LED, Teori, Rumus dan Rangkaian

LED (Light Emitting Diode)

Light Emitting Diode atau sering di sebut LED, adalah jenis khusus dari dioda, jika diberikan arus dengan bias maju maka LED akan merubah energi listrik menjadi cahaya. LED Terbuat dari lapisan yang sangat tipis dari campuran bahan semikonduktor. konstruksi LED berbeda dengan dioda sinyal biasa, LED dikelilingi oleh lapisan transaparan plastik keras resin epoxy hemispherical berbentuk shell. dibuat berbentuk kubah agar terjadi fokus keatas sehingga cahaya led akan lebih terang jika dilihat dari atas.

Namun tidak semua led berbentuk kubah tetapi ada juga yang berbentuk kotak persegi panjang atau silinder dengan permukaan atas yang rata. semua led memiliki terminal Anoda dan Kathoda, jika dilihat dari dalam led maka Anoda memiliki model plat datar dan lebih panjang dibanding Katoda yang lebih pendek.

berbeda dengan jenis lampu pijar atau lampu penghasil cahaya lainnya yang bersifat menimbulkan panas saat merubah energi listrik ke cahaya, sedangkan LED adalah perangkat solid state yang tidak menimbulkan panas ketika merubah energi listrik ke cahaya sehingga LED memiliki umur lebih panjang.

LED terbuat dari campuran senyawa semikonduktor eksotis seperti Galium Arsenat (GaAs), Gallium phosphide (GaP), Gallium arsenat phosphide (GaAsP), Silicon Carbide (SiC) atau Indium Gallium Nitrida (GaInN) semua dicampur bersama-sama pada rasio yang berbeda untuk menghasilkan panjang gelombang yang berbeda warna.

Dibawah ini adalah tabel warna yang dihasilkan oleh material semikonduktor pada LED :

Dapat dilihat dari tabel diatas maka sebenarnya warna yang dihasilkan dari LED ditentukan oleh panjang gelombang cahaya yang dipancarkan, yang dihasilkan dari campuran bahan senyawa semikonduktor yang digunakan dalam membentuk PN junction. oleh karena itu warna yang ada pada bodi LED bukan yang menentukan warna meskipun sedikit membantu meningkatkan cahaya LED, tetapi hanya untuk menunjukan warna led tersebut ketika keadaan tidak dialiri listrik. 

Dilihat dari tabel diatas sebenarnya bahan utama yang dipakai untuk terminal tipe "P" adalah dari Galium (Ga) dan untuk bahan utama untuk terminal tipe "N" adalah Arsenic (As), sehingga campuran kedua material tersebut menghasilkan senyawa Galium Arsenide (GaAs), dan menghasilkan warna cahaya inframerah radiasi rendah (850nm-940nm), warna ini sering diaplikasikan untuk remote kontrol. dan tidak bisa dijadikan lampu cahaya karena tidak dapat dilihat oleh mata. Untuk itu dengan menambahkan molekul Fosfor (P) sebagai campuran ketiga akan menghasilkan senyawa Gallium Arsenide Phosphide (GaAsP) dan panjang gelombang yang dihasilkan akan menjadi dibawah 680nm dan menghasilkan warna merah yang dapat dilihat oleh mata. 

Warna kuning sawo dihasilkan dengan merubah takaran dari campuran (GaAsP).warna hijau dihasilkan dari campuran bahan Alumunium (Al), Gallium (Ga) dan Pospor (P)sehingga menjadi senyawa Alumunium Gallium Pospide (AlGaP). Warna biru adalah campuran senyawa Silikon (Si) dan Karbon (C) dan menghasilkan senyawa Silicon Carbide (SiC).

Dari penjelasan diatas maka dengan mencampur dua atau lebih bahan semikonduktor dengan komposisi yang berbeda maka akan dihasilkan panjang gelombang dan warna yang berbeda-beda. 
  

Rangkaian Seri Resistor Pembatas Arus LED

Arus yang diperlukan untuk sebuah LED sangat kecil sekitar 10 sampai 20mA, maka untuk membatasi arus yang mengalir ke LED kita harus memasang sebuah resistor penahan arus secara seri dan untuk menghitung nilai resistor yang diperlukan dalam rangkaian seri LED dan Resistor adalah dapat dilihat seperti gambar dibawah ini: 

dimana :

R = Resistor (ohm)

Vs = Tegangan Supply (Volt)

VLed = Drop Tegangan LED (Volt)

ILed = Arus LED (Ampere)

Contoh Soal :

Sebuah rangkaian seri resistor LED dialiri tegangan 12V, dengan drop tegangan pada LED 1,2V. Jika arus LED 20mA, Hitunglah nilai resistor penahan arus?

Penyelesaian :

R = (Vs - Vled) / Iled = (12 - 1,2) / 20mA  = 10,8 / 0,02  = 540Ω

Rangkaian Driver LED

LED bisa dikendalikan oleh komponen aktip seperti IC TTL atau CMOS, dan Juga Transistor. Arus drive keluaran dari IC adalah mencapai maksimum 50mA, sehingga diperlukan resistor pembatas arus dalam rangkaian sebagai berikut :

 
Transistor sebagai driver led dapat dilihat seperti gambar dibawah ini:

Jika diperlukan arus yang lebih besar untuk mendrive rangkaian seri atau paralel beberapa LED, maka kita dapat merubah tipe transistor dengan spesifikasi arus yang lebih tinggi.

Drop tegangan rangakaian LED seri adalah dijumlahkan (VLed 1 + VLed2 + VLed3 ...dst), dan nilai arus LED nya sama. sedangan tegangan drop rangkaian paralel adalah sama dan kebutuhan arus dijumlahkan dari setiap arus LED (ILed1 + ILed2 + ILed3....dst).

 

Teori, Jenis dan Simbol Dioda

Dioda atau disebut juga sinyal dioda adalah komponen dasar semikonduktor aktif yang hanya bisa mengalirkan arus satu arah saja (forward bias) yaitu dari arah positip (Anoda) ke arah negatif (Katoda) namun memblok arus untuk arah sebaliknya. Dalam rangkaian elektronika dioda diibaratkan sebagai kran/katup listrik satu arah. Dioda memiliki dua elektroda yaitu elektroda positip (Anoda) dan elektroda negatif (Katoda). Secara umum dioda biasa dipakai untuk merubah arus bolak-balik (AC) menjadi arus searah (DC) atau disebut sebagai Rectifier.

Dioda dibuat dari bahan semikonduktor seperti germanium (Ge), Silicon (Si) dan galium arsenide (GaAs), sifat listrik pada jenis material tersebut ialah menengah atau dengan kata lain tidak baik sebagai konduktor dan tidak baik juga sebagai insulator, sifat ini dinamakan semikonduktor.

Material semikonduktor memiliki sangat sedikit "elektron bebas" karena molekul atomnya terkumpul bersama dalam bentuk pola kristal yang sering disebut "kisi kristal". Untuk meningkatkan daya hantar listrik pada material ini maka perlu dicampurkan "kotoran atom" pada struktur kristalnya sehingga menghasilkan lebih banyak elektron bebas dan lubang atom.

untuk menghasilkan sisi Negatif (katoda) pada dioda maka material semikonduktor biasanya dicampurkan kotoran atom dengan bahan seperti: Arsenik, Antimony atau Fosfor. dan untuk menghasilkan sisi positip (Anoda) dicampur dengan kotoran atom dari bahan Aluminium, Boron atau Galium. 

Jenis dan Simbol Dioda

Seperti penjelasan diatas, Jenis dioda tergantung dari bahan material yang dipakai saat pembuatannya, dibawah ini adalah contoh gambar dan simbol dari jenis-jenis dioda:

1. Dioda Silicon

Terbuat dari bahan Germanium, memiliki drop tegangan maju (forward volt drop) 0,7V, pada rangkaian elektronika biasa dipakai sebagai penyearah (rectifier). Contoh dioda Germanium adalah: 1N4000 series dan 1N5000 series dll.

2. Dioda Germanium

Terbuat dari bahan Silicon, memiliki drop tegangan maju (forward volt drop) 0,3V. Biasa diaplikasikan sebagai dioda penyearah. contoh dioda silicon adalah: IN4148 atau 1N914 dll.

3. Dioda Zener

terbuat dari bahan silikon, dioda zener atau sering disebut juga "breakdown diode" berfungsi sebagai pembatas tegangan pada rangkaian, atau dengan kata lain dioda zener adalah komponen regulator tegangan sederhana.  dioda zener memiliki rating tegangan antara 1 sampai ratusan volt dengan daya mulai dari 1/4w.

4. Light Emitting Diode atau LED

Adalah jenis dioda yang dapat mengeluarkan cahaya, LED yang banyak dipasaran berbentuk kubah bulat dan juga kotak persegi dengan variasi warna merah, kuning, hijau, biru atau putih. batas arus maksimum LED adalah 20mA. dan memiliki drop tegangan maju (forward volt drop) antara 1,2v sampai 3,6v tergantung dari jenis warna LED.

5. Dioda Schottky

disebut juga dioda power memiliki drop tegangan maju (forward bias) yang rendah, namun rating arus dan tegangannya tinggi. Biasa dipakai sebagai penyearah pada frekuensi tinggi, sering dipakai pada rangkaian pengisian battre, AC Rectifier dan Inverter.contoh untuk dioda schotky adalah 5819 atau 58xx dll.

Teori & Rumus Induktansi pada Induktor

Arus Listrik Pada Induktor

jika sebuah induktor dialiri arus listrik (DC) maka akan timbul induksi medan listrik pada setiap lilitan kawatnya dengan arah yang sama hal ini disebut induksi diri (self induction), besar akumulasi induksi medan listrik tiap lilitan kawat pada induktor disebut fluks magnetik (magnetics flux), kuat medan magnet yang ditimbulkan akibat medan listrik pada induktor berubah-ubah terhadap waktu, perubahan ini mengakibatkan timbulnya induksi gaya gerak listrik (ggl) atau sering disebut "electromotive force" (emf).

Induktansi Diri (Self Inductance)

emf yang terjadi akan menghasilkan arus yang menentang setiap perubahan fluks magnetik, penentangan ini disebut dengan induktansi diri (self inductance). pernyataan ini sesuai hukum lenz yang dikemukan oleh Heinrich Friedrich Lenz (1804 - 1865). besaran satuan nilai induktansi dinyatakan dalam Henry (H), sebuah induktor dikatakan memiliki nilai induktansi sebesar 1H, jika perubahan arus yang mengaliri pada rating 1ampere/detik menginduksi tegangan 1volt didalamnya. definisi ini dapat dirumuskan sebagai berikut :

L = 1.H  = 1.V.(di/dt)  = 1.V/(ampere/detik)

Semakin banyak jumlah lilitan dalam sebuah induktur maka semakin bertambah juga nilai induktansinya. Besarnya nilai induktansi terhadap jumlah lilitan pada suatu induktor dapat dihitung dengan rumus: 

L = N x (φ/I)

 

dimana: L = induktansi (H), N = jumlah lilitan, φ = fluks magnetik (Weber/Wb), I = arus (A)

koefesiensi induktansi diri sebuah induktor tergantung dari konstruksinya seperti : jumlah lilitan kawat, jarak antar lilitan, besar inti pusat dll. Oleh karena untuk mendapatkan induktor dengan koefesiensi induksi diri yang sangat tinggi bisa dengan menggunakan kore ( pusat inti) dengan permeabilitas tinggi, dan merubah jumlah lilitan, sehingga fluks magnetik yang dihasilkan dapat dihitung dengan rumus :

φ = B x A

dimana : φ = besar magnetik fluks (Wb), B = kerapatan fluks, A = luas area (m²)

jika sebuah induktor dapat diketahui jumlah lilitan (N), maka induksi magnetik/kerapatan fluks(B) dalam inti, dapat diketahui dengan rumus :

_{B =  µo x H  = N x (I/l)}

untuk menggabungkan pernyataan rumus persamaan diatas maka untuk mengetahui nilai induktansi sebuah induktor dapat diketahui dengan uraian rumus:

_{L = N x (φ /I) = N x ((BxA)/I)   =  (µo x N x I)/(l x I)}

dan pengelompokan dari peryataan diatas, maka nilai induktansi dari sebuah induktor dapat sederhanakan dengan rumus persamaan akhir sebagai berikut:

Dimana: L = induktasni (H), N = jumlah lilitan, µ_{o = panjang Permeabilitas (4.π.10-7)}, l = panjang koil dalam meter

Tegangan emf

disebabkan oleh hukum faraday yang dikemukan oleh michael faraday bahwa semakin cepat perubahan medan magnet maka emf yang diinduksikan akan semakin besar. besar tegangan emf pada induktor adapat dihtiung dengan rumus :

 Vemf = L x (di/dt)

dimana : Vemf = tegangan emf (V), L = induktansi (H), di/dt = tingkat perubahan arus (ampere/detik) 
 

Contoh Soal

Jika sebuah induktor dengan inti udara (air core) terdiri  100 lilitan kawat,dan menghasilkan fluks magnet sebesar 10mWb, jika arus DC yang mengalir sebesar 5A,berapakah induktansi diri dari induktor tersebut? dan hitunglah induksi diri emf (Vemf) setelah 20ms?

Penyelesaian : 

Kesimpulan :

Induktansi dari koil / kumparan disebabkan dari fluks magnet yang terjadi disekitarnya. semakin kuat fluks magnet maka induktansi yang dihasilkan akan semakin besar. untuk menaikan nilai induktansi dari koil/kumparan kita dapat menambah jumlah lilitan kawat, atau menambah ukuran diameter atau panjang dari kore inti (inti pusat) dan juga dengan cara mengganti kore inti (inti pusat) dengan bahan feromagnetik seperti dengan bahan besi lunak atau jenis ferit.

bahan feromagnetik seperti besi lunak, kobalt atau jenis nikel dll. yang digunakan sebagai kore inti (inti pusat) akan meanikan nilai induktansi dari koil. Ini karena dengan garis-garis gaya yang dihasilkan dari bahan konsentrat feromagnetik lebih kuat.

Sebagai contoh; jika bahan inti permeabilitas 1000 kali lebih besar dari ruang bebas seperti besi lunak atau baja, maka induktansi yang dihasilkan akan 1000 kali lebih besar. Sehingga dapat dikatakan induktansi dari koil akan meningkat secara proposional sebagai permeabilitas dari bahan inti.