Perancangan dan Realisasi Alat Penjejak Kurva Karakteristik Komponen Semikonduktor - Design and Realization of Semiconductor Curve Tracer.

(1)

i Universitas Kristen Maranatha

PERANCANGAN DAN REALISASI ALAT PENJEJAK KURVA

KARAKTERISTIK KOMPONEN SEMIKONDUKTOR

Leonard Alexander Sitorus NRP : 1222037

ABSTRAK

Komponen semikonduktor seperti transistor, dioda dan dioda zener merupakan komponen elektronika yang sudah sangat sering digunakan dalam berbagai rangkaian elektronika, sehingga hampir di setiap rangkaian elektronika dapat ditemukan komponen-komponen semacam ini.

Setiap komponen mempunyai kurva karakteristik dari komponen yang digunakan. Kurva karakteristik suatu komponen merupakan hal yang sangat penting, karena dari kurva ini dapat diketahui karakteristik dari komponen tersebut seperti, nilai beta dari transistor, tegangan forward suatu dioda, dan beberapa karakteristik lainnya. Karakteristik dari komponen digunakan sebagai acuan agar fungsi yang dihasilkan dari komponen tersebut dapat efektif dan penggunaannya tidak salah.

Pada tugas akhir ini alat dirancang untuk dapat menampilkan kurva karakteristik dari komponen Bi-polar Junction Transistor, Field Effect Transitor, diode, dan zener diode. Untuk pengujian komponen transistor diperlukan suatu pembangkit sinyal tangga dan sweep voltage untuk dapat menampilkan kurva. Sedangkan untuk pengujian dioda, hanya diperlukan sebuah sweep voltage dan resistansi yang dipasang secara seri untuk dapat menampilkan kurva karakteristik.

Hasil pengujian terhadap komponen berhasil dilakukan, kurva karakteristik dari komponen transistor maupun dioda dapat ditampilkan pada layar osiloskop.

(2)

ii Universitas Kristen Maranatha

DESIGN AND REALIZATION OF SEMICONDUCTOR

CURVE TRACER

Leonard Alexander Sitorus NRP : 1222037

E-mail : [email protected]

ABSTRACT

Semiconductor components such as transistors, diodes and zener diode are very commonly used componnets in a variety of electronic circuits, so almost in every electronic circuits the components like transistor and diode can be found.

The characteristic curve of a component is very important, because of this curve can be seen as the characteristics of components, the beta value of the transistor, a diode forward voltage, and some other characteristics. The characteristics of the components used as a reference for using this components, so use of the components can be effective and valid.

In this final project, a curve tracer designed to display the characteristic curve of a Bi-polar Junction Transistor, Field Effect Transistor, diode, and zener diode. A staircase generator and a sweep voltage used to display characteristic curve of transistor, while for measuring of diode it is only needs a sweep voltage and a resistance mounted in series, so the characteristic curve of component can be display.

The resulting test of components is accomplished, the characteristic curve of the component transistors and diodes can be displayed on the oscilloscope screen.

(3)

iii Universitas Kristen Maranatha

DAFTAR ISI

Halaman LEMBAR PENGESAHAN

SURAT PERNYATAAN

PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI LAPORAN TUGAS AKHIR

ABSTRAK ... i

ABSTRACT ... ii

DAFTAR ISI ... iii

DAFTAR GAMBAR ... v

BAB I PENDAHULUAN I.1 Latar Belakang ... 1

I.2 Tujuan ... 2

I.3 Rumusan Masalah ... 2

I.4 Pembatasan Masalah ... 2

I.5 Sistematika Penulisan ... 3

BAB II LANDASAN TEORI II.1 Komponen Semikonduktor ... 4

II.1.1 Dioda ... 4

II.1.1.1 Prinsip Kerja Dioda ... 5

II.1.1.2 Karakteristik Dioda ... 6

II.1.2 Transistor ... 8

II.1.2.1 Bi-polar Junction Transistor ... 8

II.1.2.1.1 Karakteristik Transistor BJT ... 9

II.1.2.2 Field Effect Transistor ... 12

II.1.2.2.1 Junction Field Effect Transistor ... 13

II.1.2.2.2 Depletion-Metal Oxide Semiconductor FET ... 14

II.1.2.2.3 Enhancement-Metal Oxide Semiconductor FET... 16

II.2 Operational Amplifier ... 17

(4)

iv Universitas Kristen Maranatha

II.2.2 Non-Inverting Amplifier ... 19

II.2.3 Voltage Follower ... 20

II.2.4 Inverting Summing Amplifier ... 21

II.2.5 Non-Inverting Summing Amplifier ... 22

II.2.6 Voltage to Current Converter ... 23

BAB III PERANCANGAN DAN REALISASI III.1 Perancangan Sistem ... 25

III.2 Skematik Rangkaian ... 27

III.2.1 Penyearah Gelombang Penuh ... 29

III.2.2 Rangkaian Inverting... 30

III.2.3 Rangkaian Pembangkit Sinyal Pulsa ... 31

III.2.4 Rangkaian Pembangkit Sinyal Tangga ... 33

III.2.5 Rangkaian Voltage to Current Converter ... 36

III.2.5 Rangkaian Step Arus dan Tegangan ... 38

III.3 Perancangan Tampilan Alat... 39

BAB IV DATA PENGAMATAN DAN ANALISIS IV.1 Pengujian Alat ... 43

IV.1.1Pengujian Transistor ... 43

IV.1.1.1 Pengujian Transistor BJT ... 43

IV.1.1.2 Pengujian Transistor FET ... 49

IV.1.2Pengujian Dioda ... 52

BAB V SIMPULAN DAN SARAN V.1 Simpulan ... 55

V.2 Saran ... 55

(5)

v Universitas Kristen Maranatha DAFTAR GAMBAR

Halaman

Gambar 2.1 (a) Simbol Dioda... 4

Gambar 2.1 (b) Gambar Dioda ... 4

Gambar 2.2 (a) Dioda diberi bias maju ... 5

Gambar 2.2 (b) Dioda diberi bias mundur ... 5

Gambar 2.3 Kurva karakteristik dioda ... 6

Gambar 2.4 Pengaruh temeperatur terhadap forward bias dioda ... 8

Gambar 2.5 (a) Simbol transistor BJT NPN ... 9

Gambar 2.5 (b) Simbol transistor BJT PNP ... 9

Gambar 2.6 Kurva karakteristik transistor ... 9

Gambar 2.7 Mencari nilai beta ... 11

Gambar 2.8 Mencari karakteristik dari suatu kurva ... 12

Gambar 2.9 (a) J-FET n-channel ... 13

Gambar 2.9 (b) J-FET p-channel ... 13

Gambar 2.10 Kurva transfer karakteristik drain ... 14

Gambar 2.11 Kurva transfer karakteristik drain n-channel D-MOSFET ... 15

Gambar 2.12 (a) Simbol D-MOSFET n-channel ... 15

Gambar 2.12 (b) Simbol D-MOSFET p-channel ... 15

Gambar 2.13 Kurva transfer karakteristik drain n-channel E-MOSFET .... 17

Gambar 2.14 (a) Simbol E-MOSFET n-channel ... 17

Gambar 2.14 (b) Simbol E-MOSFET p-channel... 17

Gambar 2.15 Simbol Op-amp ... 18

Gambar 2.16 Inverting operational amplifier ... 18

Gambar 2.17 Non-Inverting operational amplifier ... 19

Gambar 2.18 Voltage Follower ... 20

Gambar 2.19 Inverting summing amplifier... 21

Gambar 2.20 Non-Inverting summing amplifier... 22

Gambar 2.21 Voltage to surrent converter ... 23

Gambar 3.1 Diagram Blok Sistem ... 25

Gambar 3.2 Penjejakan transistor BJT ... 26

(6)

vi Universitas Kristen Maranatha

Gambar 3.4 Skematik rangkaian ... 28

Gambar 3.5 Rangakaian pemyearah gelombang penuh ... 29

Gambar 3.6 Bentuk gelombang masukan dan keluaran penyerah ... 29

Gambar 3.7 Sinyal penyearah gelombang penuh ... 30

Gambar 3.8 Rangkaian buffer inverting ... 31

Gambar 3.9 Rangkaian pembangkit sinyal pulsa ... 31

Gambar 3.10 Sinyal pulsa ... 32

Gambar 3.11 Rangkaian pembangkit sinyal tangga ... 34

Gambar 3.12 Diagram blok shift register ... 34

Gambar 3.13 Timing diagram ... 35

Gambar 3.14 Sinyal tangga ... 35

Gambar 3.15 Rangkaian konversi tegangan ke arus ... 37

Gambar 3.15 Rangkaian pengaturan step arus dan tegangan ... 38

Gambar 3.16 Tampilan layout perancangan alat ... 40

Gambar 3.17 Tampilan pengaturan sumber ... 40

Gambar 3.18 Tampilan pengaturan perangkat ... 41

Gambar 3.19 Realisasi kit ... 42

Gambar 4.1 Kurva karakteristik transistor NPN BC 547B ... 44

Gambar 4.2 Kurva karakteristik transistor NPN 2N5551 ... 45

Gambar 4.3 Kurva karakteristik transistor NPN TIP 3055 ... 46

Gambar 4.4 Kurva karakteristik transistor PNP BC 557 ... 47

Gambar 4.5 Kurva karakteristik transistor PNP 2N5401 ... 48

Gambar 4.6 Kurva karakteristik transistor NPN TIP 2955 ... 49

Gambar 4.7 Kurva karakteristik J-FET K30A ... 50

Gambar 4.8 Kurva karakteristik D-MOSFET 2N2535N3 ... 51

Gambar 4.9 Kurva karakteristik E-MOSFET BS 170 ... 51

Gambar 4.10 Kurva karakteristik dioda 1N4002 ... 52

Gambar 4.11 Kurva karakteristik dioda 1N60P ... 53

Gambar 4.12 (a) Kurva karakteristik dioda BZX55C forward ... 54

(7)

1 Universitas Kristen Maranatha

BAB I

PENDAHULUAN

Bab ini membahas tentang latar belakang masalah, rumusan masalah, tujuan tugas akhir, batasan masalah dan sistematika penulisan.

I.1 Latar Belakang

Komponen semikonduktor seperti transistor, dioda, dan dioda zener merupakan komponen elektronika yang sudah sangat sering dikenal dan digunakan dalam berbagai rangkaian elektronika, sehingga hampir di setiap rangkaian elektronika dapat ditemukan komponen-komponen semacam ini. Hal ini dikarenakan komponen ini memiliki banyak fungsi. Tetapi pemakaian yang salah justru akan membuat komponen ini tidak berfungsi sebagaimana mestinya, sehingga pengetahuan akan karakteristik dari komponen-komponen ini sangatlah penting agar tidak terjadi kesalahan pemakaian yang mengakibatkan komponen atau rangkaian menjadi rusak.

Kurva karakteristik suatu komponen dapat ditemukan pada datasheet yang terdapat pada buku-buku atau internet. Semua karakteristik-karakteristik dari komponen, seperti tegangan maksimum dari sebuah transistor, tegangan forward dari komponen dioda, dan parameter-paramater lainnya dapat ditemukan pada datasheet komponen tersebut. Tetapi terkadang informasi seperti kurva karakteristik komponen tidak terdapat pada sebuah datasheet. Kurva karakteristik suatu komponen merupakan hal yang penting, karena dari kurva ini banyak memberikan informasi lebih mengenai bagaimana pengoperasian komponen tersebut.

Kurva karakteristik suatu komponen merupakan hal yang sangat penting, karena dari kurva ini dapat diketahui karakteristik dari komponen tersebut seperti, nilai beta dari transistor, barrier potential (tegangan penghalang) suatu dioda, dan beberapa karakteristik lainnya. Karakteristik dari komponen digunakan sebagai

(8)

BAB I – Pendahuluan 2

Universitas Kristen Maranatha

acuan agar fungsi yang dihasilkan dari komponen tersebut dapat efektif dan penggunaannya tidak salah. Manfaat yang banyak dari komponen yang dipakai dan banyaknya informasi yang diberikan dari suatu kurva karakteristik ini menjadi landasan untuk memilih judul tugas akhir “PERANCANGAN DAN REALISASI

ALAT PENJEJAK KURVA KARAKTERISTIK KOMPONEN

SEMIKONDUKTOR”. Tujuan yang hendak dicapai dalam penelitian ini adalah merancang dan merealisasikan alat yang dapat menampilkan kurva beberapa komponen semikonduktor seperti transistor maupun dioda dan ditampilkan pada layar osiloskop.

I.2 Tujuan

Tujuan dari pembahasan tugas akhir ini adalah merancang dan merealisasikan alat penjejak kurva karakteristik semikonduktor dan menampilkan hasil kurva karakteristik pada layar osiloskop.

I.3 Rumusan Masalah

Rumusan masalah selama melaksanakan tugas akhir ini adalah bagaimana merancang dan membuat alat penjejak kurva karakteristik semikonduktor dan menampilkan kurva karakteristik pada layar osiloskop ?

I.4 Pembatasan Masalah

Dalam melaksanankan tugas akhir ini didapati batasan-batasan seperti : 1. Komponen semikonduktor yang ditest meliputi transistor, dioda, dan

dioda Zener.

2. Transistor yang dilakukan percobaan hanya transistor tipe Bipolar Junction Transistor (BJT) dan Field Effect Transistor (FET).

3. Hasil kurva karakteristik dari komponen hanya ditampilkan pada layar osiloskop.

(9)

BAB I – Pendahuluan 3

Universitas Kristen Maranatha

I.5 Sistematika Penulisan

Laporan tugas akhir ini disusun dengan sistematika penulisan sebagai berikut :

 Bab I Pendahulan

Bab ini berisi latar belakang masalah, rumusan masalah, tujuan tugas akhir, pembatasan masalah dan sistematika penulisan.

 Bab II Landasan Teori

Bab ini berisi teori-teori penunjang dari pembuatan tugas akhir ini seperti mengenai komponen semikonduktor, alat penjejak kurva, kurva karakteristik dan beberapa rangkaian pendukung.

 Bab III Perancangan dan Realisasi

Bab ini menjelaskan tentang perancangan alat penjejak kurva karakteristik semikonduktor, design alat yang akan dibuat, jenis-jenis rangkaian yang dipakai dalam pembuatan alat dan skematik akhir dari alat yang dibuat.

 Bab IV Data Pengamatan dan Analisa Data

Bab ini membahas tentang proses pengambilan data, pengamatan hasil kurva karakteristik yang dihasilkan serta analisa beberapa data pengamatan.

 Bab V

Bab ini berisi kesimpulan dan saran-saran yang perlu dilakukan untuk perbaikan di masa mendatang.

(10)

55 Universitas Kristen Maranatha

BAB V

SIMPULAN DAN SARAN

Bab ini berisi simpulan dan saran-saran yang perlu dilakukan untuk perbaikan di masa mendatang.

V.1 Simpulan

Dengan memperhatikan data pengamatan dan analisis pada bab sebelumnya dapat disimpulkan bahwa :

 Berdasarkan hasil percobaan, alat bekerja dengan baik. Kurva-kurva karakteristik dari komponen transistor BJT, FET maupun dioda dapat ditampilkan dengan baik pada layar osiloskop.

 Kurva karakteristik memberikan informasi mengenai karakteristik dari komponen yang sedang diuji, seperti beta pada transistor BJT dan knee voltage pada dioda.

 Dapat mengetahui perbedaan gambar kurva karakteristik dari kurva transistor BJT dan FET.

 Karakteristik reverse dari dioda penyearah tidak dapat ditampilkan karena dioda penyearah tidak berkerja pada kondisi reverse. Selain itu juga dibutuhkan tegangan yang besar untuk dapat menampilkannya.

V.2 Saran

Saran-saran yang dapat diberikan untuk perbaikan dan pengembangan dari Tugas Akhir ini adalah :

 Perancangan dari tempat pengujian perangkat bisa diubah, sehingga lebih banyak jenis package transistor yang dapat dilakukan pengujian seperti package TO-220.

 Dapat ditambahkan jenis transistor yang dapat dilakukan pengujian. Misalnya, IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor).

(11)

Bab IV – Simpulan dan Saran 56

Universitas Kristen Maranatha  Dapat dilakukan penelitian lebih lanjut mengenai perancangan alat

yang dibuat, sehingga tampilan bisa lebih efektif dan menarik.

 Hasil penggambaran kurva dapat ditampilkan pada PC (Personal Computer).

(12)

PERANCANGAN DAN REALISASI ALAT PENJEJAK KURVA

KARAKTERISTIK KOMPONEN SEMIKONDUKTOR

DESIGN AND REALIZATION OF SEMICONDUCTOR CURVE

TRACER

LAPORAN TUGAS AKHIR

Diajukan sebagai syarat untuk menempuh ujian sarjana di Program Studi Teknik Elektro – Fakultas Teknik

Universitas Kristen Maranatha Bandung

Disusun Oleh:

Leonard Alexander Sitorus

1222037 Pembimbing I:

Ir. Drs. Hanapi Gunawan, M.Sc.

PROGRAM STUDI TEKNIK ELEKTRO

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS KRISTEN MARANATHA

BANDUNG

(13)

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yesus, karena atas berkat dan rahmat-Nya penulis dapat menyelesaikan laporan tugas akhir yang berjudul “Perancangan dan Realisasi Alat Penjejak Kurva Karakteristik Komponen Semikonduktor” untuk memenuhi persyaratan kelulusan Program Studi Sarjana Strata Satu (S1) Program Studi Teknik Elekro , Fakultas Teknik, Universitas Kristen Maranatha, Bandung.

Telah terselesaikannya laporan tugas akhir ini tidak lepas dari bantuan, motivasi, bimbingan, dan doa dari semua pihak baik secara langsung maupun tidak langsung. Penulis ingin menyapaikan ucapan terimakasih kepada :

1. _{Tuhan Yesus yang telah memberikan berkat atas pencerahan dan kelancaran}

dalam setiap penyelesaian tugas akhir ini.

2. _{Ir. Drs. Hanapi Gunawan, M.Sc. selaku dosen pembimbing Tugas Akhir yang}

telah memberikan pengetahuan, masukan berupa ide-ide, kritik dan saran.

3. _{Ibu Dr. Erwani Merry Sartika, S.T., M.T. selaku dosen wali yang selalu}

memberikan motivasi dan pengalaman-pengalaman yang belum pernah saya dapatkan.

4. _{Papah (Darwin Sitorus) dan Mamah (Rumiris Sianturi) yang selama ini telah}

memberikan motivasi, dorongan, dan doa yang tiada henti-hentinya kepada penulis.

5. _{Kedua kakak} _{Lerry Alen Christian Sitorus S.T dan David Willy}

Alvendzer Sitorus S.E yang memberikan dukungan kepada penulis.

6. _{Bapak Ir. Aan Darmawan, M.T. selaku Dekan Fakultas Teknik Univeristas}

Kristen Maranatha.

7. _{Ibu Novie Theresia Br.P., S.T., M.T. selaku Ketua Program Studi Teknik}

Elektro Univeristas Kristen Maranatha yang selama ini selalu memberikan kritik, saran, dan motivasinya.

8. _{Ibu Yohana Susanthi, M.Sc., selaku Koordinator Tugas Akhir Program Studi}

(14)

9. _{Ibu Yohana Susanthi, M.Sc, Bapak Yonatan Hutama, S.T., M.T, dan Bapak}

Agus Prijono, S.T., M.T. selaku dosen penguji yang telah memberikan kritik dan saran dalam tugas akhir ini.

10._{Seluruh Staf Pengajar di lingkungan Program Studi Teknik Elektro Universitas}

Kristen Maranatha.

11._{Seluruh Staf Tata Usaha dan karyawan di lingkungan Program Studi Teknik}

Elektro Univeristas Kristen Maranatha.

12._{Hans, Bekcil, Marco, Febrico, Felix, Steven, Denny dan saudara-saudara}

Kartob serta sahabat yang selalu mendukung.

13._{Serta semua pihak yang tidak dapat disebutkan satu per satu yang telah}

membantu baik secara langsung maupun tidak langsung.

Penulis menyadari sepenuhnya bahwa masih banyak kekurangan dan kesalahan dalam penulisan laporan Tugas Akhir ini, walaupun penulis telah berusaha sebaik mungkin dengan segala kemampuan yang ada. Oleh karena itu, penulis mengharapkan saran dan kritik yang membangun. Semoga laporan Tugas Akhir ini dapat bermanfaat bagi semua pihak yang membutuhkan.

Bandung, Januari 2017 Penulis,

(15)

57 Universitas Kristen Maranatha

DAFTAR PUSTAKA

[1] Boylestad, Robert L dan Louis Nahelsky. 2013. Electronic Devices and Circuit Theory 11th_{Ed. PEARSON.}

[2] Metzger, Daniel. 1971. Transistor and Fet Curve Tracer. Monroe Country Community College, Michigan.

[3] Steber, George R. 2006. A Low Cost Automatic Curve Tracer. ARRL. [4] Handbook of Operational Amplifier. Texas Instruments. 2001

[5] AN-1515. A Comprehensive Study of Howland Current Pump. Texas Instruments. 2013

[6] http://www.electrical4u.com/diode-characteristics/ Diakses pada 2 September 2016

[7] http://www.ese.upenn.edu/detkin/instruments/Curvetracer/curvetracer.html Diakses pada tanggal 7 Januari 2016.

[8] http://www.kerrywong.com/2013/09/02/yetanothersemiconductor-vi-curvetracer/ Diakses pada tanggal 29 Desember 2015.

[9] https://learn.sparkfun.com/tutorials/transistors#introduction Diakses pada tanggal 3 Juni 2016.

[10] http://www.electronics-tutorials.ws Diakses pada tanggal 9 September 2016.

[11] http://www.amplifier.cd/Test_Equipment/Tektronix/Tektronix_other/576_

applications/576_applications.html Diakses pada tanggal 9 September

2016.

[12] http://www.circuitstoday.com/ Diakses pada tanggal 9 September 2016. [13] http://www.allaboutcircuits.com Diakses pada tanggal 9 September 2016.

(1)

55 Universitas Kristen Maranatha

BAB V

SIMPULAN DAN SARAN

Bab ini berisi simpulan dan saran-saran yang perlu dilakukan untuk perbaikan di masa mendatang.

V.1 Simpulan

Dengan memperhatikan data pengamatan dan analisis pada bab sebelumnya dapat disimpulkan bahwa :

 Berdasarkan hasil percobaan, alat bekerja dengan baik. Kurva-kurva karakteristik dari komponen transistor BJT, FET maupun dioda dapat ditampilkan dengan baik pada layar osiloskop.

 Kurva karakteristik memberikan informasi mengenai karakteristik dari komponen yang sedang diuji, seperti beta pada transistor BJT dan knee voltage pada dioda.

 Dapat mengetahui perbedaan gambar kurva karakteristik dari kurva transistor BJT dan FET.

V.2 Saran

Saran-saran yang dapat diberikan untuk perbaikan dan pengembangan dari Tugas Akhir ini adalah :

 Perancangan dari tempat pengujian perangkat bisa diubah, sehingga lebih banyak jenis package transistor yang dapat dilakukan pengujian seperti package TO-220.

 Dapat ditambahkan jenis transistor yang dapat dilakukan pengujian. Misalnya, IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor).

(2)

Bab IV – Simpulan dan Saran 56

Universitas Kristen Maranatha  Dapat dilakukan penelitian lebih lanjut mengenai perancangan alat

yang dibuat, sehingga tampilan bisa lebih efektif dan menarik.  Hasil penggambaran kurva dapat ditampilkan pada PC (Personal

(3)

PERANCANGAN DAN REALISASI ALAT PENJEJAK KURVA

KARAKTERISTIK KOMPONEN SEMIKONDUKTOR

DESIGN AND REALIZATION OF SEMICONDUCTOR CURVE

TRACER

LAPORAN TUGAS AKHIR

Diajukan sebagai syarat untuk menempuh ujian sarjana di Program Studi Teknik Elektro – Fakultas Teknik

Universitas Kristen Maranatha Bandung

Disusun Oleh:

Leonard Alexander Sitorus 1222037

Pembimbing I: