Fig. 17.31

[KEMBALI KE MENU SEBELUMNYA]

DAFTAR ISI

1. Pendahuluan

2. Tujuan

3. Komponen

4. Dasar Teori

5. Example

6. Problem

7. Soal Pilihan Ganda

8. Rangkaian Proteus

9. Video

10. Download File

1. Pendahuluan [Kembali]

Dalam dunia industri modern, sistem otomatisasi dan kendali membutuhkan kemampuan untuk mendeteksi keberadaan objek tanpa kontak fisik langsung. Salah satu cara untuk mewujudkan hal ini adalah melalui rangkaian proximity detector—atau detektor kedekatan.

Salah satu bentuk sederhana dari proximity detector yang banyak digunakan dalam aplikasi dasar adalah DIAC Proximity Detector. Rangkaian ini memanfaatkan komponen DIAC (Diode for Alternating Current) sebagai elemen pemicu utama dalam mendeteksi perubahan medan atau keberadaan benda logam di dekat sensor. Dalam berbagai aplikasi, deteksi jarak dekat (proximity detection) sangat berguna, mulai dari sistem keamanan, kontrol otomatis, hingga antarmuka pengguna yang interaktif. Berbagai teknologi sensor telah dikembangkan untuk tujuan ini, namun rangkaian berbasis DIAC menawarkan pendekatan yang menarik karena kesederhanaan komponen dan prinsip kerjanya.

Dalam materi ini, kita akan menyelami bagaimana sebuah DIAC, yang biasanya digunakan dalam rangkaian pemicu TRIAC untuk kontrol daya AC, dapat diadaptasi untuk fungsi deteksi jarak dekat. Kita akan mempelajari bagaimana perubahan kapasitansi atau impedansi di sekitar sensor dapat memicu DIAC pada tegangan tertentu, yang kemudian dapat digunakan untuk mengaktifkan indikator atau rangkaian kontrol lainnya.

2. Tujuan [Kembali]

1. Memahami Prinsip Kerja DIAC
2. Menganalisis Konfigurasi Rangkaian Proximity Detector Berbasis DIAC
3. Mengidentifikasi Mekanisme Deteksi
4. Mengeksplorasi Potensi Aplikasi

3. Komponen [Kembali]

Alat/Instrumen

1. Voltage probe

Voltage probe adalah alat ukur atau sensor yang digunakan untuk menghubungkan instrumen pengukur tegangan (seperti osiloskop atau multimeter) dengan titik tertentu dalam rangkaian listrik, sehingga dapat mendeteksi dan menampilkan tegangan listrik pada titik tersebut.

Voltage probe

Voltage probe pada proteus

2. Gelombang sinus AC

Gelombang sinus AC adalah bentuk standar dari sinyal AC yang digunakan dalam distribusi daya listrik serta berbagai aplikasi elektronika. Fungsi utamanya adalah untuk mengalirkan energi listrik secara efisien dan stabil ke berbagai perangkat listrik. 

Gelombang sinus AC pada Proteus

Bahan/Komponen

1. Resistor

Resistor adalah komponen yang berfungsi untuk menghambat dan mengatur arus listrik di dalam sebuah rangkaian elektronika, satuannya adalah ohm. 

Resistor

Resistor pada Proteus

Nilai pada suatu resistor diwakilkan oleh kode angka atau gelang warna yang dapat dilihat pada  badan resistor, seperti di bawah ini:

2. Kapasitor

Kapasitor adalah komponen elektronika yang berfungsi menyimpan muatan listrik dalam jangka waktu tertentu. Satuan dari kapasitor adalah Farad.

Kapasitor

Kapasitor pada Proteus

Kapasitor atau kondensator ditemukan oleh Michael Faraday (1791-1867) pada hakikatnya adalah suatu alat yang dapat menyimpan energi/muatan listrik di dalam medan listrik. Kemudian Michael Faraday membuat postulat bahwa sebuah kapasitor akan memiliki kapasitansi sebesar 1 farad jika dengan tegangan 1 volt dapat memuat muatan elektron sebanyak 1 coulombs.

Dengan rumus dapat ditulis:

Q=CV

Dengan asumsi: 

    Q = muatan elektron dalam C (Coulomb)

    C = nilai kapasitansi dalam F (Farad)

    V = tinggi tegangan dalam V (volt)

3. DIAC

DIAC (Diode for Alternating Current) adalah komponen semikonduktor dua arah yang berfungsi sebagai saklar pemicu (triggering switch) untuk komponen lain, terutama TRIAC (Triode for Alternating Current).

DIAC

DIAC pada Proteus

4. Dasar Teori [Kembali]

DIAC adalah komponen semikonduktor dua terminal yang berperilaku seperti sakelar tegangan tinggi bilateral. Komponen ini termasuk dalam keluarga thyristor dan dirancang khusus untuk mengalirkan arus hanya ketika tegangan yang diberikan melampaui nilai breakover tertentu, baik pada polaritas positif maupun negatif. Struktur internal DIAC terdiri dari dua dioda empat lapis (PNPN) yang disusun secara antiparalel, memungkinkannya bekerja pada kedua siklus gelombang AC.

Karakteristik utama DIAC ditunjukkan oleh kurva tegangan-arus yang simetris. Komponen ini tetap dalam keadaan tidak menghantar hingga tegangan mencapai nilai breakover (VBO), biasanya antara 20-40 volt. Setelah tegangan melebihi nilai ini, DIAC tiba-tiba menghantar dan tegangan jatuhnya menurun drastis, menunjukkan sifat resistansi negatif. DIAC akan kembali ke keadaan tidak menghantar ketika arus turun di bawah nilai holding current. Sifat unik ini membuat DIAC ideal sebagai pemicu untuk TRIAC dalam rangkaian kontrol daya AC, seperti dimmer lampu dan pengontrol kecepatan motor.

Aplikasi utama DIAC adalah dalam rangkaian kontrol fase AC, dimana komponen ini memberikan pulsa pemicu yang simetris dan stabil ke TRIAC. Dengan menggunakan DIAC, rangkaian dapat mencapai pemicuan yang konsisten pada kedua setengah siklus gelombang AC, menghasilkan kontrol daya yang presisi dan efisien. Selain itu, DIAC membantu mengurangi distorsi harmonik dan meningkatkan keandalan sistem kontrol daya.

Dalam rangkaian proximity detector berbasis DIAC, perubahan pada lingkungan sekitar sensor (yang belum terlihat secara eksplisit dalam rangkaian Anda) akan menyebabkan perubahan pada impedansi atau kapasitansi dalam rangkaian. Perubahan ini kemudian memengaruhi tegangan yang melintasi DIAC, dan jika tegangan tersebut mencapai VBO​, DIAC akan menyala, menghasilkan perubahan pada sinyal output. Meskipun sensor proximity tidak terlihat, kita dapat berasumsi bahwa keberadaan objek dekat sensor akan menyebabkan perubahan kapasitansi atau impedansi pada suatu bagian rangkaian. Mari kita pertimbangkan beberapa kemungkinan mekanisme:

• Sensor Kapasitif Implisit: Rangkaian itu sendiri mungkin dirancang sedemikian rupa sehingga kapasitansi liar atau kapasitansi antara bagian-bagian rangkaian dan objek eksternal berperan sebagai sensor. Mendekatkan objek dapat meningkatkan kapasitansi ini.
• Pengaruh pada Jaringan RC: Resistor R2 (10M) dan kapasitor C1 (1u) membentuk jaringan RC dengan konstanta waktu yang relatif besar. Perubahan kapasitansi eksternal (akibat proximity) yang terhubung secara implisit ke jaringan ini dapat mengubah tegangan AC melintasi DIAC.
• Perubahan Impedansi: Keberadaan objek juga dapat mempengaruhi impedansi efektif pada titik tertentu dalam rangkaian, yang pada gilirannya memengaruhi pembagian tegangan AC dan tegangan yang mencapai DIAC.

5. Example [Kembali]

1. Apa yang terjadi pada tegangan gate $v_G$ jika kapasitor $C_b = 0 \, \text{F}$?

Jawaban:
Jika $C_b = 0 \, \text{F}$, maka tidak ada kopling AC antara sinyal input $v_i$ dan gate transistor. Tegangan gate $v_G$hanya ditentukan oleh pembagi tegangan dari resistor 10 MΩ dan 1 MΩ, sehingga $v_G$ menjadi tegangan DC tetap dan tidak mengikuti bentuk gelombang sinus $v_i$.

2. Mengapa bentuk sinyal $v_G$ tampak terpotong (kliping) saat kapasitor $C_b$ dipasang?

Jawaban:
Ketika $C_b$dipasang, sinyal $v_i$ dikopling ke gate transistor. Namun, karena gate tidak bisa turun terlalu jauh secara negatif (terutama pada JFET/MOSFET), bagian negatif dari sinyal $v_i$ tidak diteruskan penuh. Ini menyebabkan bentuk gelombang $v_G$tampak terkliping di bagian bawah, karena dibatasi oleh batas konduksi atau bias transistor.

3. Apa pengaruh pemilihan nilai kapasitor $C_b$ terhadap bentuk sinyal di gate $v_G$?

Jawaban:
Nilai kapasitor $C_b$ menentukan kemampuan rangkaian untuk melewatkan sinyal AC. Jika $C_b$ terlalu kecil, maka sinyal AC akan teredam atau hilang. Sebaliknya, jika $C_b$ cukup besar, sinyal AC dari $v_i$ akan diteruskan dengan baik ke gate, sehingga $v_G$ dapat mengikuti perubahan sinyal $v_i$. Kombinasi $C_b$dan resistor membentuk filter RC yang menentukan frekuensi minimum sinyal yang bisa dilewatkan.

6. Problem [Kembali]

1. Diberikan:

• Resistor pembagi tegangan: $R_1 = 10\,\text{M}\Omega$, $R_2 = 1\,\text{M}\Omega$
  

• Tidak ada kapasitor ($C_b=0\text{F)}$

• Tegangan input DC: $V_i = 10\,\text{V}$
  

Pertanyaan:
Berapa tegangan gate $V_G$ yang terbentuk akibat pembagi tegangan tersebut?

Jawaban:
Gunakan rumus pembagi tegangan:

$$V_G=V_i\cdot \frac{R_2}{R_1+R_2}=10\cdot \frac{1}{10+1}=10\cdot \frac{1}{11}\approx 0.91\text{V}\text{<br>}\text{<br>}$$

2. Diberikan:

• Kapasitor $C_b = 0.1\,\mu\text{F}$
  

• Resistor di jalur ke ground $R=1\text{M}\mathrm{\Omega }$

Pertanyaan:
Berapa konstanta waktu $\mathrm{\tau \; dari\; filter\; RC\; yang\; terbentuk\; di\; antara }$$C_b$ dan resistor tersebut?

Jawaban:

$$\tau =R\cdot C=1\times {10}^6\cdot 0.1\times {10}^{-6}=0.1\text{detik}\text{<br>}\text{<br>}\text{<br>}\text{<br>}$$

3. Diberikan:

• Nilai $R = 1\,\text{M}\Omega$
  

• Kapasitor $C_b = 0.01\,\mu\text{F}$
  

Pertanyaan:
Hitung frekuensi cut-off ($f_c$) dari filter high-pass yang terbentuk oleh $R$ dan $C_b$.

Jawaban:
Gunakan rumus:

$$f_c = \frac{1}{2\pi RC} = \frac{1}{2\pi \cdot 1 \times 10^6 \cdot 0.01 \times 10^{-6}} = \frac{1}{2\pi \cdot 10^{-2}} \approx \frac{1}{0.0628} \approx 15.9\,\text{Hz}$$

7. Soal Pilihan Ganda [Kembali]​

1. Pertanyaan:
Apa fungsi utama dari kapasitor $C_b$ pada rangkaian di Gambar 17.31?

A. Menyediakan arus bias ke gate transistor
B. Menghilangkan sinyal DC dan meneruskan sinyal AC ke gate
C. Menstabilkan tegangan keluaran $v_A$
D. Mengubah sinyal sinus menjadi sinyal kotak

Jawaban: B. Menghilangkan sinyal DC dan meneruskan sinyal AC ke gate
Penjelasan: Kapasitor $C_b$ berfungsi sebagai kopling AC (AC coupling), yang memblokir komponen DC dan hanya meneruskan perubahan tegangan (komponen AC) ke gate transistor.

2. Pertanyaan:
Jika $C_b = 0 \, \text{F}$, maka bentuk sinyal pada terminal gate ($v_G$) adalah...

A. Mengikuti penuh bentuk sinyal input $v_i$
B. Berbentuk sinusoidal tapi lebih kecil
C. Hampir konstan (DC)
D. Sama dengan $v_{\mathrm{A}}$

Jawaban: C. Hampir konstan (DC)
Penjelasan: Tanpa kapasitor, sinyal input tidak dikopling ke gate. Maka, tegangan gate hanya ditentukan oleh pembagi tegangan 10 MΩ dan 1 MΩ, yaitu tegangan DC tetap.

3. Pertanyaan:
Sebuah kapasitor $C = 0.1\,\mu\text{F}$ dan resistor $R = 1\,\text{M}\Omega$ disusun sebagai filter RC. Berapakah nilai konstanta waktunya?

A. 0.001 detik
B. 0.01 detik
C. 0.1 detik
D. 1 detik

Jawaban: C. 0.1 detik
Penjelasan: Konstanta waktu RC dihitung dengan $\tau = RC = 1 \times 10^6 \cdot 0.1 \times 10^{-6} = 0.1$

8. Rangkaian Proteus [Kembali]

Fig. 17.31

Prosedur:

1. Siapkan komponen-komponen yang dibutuhkan dari library Proteus

2. Tempatkan transistor JFET di area kerja, lalu beri label terminal Gate (G), Source (S), dan Drain (D).

3. Pasang resistor 10 MΩ dan 1 MΩ sebagai pembagi tegangan bias gate.

4. Pasang kapasitor Cb​ (0.1 µF) pada jalur input sinyal.

5. Hubungkan resistor 47 kΩ dari drain ke sumber tegangan VDD (misalnya 12 V) sebagai resistor beban.

6. Hubungkan source transistor langsung ke ground.

7. Pasang sinyal input (sumber AC sinusoidal)

8. Pasang osiloskop atau probe virtual 

9. Periksa kembali seluruh koneksi dan nilai komponen, pastikan tidak ada kesalahan sambungan.

Jalankan simulasi (klik tombol Play) dan amati bentuk gelombang pada titik pengamatan dengan osiloskop.

Prinsip Kerja:

Rangkaian pada Gambar 17.31 merupakan konfigurasi penguat berbasis transistor JFET dengan elemen kapasitor kopling Cb yang berfungsi untuk mentransmisikan sinyal AC dari input ke terminal gate tanpa membawa tegangan DC. Sinyal input vi berupa gelombang sinus dialirkan melalui kapasitor Cb, sehingga hanya komponen AC-nya yang diteruskan ke gate transistor. Pada sisi gate, terdapat pembagi tegangan menggunakan resistor 10 MΩ dan 1 MΩ yang membentuk bias DC agar gate berada pada tegangan kerja tertentu. Kapasitor memblokir komponen DC dari input, sehingga sinyal yang diteruskan ke gate hanya berupa perubahan tegangan (AC) yang kemudian dikendalikan oleh karakteristik JFET. Bagian drain transistor dihubungkan ke resistor beban 47 kΩ menuju VDD (tegangan suplai), yang menyebabkan sinyal output muncul pada drain. Ketika sinyal AC masuk, gate mengatur konduksi kanal JFET, menyebabkan variasi arus drain yang akhirnya menghasilkan tegangan output yang termodulasi. Dengan demikian, rangkaian ini dapat digunakan sebagai penguat atau pemroses sinyal AC, dan menunjukkan efek penting dari kapasitor dalam mengatur jalur sinyal dan bias transistor.

9. Video [Kembali]

10. Download File [Kembali]

Download Fig 17.31 [Klik Disini]

Download Video Simulasi 17.31 [Klik Disini]

Datasheet Voltage Probe [Klik Disini]

Datasheet Sine Wave AC [Klik Disini]

Datasheet Resistor [Klik Disini]

Datasheet Kapasitor [Klik Disini]

Datasheet DIAC [Klik Disini]