkan transistor switching yang nantinya dibebani oleh led. Dengan menggunakan transistor switching maka arus yang menuju led dapat diatur sedemikian hingga lebih dari 10mA. Arah gerakan led dapat dimodifikasi sesuai keinginan. Caranya adalah dengan meletakkan urutan led disesuaikan dengan urutak keaktifannya. Urutan keaktifan dari output 4017 adalah sesuai dengan urutan output Q0, Q1, …, Q10. Jika kecerahan led dirasa kurang maka dapat nilai resistor R4 dapat diganti menjadi 220 ohm.

RESISTOR

Tiga buah resistor komposisi karbon


Simbol	(IEE, IEC, EU) (US, JP)
Tipe	Komponen pasif
Kemasan	Dua kaki
Fungsi	Menahan arus listrik

Resistor kaki aksial

Tiga resistor komposisi karbon para radio tabung vakum

Resistor adalah komponen elektronik dua saluran yang didesain untuk menahan arus listrik dengan memproduksi penurunan tegangan listrik di antara kedua salurannya sesuai dengan arus yang mengalirinya, berdasarkan hukum Ohm:

$\begin{align}V&=IR\\ I&=\frac{V}{R}\end{align}$

Resistor digunakan sebagai bagian dari jejaring elektronik dan sirkuit elektronik, dan merupakan salah satu komponen yang paling sering digunakan. Resistor dapat dibuat dari bermacam-macam kompon dan film, bahkan kawat resistansi (kawat yang dibuat dari paduan resistivitas tinggi seperti nikel-kromium).
Karakteristik utama dari resistor adalah resistansinya dan daya listrik yang dapat diboroskan. Karakteristik lain termasuk koefisien suhu, desah listrik, dan induktansi.
Resistor dapat diintegrasikan kedalam sirkuit hibrida dan papan sirkuit cetak, bahkan sirkuit terpadu. Ukuran dan letak kaki bergantung pada desain sirkuit, resistor harus cukup besar secara fisik agar tidak menjadi terlalu panas saat memboroskan daya.

Satuan

Ohm (simbol: Ω) adalah satuan SI untuk resistansi listrik, diambil dari nama George Simon Ohm. Biasanya digunakan prefix miliohm, kiloohm dan megaohm.

Konstruksi

Komposisi karbon

Resistor komposisi karbon terdiri dari sebuah unsur resistif berbentuk tabung dengan kawat atau tutup logam pada kedua ujungnya. Badan resistor dilindungi dengan cat atau plastik. Resistor komposisi karbon lawas mempunyai badan yang tidak terisolasi, kawat penghubung dililitkan disekitar ujung unsur resistif dan kemudian disolder. Resistor yang sudah jadi dicat dengan kode warna dari harganya.
Unsur resistif dibuat dari campuran serbuk karbon dan bahan isolator (biasanya keramik). Resin digunakan untuk melekatkan campuran. Resistansinya ditentukan oleh perbandingan dari serbuk karbon dengan bahan isolator. Resistor komposisi karbon sering digunakan sebelum tahun 1970-an, tetapi sekarang tidak terlalu populer karena resistor jenis lain mempunyai karakteristik yang lebih baik, seperti toleransi, kemandirian terhadap tegangan (resistor komposisi karbon berubah resistansinya jika dikenai tegangan lebih), dan kemandirian terhadap tekanan/regangan. Selain itu, jika resistor menjadi lembab, bahang dari solder dapat mengakibatkan perubahan resistansi yang tak dapat dikembalikan.
Walaupun begitu, resistor ini sangat reliabel jika tidak pernah diberikan tegangan lebih ataupun panas lebih.
Resistor ini masih diproduksi, tetapi relatif cukup mahal. Resistansinya berkisar antara beberapa miliohm hingga 22 MOhm.

Film karbon

Selapis film karbon diendapkan pada selapis substrat isolator, dan potongan memilin dibuat untuk membentuk jalur resistif panjang dan sempit. Dengan mengubah lebar potongan jalur, ditambah dengan resistivitas karbon (antara 9 hingga 40 µΩ-cm) dapat memberikan resistansi yang lebar. Resistor film karbon memberikan rating daya antara 1/6 W hingga 5 W pada 70 °C. Resistansi tersedia antara 1 ohm hingga 10 MOhm. Resistor film karbon dapat bekerja pada suhu di antara -55 °C hingga 155 °C. Ini mempunyai tegangan kerja maksimum 200 hingga 600 v.

Film logam

Unsur resistif utama dari resistor foil adalah sebuah foil logam paduan khusus setebal beberapa mikrometer.
Resistor foil merupakan resistor dengan presisi dan stabilitas terbaik. Salah satu parameter penting yang memengaruhi stabilitas adalah koefisien temperatur dari resistansi (TCR). TCR dari resistor foil sangat rendah. Resistor foil ultra presisi mempunyai TCR sebesar 0.14ppm/°C, toleransi ±0.005%, stabilitas jangka panjang 25ppm/tahun, 50ppm/3 tahun, stabilitas beban 0.03%/2000 jam, EMF kalor 0.1μvolt/°C, desah -42dB, koefisien tegangan 0.1ppm/V, induktansi 0.08μH, kapasitansi 0.5pF.

Penandaan resistor

Resistor aksial biasanya menggunakan pola pita warna untuk menunjukkan resistansi. Resistor pasang-permukaan ditandas secara numerik jika cukup besar untuk dapat ditandai, biasanya resistor ukuran kecil yang sekarang digunakan terlalu kecil untuk dapat ditandai. Kemasan biasanya cokelat muda, cokelat, biru, atau hijau, walaupun begitu warna lain juga mungkin, seperti merah tua atau abu-abu.
Resistor awal abad ke-20 biasanya tidak diisolasi, dan dicelupkan ke cat untuk menutupi seluruh badan untuk pengkodean warna. Warna kedua diberikan pada salah satu ujung, dan sebuah titik (atau pita) warna di tengah memberikan digit ketiga. Aturannya adalah "badan, ujung, titik" memberikan urutan dua digit resistansi dan pengali desimal. Toleransi dasarnya adalah ±20%. Resistor dengan toleransi yang lebih rapat menggunakan warna perak (±10%) atau emas (±5%) pada ujung lainnya.

Identifikasi empat pita

Identifikasi empat pita adalah skema kode warna yang paling sering digunakan. Ini terdiri dari empat pita warna yang dicetak mengelilingi badan resistor. Dua pita pertama merupakan informasi dua digit harga resistansi, pita ketiga merupakan pengali (jumlah nol yang ditambahkan setelah dua digit resistansi) dan pita keempat merupakan toleransi harga resistansi. Kadang-kadang pita kelima menunjukkan koefisien suhu, tetapi ini harus dibedakan dengan sistem lima warna sejati yang menggunakan tiga digit resistansi.
Sebagai contoh, hijau-biru-kuning-merah adalah 56 x 10⁴Ω = 560 kΩ ± 2%. Deskripsi yang lebih mudah adalah: pita pertama, hijau, mempunyai harga 5 dan pita kedua, biru, mempunyai harga 6, dan keduanya dihitung sebagai 56. Pita ketiga,kuning, mempunyai harga 10⁴, yang menambahkan empat nol di belakang 56, sedangkan pita keempat, merah, merupakan kode untuk toleransi ± 2%, memberikan nilai 560.000Ω pada keakuratan ± 2%.

Warna	Pita pertama	Pita kedua	Pita ketiga (pengali)	Pita keempat (toleransi)	Pita kelima (koefisien suhu)
Hitam	0	0	× 10⁰
Cokelat	1	1	×10¹	± 1% (F)	100 ppm
Merah	2	2	× 10²	± 2% (G)	50 ppm
Oranye	3	3	× 10³		15 ppm
Kuning	4	4	× 10⁴		25 ppm
Hijau	5	5	× 10⁵	± 0.5% (D)
Biru	6	6	× 10⁶	± 0.25% (C)
Ungu	7	7	× 10⁷	± 0.1% (B)
Abu-abu	8	8	× 10⁸	± 0.05% (A)
Putih	9	9	× 10⁹
Emas			× 10^-1	± 5% (J)
Perak			× 10^-2	± 10% (K)
Kosong				± 20% (M)

Identifikasi lima pita

Identifikasi lima pita digunakan pada resistor presisi (toleransi 1%, 0.5%, 0.25%, 0.1%), untuk memberikan harga resistansi ketiga. Tiga pita pertama menunjukkan harga resistansi, pita keempat adalah pengali, dan yang kelima adalah toleransi. Resistor lima pita dengan pita keempat berwarna emas atau perak kadang-kadang diabaikan, biasanya pada resistor lawas atau penggunaan khusus. Pita keempat adalah toleransi dan yang kelima adalah koefisien suhu.

Resistor pasang-permukaan

Gambar ini menunjukan empat resistor pasang permukaan (komponen pada kiri atas adalah kondensator) termasuk dua resistor nol ohm. Resistor nol ohm sering digunakan daripada lompatan kawat sehingga dapat dipasang dengan mesin pemasang resistor.

Resistor pasang-permukaan dicetak dengan harga numerik dengan kode yang mirip dengan kondensator kecil. Resistor toleransi standar ditandai dengan kode tiga digit, dua pertama menunjukkan dua angka pertama resistansi dan angka ketiga menunjukkan pengali (jumlah nol). Contoh:

"334"	= 33 × 10.000 ohm = 330 KOhm
"222"	= 22 × 100 ohm = 2,2 KOhm
"473"	= 47 × 1,000 ohm = 47 KOhm
"105"	= 10 × 100,000 ohm = 1 MOhm

Resistansi kurang dari 100 ohm ditulis: 100, 220, 470. Contoh:

"100"	= 10 × 1 ohm = 10 ohm
"220"	= 22 × 1 ohm = 22 ohm

Kadang-kadang harga-harga tersebut ditulis "10" atau "22" untuk mencegah kebingungan.
Resistansi kurang dari 10 ohm menggunakan 'R' untuk menunjukkan letak titik desimal. Contoh:

"4R7"	= 4.7 ohm
"0R22"	= 0.22 ohm
"0R01"	= 0.01 ohm

Resistor presisi ditandai dengan kode empat digit. Dimana tiga digit pertama menunjukkan harga resistansi dan digit keempat adalah pengali. Contoh:

"1001"	= 100 × 10 ohm = 1 kohm
"4992"	= 499 × 100 ohm = 49,9 kohm
"1000"	= 100 × 1 ohm = 100 ohm

"000" dan "0000" kadang-kadang muncul bebagai harga untuk resistor nol ohm
Resistor pasang-permukaan saat ini biasanya terlalu kecil untuk ditandai.

Penandaan tipe industri

Format:

XX YYYZ

X: kode tipe
Y: nilai resistansi
Z: toleransi

Rating Daya pada 70 °C
Kode Tipe	Rating Daya (Watt)	Teknik MIL-R-11	Teknik MIL-R-39008
BB	⅛	RC05	RCR05
CB	¼	RC07	RCR07
EB	½	RC20	RCR20
GB	1	RC32	RCR32
HB	2	RC42	RCR42
GM	3	-	-
HM	4	-	-

Kode Toleransi
Teknik Industri	Teknik MIL
5	J
2	M
1	K
-	D
-	C
-	B

Rentang suhu operasional membedakan komponen kelas komersil, kelas industri dan kelas militer.

Kelas komersil: 0 °C hingga 70 °C
Kelas industri: −40 °C hingga 85 °C (seringkali −25 °C hingga 85 °C)
Kelas militer: −55 °C hingga 125 °C (seringkali -65 °C hingga 275 °C)
Kelas standar: -5 °C hingga 60 °C

Dioda

Foto dari dioda semikonduktor



Simbol
Tipe	Komponen aktif
Kategori	Semikonduktor (dioda kristal) Tabung hampa (dioda termionik)
Penemu	Frederick Guthrie (1873) (dioda termionik) Karl Ferdinand Braun (1874) (dioda kristal)

Berbagai dioda semikonduktor, bawah adalah penyearah jembatan

Struktur dari dioda tabung hampa

Dalam elektronika, dioda adalah komponen aktif bersaluran dua (dioda termionik mungkin memiliki saluran ketiga sebagai pemanas). Dioda mempunyai dua elektroda aktif dimana isyarat listrik dapat mengalir, dan kebanyakan dioda digunakan karena karakteristik satu arah yang dimilikinya. Dioda varikap (VARIable CAPacitor/kondensator variabel) digunakan sebagai kondensator terkendali tegangan.
Sifat kesearahan yang dimiliki sebagian besar jenis dioda seringkali disebut karakteristik menyearahkan. Fungsi paling umum dari dioda adalah untuk memperbolehkan arus listrik mengalir dalam suatu arah (disebut kondisi panjar maju) dan untuk menahan arus dari arah sebaliknya (disebut kondisi panjar mundur). Karenanya, dioda dapat dianggap sebagai versi elektronik dari katup pada transmisi cairan.
Dioda sebenarnya tidak menunjukkan kesearahan hidup-mati yang sempurna (benar-benar menghantar saat panjar maju dan menyumbat pada panjar mundur), tetapi mempunyai karakteristik listrik tegangan-arus taklinier kompleks yang bergantung pada teknologi yang digunakan dan kondisi penggunaan. Beberapa jenis dioda juga mempunyai fungsi yang tidak ditujukan untuk penggunaan penyearahan.
Awal mula dari dioda adalah peranti kristal Cat's Whisker dan tabung hampa (juga disebut katup termionik). Saat ini dioda yang paling umum dibuat dari bahan semikonduktor seperti silikon atau germanium.

Sejarah

Walaupun dioda kristal (semikonduktor) dipopulerkan sebelum dioda termionik, dioda termionik dan dioda kristal dikembangkan secara terpisah pada waktu yang bersamaan. Prinsip kerja dari dioda termionik ditemukan oleh Frederick Guthrie pada tahun 1873 Sedangkan prinsip kerja dioda kristal ditemukan pada tahun 1874 oleh peneliti Jerman, Karl Ferdinand Braun.
Pada waktu penemuan, peranti seperti ini dikenal sebagai penyearah (rectifier). Pada tahun 1919, William Henry Eccles memperkenalkan istilah dioda yang berasal dari di berarti dua, dan ode (dari ὅδος) berarti "jalur".

Prinsip kerja

Prinsip kerja dioda termionik ditemukan kembali oleh Thomas Edison pada 13 Februari 1880 dan dia diberi hak paten pada tahun 1883 (U.S. Patent 307.031), namun tidak dikembangkan lebih lanjut. Braun mematenkan penyearah kristal pada tahun 1899. Penemuan Braun dikembangkan lebih lanjut oleh Jagdish Chandra Bose menjadi sebuah peranti berguna untuk detektor radio.

Penerima radio

Penerima radio pertama yang menggunakan dioda kristal dibuat oleh Greenleaf Whittier Pickard. Dioda termionik pertama dipatenkan di Inggris oleh John Ambrose Fleming (penasihat ilmiah untuk Perusahaan Marconi dan bekas karyawan Edison) pada 16 November 1904 (diikuti oleh U.S. Patent 803.684 pada November 1905). Pickard mendapatkan paten untuk detektor kristal silikon pada 20 November 1906 (U.S. Patent 836.531).

Dioda termionik

Simbol untuk dioda tabung hampa
pemanasan taklangung,
dari atas kebawah adalah anoda,
katoda dan filamen pemanas

Dioda termionik adalah sebuah peranti katup termionik yang merupakan susunan elektroda-elektroda di ruang hampa dalam sampul gelas. Dioda termionik pertama bentuknya sangat mirip dengan bola lampu pijar.
Dalam dioda katup termionik, arus listrik yang melalui filamen pemanas secara tidak langsung memanaskan katoda (Beberapa dioda menggunakan pemanasan langsung, dimana filamen wolfram berlaku sebagai pemanas sekaligus juga sebagai katoda), elektroda internal lainnya dilapisi dengan campuran barium dan strontium oksida, yang merupakan oksida dari logam alkali tanah. Substansi tersebut dipilih karena memiliki fungsi kerja yang kecil. Bahang yang dihasilkan menimbulkan pancaran termionik elektron ke ruang hampa. Dalam operasi maju, elektroda logam disebelah yang disebut anoda diberi muatan positif jadi secara elektrostatik menarik elektron yang terpancar.
Walaupun begitu, elektron tidak dapat dipancarkan dengan mudah dari permukaan anoda yang tidak terpanasi ketika polaritas tegangan dibalik. Karenanya, aliran listrik terbalik apapun yang dihasilkan dapat diabaikan.
Dalam sebagian besar abad ke-20, dioda katup termionik digunakan dalam penggunaan isyarat analog, dan sebagai penyearah pada pemacu daya. Saat ini, dioda katup hanya digunakan pada penggunaan khusus seperti penguat gitar listrik, penguat audio kualitas tinggi serta peralatan tegangan dan daya tinggi.

Dioda semikonduktor

Sebagian besar dioda saat ini berdasarkan pada teknologi pertemuan p-n semikonduktor. Pada dioda p-n, arus mengalir dari sisi tipe-p (anoda) menuju sisi tipe-n (katoda), tetapi tidak mengalir dalam arah sebaliknya.
Tipe lain dari dioda semikonduktor adalah dioda Schottky yang dibentuk dari pertemuan antara logam dan semikonduktor (sawar Schottky) sebagai ganti pertemuan p-n konvensional.

Karakteristik arus–tegangan

Karakteristik arus–tegangan dari dioda, atau kurva I–V, berhubungan dengan perpindahan dari pembawa melalui yang dinamakan lapisan penipisan atau daerah pemiskinan yang terdapat pada pertemuan p-n di antara semikonduktor. Ketika pertemuan p-n dibuat, elektron pita konduksi dari daerah N menyebar ke daerah P dimana terdapat banyak lubang yang menyebabkan elektron bergabung dan mengisi lubang yang ada, baik lubang dan elektron bebas yang ada lenyap, meninggalkan donor bermuatan positif pada sisi-N dan akseptor bermuatan negatif pada sisi-P. Daerah disekitar pertemuan p-n menjadi dimiskinkan dari pembawa muatan dan karenanya berlaku sebagai isolator.
Walaupun begitu, lebar dari daerah pemiskinan tidak dapat tumbuh tanpa batas. Untuk setiap pasangan elektron-lubang yang bergabung, ion pengotor bermuatan positif ditinggalkan pada daerah terkotori-n dan ion pengotor bermuatan negatif ditinggalkan pada daerah terkotori-p. Saat penggabungan berlangsung dan lebih banyak ion ditimbulkan, sebuah medan listrik terbentuk di dalam daerah pemiskinan yang memperlambat penggabungan dan akhirnya menghentikannya. Medan listrik ini menghasilkan tegangan tetap dalam pertemuan.

Jenis-jenis dioda semikonduktor

Kemasan dioda sejajar dengan simbolnya,
pita menunjukkan sisi katoda


Dioda	Dioda zener

LED	Dioda foto

Dioda terobosan	Dioda varaktor

Dioda Schottky	SCR

Beberapa jenis dioda

Ada beberapa jenis dari dioda pertemuan yang hanya menekankan perbedaan pada aspek fisik baik ukuran geometrik, tingkat pengotoran, jenis elektroda ataupun jenis pertemuan, atau benar-benar peranti berbeda seperti dioda Gunn, dioda laser dan dioda MOSFET.

Dioda biasa

Beroperasi seperti penjelasan di atas. Biasanya dibuat dari silikon terkotori atau yang lebih langka dari germanium. Sebelum pengembangan dioda penyearah silikon modern, digunakan kuprous oksida (kuprox)dan selenium, pertemuan ini memberikan efisiensi yang rendah dan penurunan tegangan maju yang lebih tinggi (biasanya 1.4–1.7 V tiap pertemuan, dengan banyak lapisan pertemuan ditumpuk untuk mempertinggi ketahanan terhadap tegangan terbalik), dan memerlukan benaman bahan yang besar (kadang-kadang perpanjangan dari substrat logam dari dioda), jauh lebih besar dari dioda silikon untuk rating arus yang sama.

Dioda bandangan

Dioda yang menghantar pada arah terbalik ketika tegangan panjar mundur melebihi tegangan dadal dari pertemuan P-N. Secara listrik mirip dan sulit dibedakan dengan dioda Zener, dan kadang-kadang salah disebut sebagai dioda Zener, padahal dioda ini menghantar dengan mekanisme yang berbeda yaitu efek bandangan. Efek ini terjadi ketika medan listrik terbalik yang membentangi pertemuan p-n menyebabkan gelombang ionisasi pada pertemuan, menyebabkan arus besar mengalir melewatinya, mengingatkan pada terjadinya bandangan yang menjebol bendungan. Dioda bandangan didesain untuk dadal pada tegangan terbalik tertentu tanpa menjadi rusak. Perbedaan antara dioda bandangan (yang mempunyai tegangan dadal terbalik diatas 6.2 V) dan dioda Zener adalah panjang kanal yang melebihi rerata jalur bebas dari elektron, jadi ada tumbukan antara mereka. Perbedaan yang mudah dilihat adalah keduanya mempunyai koefisien suhu yang berbeda, dioda bandangan berkoefisien positif, sedangkan Zener berkoefisien negatif.

Dioda Cat's whisker

Ini adalah salah satu jenis dioda kontak titik. Dioda cat's whisker terdiri dari kawat logam tipis dan tajam yang ditekankan pada kristal semikonduktor, biasanya galena atau sepotong batu bara. Kawatnya membentuk anoda dan kristalnya membentuk katoda. Dioda Cat's whisker juga disebut dioda kristal dan digunakan pada penerima radio kristal.

Dioda arus tetap

Ini sebenarnya adalah sebuah JFET dengan kaki gerbangnya disambungkan langsung ke kaki sumber, dan berfungsi seperti pembatas arus dua saluran (analog dengan Zener yang membatasi tegangan). Peranti ini mengizinkan arus untuk mengalir hingga harga tertentu, dan lalu menahan arus untuk tidak bertambah lebih lanjut.

Esaki atau dioda terobosan

Dioda ini mempunyai karakteristik resistansi negatif pada daerah operasinya yang disebabkan oleh quantum tunneling, karenanya memungkinkan penguatan isyarat dan sirkuit dwimantap sederhana. Dioda ini juga jenis yang paling tahan terhadap radiasi radioaktif.

Dioda Gunn

Dioda ini mirip dengan dioda terowongan karena dibuat dari bahan seperti GaAs atau InP yang mempunyai daerah resistansi negatif. Dengan panjar yang semestinya, domain dipol terbentuk dan bergerak melalui dioda, memungkinkan osilator gelombang mikro frekuensi tinggi dibuat.

Demodulasi radio

Penggunaan pertama dioda adalah demodulasi dari isyarat radio modulasi amplitudo (AM). Dioda menyearahkan isyarat AM frekuensi radio, meninggalkan isyarat audio. Isyarat audio diambil dengan menggunakan tapis elektronik sederhana dan dikuatkan.

Pengubahan daya

Penyearah dibuat dari dioda, dimana dioda digunakan untuk mengubah arus bolak-balik menjadi arus searah. Contoh yang paling banyak ditemui adalah pada rangkaian adaptor. Pada adaptor, dioda digunakan untuk menyearahkan arus bolak-balik menjadi arus searah. Sedangkan contoh yang lain adalah alternator otomotif, dimana dioda mengubah AC menjadi DC dan memberikan performansi yang lebih baik dari cincin komutator dari dinamo DC.

Jembatan Kelvin

Jembatan Kelvin (disebut juga Jembatan ganda Kelvin dan pada beberapa negara Jembatan Thomson) adalah sebuah alat ukur yang ditemukan oleh William Thomson kecuali kehadiran dari resistor tambahan. resistor nilai rendah tambahan ini dan pengaturan internal dari jembatan adalah pengubahan untuk secara substansial mengurangi kesalahan pengukuran yang diakibatkan oleh turunnya voltase pada arus tinggi (hambatan rendah)pada lengan jembatan ini terdiri dari dua set lengan rasio. Perangkat luar yang pertama dari lengan rasio adalah resistor yang biasa dikenal & lengan rasio dibagian dalam menolong menghubungkan satu terminal dari galvanometer pada titik yang sesuai(yang merupakan kerugian dari Jembatan Kelvin versi pertama). Jembatan ini digunakan untuk pengukuran hambatan rendah.

Ketelitian

Terdapat alat yang dijual untuk mencapai keakuratan sampai 2% untuk jarak hambatan dari 0.000001 sampai 25 Ω. Sering kali, ohmmeter termasuk jembatan Kelvin, diantara alat ukur yang lain, untuk memperoleh jarak pengukuran yang besar, sebagai contoh, Valhalla 4100 ATC Low-Range Ohmmeter.

Alat yang digunakan untuk mengukur nilai sub-ohm sering dimaksud dengan ohmmeter hambatan rendah, milli-ohmmeter, mikro-ohmmeter, dll.

Prinsip Kerja

Pengukuran dihasilkan dengan menyesuaikan jembatan, dan keseimbangan dapat diperoleh ketika:

$R_x=R_2 \cdot \frac{R_3}{R_4}+R \cdot \frac{R_3 \cdot R'_4 - R'_3 \cdot R_4}{R_4 \cdot \left( R+R'_3 + R'_4\right)}$

Hambatan R harus serendah mungkin (lebih rendah dari nilai pengukuran) dan untuk alasan itu biasanya dibuat batang pendek yang tebal dari tembaga. Jika kondisi R₃·R`₄ = R`₃·R₄ bertemu (dan nilai dari R rendah), maka komponen terakhir pada persamaan dapat diabaikan dan dapat diasumsikan bahwa:

$R_x \approx R_2 \cdot \frac{R_3}{R_4}$