Nota Pengajian Kejuruteraan Elektrik Dan Elektronik Tingkatan 4 Bab 3: Sistem Bekalan Arus Terus (AT)
RINGKASAN
Ringkasan Mudah Faham (Nota Pengajian Kejuruteraan Elektrik Dan Elektronik Tingkatan 4 Bab 3: Sistem Bekalan Arus Terus (AT))
Apakah perbezaan utama antara Pengalir, Penebat dan Separuh Pengalir
Bahan-bahan dalam kejuruteraan elektrik dan elektronik dikelaskan kepada tiga kategori utama berdasarkan keupayaan mereka untuk mengalirkan arus elektrik, yang ditentukan oleh bilangan elektron valensi (elektron di petala paling luar atom).
• Pengalir: Bahan yang mudah mengalirkan arus elektrik kerana mempunyai rintangan yang rendah. Atomnya mempunyai antara satu hingga tiga elektron valensi yang cenderung untuk dilepaskan dan bergerak bebas. Contohnya termasuk emas, perak, kuprum, dan aluminium.
• Penebat: Bahan yang menghalang pengaliran arus elektrik kerana mempunyai rintangan yang sangat tinggi. Atomnya mempunyai antara lima hingga lapan elektron valensi dan cenderung untuk menerima elektron bagi mencapai kestabilan. Contohnya termasuk kaca, getah, seramik, dan mika.
• Separuh Pengalir: Bahan yang mempunyai sifat di antara pengalir dan penebat. Atomnya mempunyai tepat empat elektron valensi, membolehkannya berkongsi sifat kedua-dua pengalir dan penebat. Contoh utama ialah Silikon (Si) dan Germanium (Ge).
Apakah Jenis-jenis Bahan Separuh Pengalir?
Bahan separuh pengalir adalah asas kepada hampir semua peranti elektronik moden. Ia terbahagi kepada dua jenis utama:
Separuh Pengalir Instrinsik
Ini adalah bahan separuh pengalir dalam keadaan tulen, tanpa sebarang atom bendasing. Silikon dan Germanium adalah contohnya. Atom-atom dalam bahan ini membentuk ikatan kovalen dengan berkongsi empat elektron valensinya dengan atom jiran. Walaupun tulen, pengaliran arusnya sangat terhad dan bergantung kepada suhu. Silikon lebih diutamakan berbanding Germanium kerana ia lebih tahan haba dan mudah diperolehi.
Separuh Pengalir Ekstrinsik
Ini adalah bahan separuh pengalir instrinsik yang telah melalui proses pengedopan, iaitu penambahan atom bendasing untuk mengubah sifat pengalirannya secara dramatik. Proses ini menghasilkan dua jenis bahan:
• Bahan Jenis-N (Negatif):
◦ Proses: Bahan instrinsik (cth: Silikon) didopkan dengan unsur pentavalen (5 elektron valensi) seperti Fosforus, Arsenik, atau Antimoni.
◦ Struktur: Empat elektron valensi unsur bendasing membentuk ikatan kovalen, manakala elektron kelima menjadi elektron bebas.
◦ Pembawa Arus: Elektron menjadi pembawa arus terbanyak (majoriti), manakala lubang (kekosongan elektron) menjadi pembawa arus tersedikit (minoriti).
• Bahan Jenis-P (Positif):
◦ Proses: Bahan instrinsik (cth: Silikon) didopkan dengan unsur trivalen (3 elektron valensi) seperti Boron, Aluminium, atau Galium.
◦ Struktur: Tiga elektron valensi unsur bendasing membentuk ikatan kovalen, menyebabkan wujudnya satu kekosongan yang dipanggil lubang.
◦ Pembawa Arus: Lubang menjadi pembawa arus terbanyak (majoriti), manakala elektron menjadi pembawa arus tersedikit (minoriti).
Apakah fungsi Diod dan bagaimana ia beroperasi?
Diod ialah komponen elektronik yang dibina dengan mencantumkan bahan separuh pengalir Jenis-P dan Jenis-N. Ia berfungsi seperti suis sehala, hanya membenarkan arus mengalir dalam satu arah.
• Struktur: Mempunyai dua terminal: Anod (disambung pada bahan Jenis-P) dan Katod (disambung pada bahan Jenis-N). Tempat cantuman kedua-dua bahan ini dikenali sebagai Simpang P-N.
• Simpang P-N: Apabila dicantumkan, elektron dari bahan N meresap ke bahan P, mewujudkan satu kawasan bebas pembawa cas yang dipanggil lapisan susutan dan satu medan elektrik yang dikenali sebagai sawar upaya.
Operasi Diod
Kendalian diod bergantung kepada cara voltan luaran dikenakan, yang dipanggil pincang.
• Pincang Hadapan (Forward Bias):
◦ Sambungan: Anod disambung ke terminal positif bekalan kuasa, dan Katod ke terminal negatif.
◦ Kesan: Voltan luaran menolak pembawa arus terbanyak (lubang dari P, elektron dari N) ke arah simpang, menyebabkan lapisan susutan menipis. Apabila voltan luaran melebihi sawar upaya (voltan lutut), arus dapat mengalir dengan mudah.
• Pincang Songsang (Reverse Bias):
◦ Sambungan: Anod disambung ke terminal negatif, dan Katod ke terminal positif.
◦ Kesan: Voltan luaran menarik pembawa arus terbanyak menjauhi simpang, menyebabkan lapisan susutan melebar. Ini menghalang pengaliran arus. Hanya satu arus yang sangat kecil, dikenali sebagai arus bocor (disebabkan oleh pembawa arus tersedikit), yang dapat mengalir.
Apakah Lima Peringkat Utama Litar Bekalan Kuasa Arus Terus (AT)
Kebanyakan peranti elektronik memerlukan bekalan kuasa AT untuk berfungsi, tetapi sumber kuasa utama dari soket dinding adalah AU (230V). Litar bekalan kuasa AT berfungsi untuk menukarkan AU kepada AT yang stabil. Ia terdiri daripada beberapa bahagian utama:
1. Pengubah (Transformer): Menurunkan voltan tinggi AU (cth: 230V) kepada voltan AU yang lebih rendah (cth: 12V) menggunakan pengubah langkah turun.
2. Penerus (Rectifier): Menukarkan isyarat AU kepada AT berdenyut. Ia menggunakan diod. Terdapat dua jenis utama: penerus setengah gelombang (menggunakan satu diod) dan penerus gelombang penuh (menggunakan dua atau empat diod).
3. Penapis (Filter): Melicinkan voltan AT berdenyut yang dihasilkan oleh penerus untuk mengurangkan riak (ripple). Biasanya, komponen seperti pemuat (kapasitor) digunakan untuk menyimpan cas dan melepaskannya bagi meratakan voltan.
4. Pengatur (Regulator): Menstabilkan voltan keluaran pada satu nilai yang tetap, walaupun terdapat perubahan pada voltan masukan atau beban. Diod Zener sering digunakan dalam litar pengatur kerana keupayaannya untuk mengekalkan voltan malar apabila beroperasi dalam keadaan pincang songsang.
5. Beban (Load): Merujuk kepada peranti atau litar elektronik yang menerima bekalan kuasa AT yang telah ditukar dan distabilkan.
GLOSARI
| Istilah | Definisi |
| Apakah itu Anod pada diod? | Terminal diod yang disambungkan kepada bahan Jenis-P. |
| Arus Bocor | Arus yang sangat kecil yang mengalir dalam diod ketika dipincang songsang, disebabkan oleh pergerakan pembawa arus tersedikit. |
| Arus Terus (AT) | Arus elektrik yang mengalir dalam satu arah sahaja. |
| Arus Ulang-alik (AU) | Arus elektrik yang arah alirannya berulang-alik secara berkala. |
| Diod | Komponen elektronik yang dibina daripada cantuman bahan Jenis-P dan Jenis-N yang membenarkan pengaliran arus dalam satu arah sahaja. |
| Elektron Valensi | Elektron yang berada pada petala (orbit) paling luar sesuatu atom. |
| Ikatan Kovalen | Ikatan kimia yang terbentuk apabila atom-atom berkongsi elektron valensi untuk mencapai kestabilan. |
| Katod | Terminal diod yang disambungkan kepada bahan Jenis-N. |
| Lapisan Susutan | Kawasan di sekitar simpang P-N yang tidak mempunyai pembawa arus majoriti (elektron bebas atau lubang) kerana proses resapan awal. |
| Lubang | Kekosongan elektron dalam ikatan kovalen pada bahan separuh pengalir, yang bertindak seolah-olah cas positif. |
| Pembawa Arus Terbanyak | Pembawa cas majoriti yang bertanggungjawab untuk sebahagian besar pengaliran arus dalam bahan ekstrinsik (elektron bagi Jenis-N, lubang bagi Jenis-P). |
| Pembawa Arus Tersedikit | Pembawa cas minoriti dalam bahan ekstrinsik (lubang bagi Jenis-N, elektron bagi Jenis-P). |
| Penebat | Bahan dengan rintangan elektrik yang sangat tinggi, menyukarkan pengaliran arus elektrik. |
| Pengalir | Bahan dengan rintangan elektrik yang sangat rendah, membenarkan arus elektrik mengalir dengan mudah. |
| Pengatur (Voltan) | Peringkat dalam litar bekalan kuasa yang berfungsi menstabilkan voltan keluaran AT pada nilai yang tetap. |
| Apakah proses Pengedopan? | Proses mencampurkan atom bendasing (trivalen atau pentavalen) ke dalam bahan separuh pengalir tulen (instrinsik) untuk mengubah sifat pengalirannya. |
| Penerus | Peringkat dalam litar bekalan kuasa yang menukarkan voltan AU kepada voltan AT berdenyut. Menukarkan isyarat AU kepada AT berdenyut, menggunakan komponen diod. |
| Penapis | Peringkat dalam litar bekalan kuasa yang melicinkan voltan AT berdenyut dengan mengurangkan riak. Melicinkan voltan AT berdenyut yang dihasilkan oleh penerus untuk mengurangkan riak (ripple), biasanya menggunakan pemuat. |
| Pengubah | Komponen elektrik yang menaikkan atau menurunkan tahap voltan AU melalui aruhan elektromagnet. Menurunkan voltan tinggi AU (cth 230v) kepada voltan AU yang lebih rendah menggunakan pengubah langkah turun |
| Apakah yang dimaksudkan dengan Pincang Hadapan? | Keadaan apabila voltan luaran dikenakan pada diod (Anod ke positif, Katod ke negatif) untuk membolehkan arus mengalir. |
| Pincang Songsang | Keadaan apabila voltan luaran dikenakan pada diod (Anod ke negatif, Katod ke positif) untuk menghalang pengaliran arus. |
| Sawar Upaya | Halangan atau beza upaya yang wujud merentasi simpang P-N disebabkan oleh medan elektrostatik dalam lapisan susutan. Ia perlu diatasi sebelum arus boleh mengalir dalam pincang hadapan. |
| Separuh Pengalir | Bahan yang mempunyai konduktiviti elektrik di antara pengalir dan penebat. |
| Separuh Pengalir Ekstrinsik | Bahan separuh pengalir yang telah didopkan dengan bendasing untuk menjadi sama ada Jenis-P atau Jenis-N. |
| Separuh Pengalir Instrinsik | Bahan separuh pengalir dalam keadaan tulen tanpa sebarang bendasing, contohnya Silikon atau Germanium. |
| Simpang P-N | Sempadan atau cantuman antara bahan separuh pengalir Jenis-P dan Jenis-N yang membentuk sebuah diod. |
| Voltan Lutut | Nilai voltan pincang hadapan minimum yang diperlukan untuk diod mula mengalirkan arus dengan ketara (kira-kira 0.7V untuk Silikon, 0.3V untuk Germanium). |
| Voltan Pecah Tebat | Takat voltan pincang songsang di mana arus songsang meningkat secara mendadak, yang boleh menyebabkan kerosakan kekal pada diod. |
CONTOH SOALAN KBAT
Soalan Kemahiran Berfikir Aras Tinggi (KBAT)
1. Soalan: Jika sebuah kristal silikon tulen didopkan dengan atom bendasing Boron, apakah jenis bahan separuh pengalir yang akan terhasil? Jelaskan mengapa dan nyatakan pembawa arus terbanyak serta tersedikit bagi bahan tersebut. Jawapan: Bahan yang akan terhasil ialah bahan jenis P. Boron ialah unsur trivalen yang mempunyai 3 elektron valensi. Apabila ia didopkan ke dalam silikon (yang mempunyai 4 elektron valensi), satu kekurangan elektron akan wujud dalam ikatan kovalen, lalu menghasilkan lubang. Oleh itu, pembawa arus terbanyak ialah lubang dan pembawa arus tersedikit ialah elektron.
2. Soalan: Huraikan hubungan antara peningkatan suhu dengan keupayaan pengaliran arus dalam bahan separuh pengalir instrinsik. Jawapan: Dalam bahan separuh pengalir instrinsik, peningkatan suhu akan membekalkan tenaga haba yang menyebabkan ikatan kovalen lebih mudah terurai. Ini akan menghasilkan lebih banyak pasangan elektron bebas dan lubang. Peningkatan bilangan pembawa cas ini akan mengurangkan daya tahan bahan tersebut, sekaligus meningkatkan keupayaannya untuk mengalirkan arus elektrik.
3. Soalan: Sebuah diod disambungkan dalam litar. Terminal anodnya menerima voltan -3V dan terminal katodnya menerima voltan -6V. Adakah diod tersebut berada dalam keadaan pincang hadapan atau pincang songsang? Berikan justifikasi. Jawapan: Diod tersebut berada dalam keadaan pincang hadapan. Keadaan pincang hadapan berlaku apabila anod mendapat voltan yang lebih positif berbanding katod. Dalam kes ini, -3V adalah lebih positif daripada -6V, maka syarat untuk pincang hadapan dipenuhi.
4. Soalan: Berdasarkan ciri-ciri bahan separuh pengalir, justifikasikan mengapa televisyen moden lebih menjimatkan tenaga dan lebih ringan berbanding model-model lama. Jawapan: Televisyen moden menggunakan komponen elektronik berasaskan bahan separuh pengalir. Kelebihan bahan ini termasuklah voltan operasi yang sangat rendah, yang secara langsung mengurangkan penggunaan tenaga elektrik dan menjadikannya lebih jimat tenaga. Selain itu, kebolehan untuk memadatkan komponen separuh pengalir membolehkan saiz litar dikurangkan, yang menyumbang kepada reka bentuk televisyen yang lebih kecil, nipis, dan ringan.
5. Soalan: Ramalkan apa yang akan berlaku kepada pengaliran arus jika bahan jenis N didopkan dengan lebih banyak unsur pentavalen. Adakah ia akan menjadi pengalir yang lebih baik? Terangkan. Jawapan: Ya, ia akan menjadi pengalir yang lebih baik. Apabila lebih banyak bendasing pentavalen diserap ke dalam bahan separuh pengalir instrinsik, lebih banyak elektron bebas akan terhasil kerana setiap atom bendasing menderma satu elektron yang tidak berpasangan. Peningkatan bilangan elektron bebas ini, yang merupakan pembawa arus terbanyak, akan meningkatkan konduktiviti bahan jenis N tersebut dengan ketara, membolehkannya mengalirkan arus dengan lebih mudah.
SOALAN LAZIM (FAQ)
Soalan Lazim (FAQ)
1. Apakah perbezaan utama antara bahan separuh pengalir instrinsik dan ekstrinsik? Bahan separuh pengalir instrinsik adalah bahan separuh pengalir yang tulen dan tidak mengandungi sebarang unsur asing, contohnya silikon dan germanium. Manakala, bahan separuh pengalir ekstrinsik terhasil apabila bahan instrinsik melalui proses pengedopan, iaitu penambahan atom bendasing untuk menghasilkan bahan jenis N atau jenis P.
2. Mengapakah bahan silikon lebih menjadi pilihan berbanding germanium dalam pembuatan komponen separuh pengalir? Silikon lebih diutamakan kerana dua sebab utama:
• Tahan haba: Silikon mampu menahan haba yang lebih tinggi, mengelakkan komponen daripada mudah rosak atau terbakar.
• Mudah diperolehi: Bahan silikon lebih mudah didapati berbanding germanium.
3. Bagaimanakah bahan jenis N dan bahan jenis P dihasilkan? Kedua-dua bahan ini dihasilkan melalui proses pengedopan:
• Bahan Jenis N: Dihasilkan dengan mendopkan bahan separuh pengalir instrinsik (seperti silikon) dengan unsur pentavalen (yang mempunyai 5 elektron valensi), seperti Arsenik, Fosforus atau Antimoni.
• Bahan Jenis P: Dihasilkan dengan mendopkan bahan separuh pengalir instrinsik dengan unsur trivalen (yang mempunyai 3 elektron valensi), seperti Indium, Boron, Aluminium atau Galium.
4. Apakah yang dimaksudkan dengan pembawa arus terbanyak dan tersedikit? Dalam bahan separuh pengalir ekstrinsik, pembawa arus merujuk kepada zarah yang bertanggungjawab untuk pengaliran arus elektrik.
• Dalam Bahan Jenis N: Pembawa arus terbanyak ialah elektron bebas, manakala pembawa arus tersedikit ialah lubang.
• Dalam Bahan Jenis P: Pembawa arus terbanyak ialah lubang, manakala pembawa arus tersedikit ialah elektron.
5. Apakah kelebihan utama penggunaan bahan separuh pengalir dalam peranti elektronik? Terdapat tiga kelebihan utama:
• Operasi tanpa pemanasan: Komponen ini tidak memerlukan filamen untuk dipanaskan bagi proses pelepasan elektron, menjadikannya lebih efisien dan mengelakkan kemerosotan tenaga.
• Voltan operasi rendah: Ia menggunakan voltan yang sangat rendah, mengurangkan penggunaan tenaga dan membolehkan penghasilan komponen dan litar yang lebih kecil saiznya.
• Kos rendah dan senyap: Kos penghasilannya lebih murah berbanding tiub vakum dan ia beroperasi tanpa sebarang bunyi.