![Elektronika Modul 1 Elektronika Analog [PDF]](https://pdfs.asia/img/200x200/elektronika-modul-1-elektronika-analog.jpg)
12 0 7 MB
DAR2/Profesional/840/01/2019 PENDALAMAN MATERI: TEKNIK ELEKTRONIKA MODUL 1: ELEKTRONIKA ANALOG
Disusun oleh: Drs. ALMASRI, M.T.
KEMENTERIAN PENDIDIKAN DAN KEBUDAYAAN 2019
KATA PENGANTAR
Puji syukur penulis ucapkan ke hadirat Tuhan Yang Maha Esa, berkat rahmat, dan kurnia-NYA penulis dapat merealisasikan sebuah Perangkat Pembelajaran dalam bentuk Modul Program PPG Dalam Jabatan hybrid learning yang berjudul Elektronika Analog. Modul ini terdiri dari empat Kegiatan Belajar (KB), yaitu: Kegiatan Belajar 1: Komponen Elektronika; Kegiatan Belajar 2: Rangkaian Listrik; Kegiatan Belajar 3: Rangkaian Elektronika; dan Kegiatan Belajar 4: Penerapan Rangkaian Elektronika. Setiap Kegiatan Belajar terdiri dari Pendahuluan, Inti, dan Penutup. Khusus untuk Kegiatan Belajar 4 ditambah dengan Tes Sumatif, Tugas Akhir, dan Kunci Jawaban Tes formatif untuk KB1 β KB4, serta Kunci Jawaban Tes Sumatif. Bahan ajar yang ditulis dalam bentuk Modul ini bertujuan untuk memfasilitasi para peserta program PPG Dalam Jabatan dalam rangka meningkatkan
kompetensinya
secara
mandiri
dengan
penyediaan
perangkat pembelajaran dalam bentuk bahan ajar Program PPG Dalam Jabatan hybrid learning. Penulis mengucapkan terima kasih kepada berbagai pihak, antara lain: Direktur Pembinaan Guru Pendidikan Menengah dan Pendidikan Khusus, Direktorat Jenderal Guru dan Tenaga Kependidikan Kementerian Pendidikan dan Kebudayaan dan Direktorat Jenderal Pembelajaran dan Kemahasiswaan Kementerian Riset, Teknologi dan Pendidikan Tinggi Republik Indonesia, Bapakbapak Penyelia, dan rekan- rekan sesame Pengembang Perangkat Pembelajaran yang telah banyak memfasilitasi penulis, sehingga terwujud sebuah perangkat pembelajaran dalam bentuk Modul. Namun demikian penulis menerima masukan, saran yang bersifat membangun dari para pembaca, demi untuk revisi di masa datang. Padang, 2 Nopember 2019
Penulis
i
DAFTAR ISI
Halaman KATA PENGANTAR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
i
DAFTAR ISI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
ii
DAFTAR GAMBAR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
iii
DAFTAR TABEL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
iv
KEGIATAN BELAJAR 1. KOMPONEN ELEKTRONIKA. . . . . . . . . . . .
2
A. Pendahuluan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1. Deskripsi Singkat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2 2
2.
Relevansi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2
3.
Petunjuk Belajar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
B. Inti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
1.
Capaian Pembelajaran (CP) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
2.
Sub Capaian Pembelajaran . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
3.
Uraian Materi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
4.
Forum Diskusi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
40
C. Penutup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
40
1.
Rangkuman . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
40
2.
Tes Formatif . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
42
Daftar Pustaka . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
45
KEGIATAN BELAJAR 2. RANGKAIAN LISTRIK . . . . . . . . . . . . . . . . . .
47
A. Pendahuluan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1. Deskripsi Singkat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
47 47
2.
Relevansi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
48
3.
Petunjuk Belajar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
48
B. Inti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
48
1.
Capaian Pembelajaran (CP) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
48
2.
Sub Capaian Pembelajaran . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
48
ii
3.
Uraian Materi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
49
4.
Forum Diskusi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
98
C. Penutup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
99
1.
Rangkuman . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
99
2.
Tes Formatif . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
Daftar Pustaka . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
KEGIATAN BELAJAR 3. RANGKAIAN ELEKTRONIKA . . . . . . . . . . . 105 A. Pendahuluan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 1.
Deskripsi Singkat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
2.
Relevansi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
3.
Petunjuk Belajar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
B. Inti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 1.
Capaian Pembelajaran (CP) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
2.
Sub Capaian Pembelajaran . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
3.
Uraian Materi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
4.
Forum Diskusi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
C. Penutup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132 1.
Rangkuman . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
2.
Tes Formatif . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
Daftar Pustaka . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
KEGIATAN BELAJAR 4. PENERAPAN RANGKAIAN ELEKTRONIKA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139 A. Pendahuluan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139 1.
Deskripsi Singkat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
2.
Relevansi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
3.
Petunjuk Belajar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
B. Inti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141 1.
Capaian Pembelajaran (CP) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
2.
Sub Capaian Pembelajaran . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
iii
3.
Uraian Materi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
4.
Forum Diskusi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
C. Penutup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189 1.
Rangkuman . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
2.
Tes Formatif . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
Daftar Pustaka . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194 Tugas Akhir . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195 Tes Sumatif . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196 Kunci Jawaban Tes Formatif KB1 β KB4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205 Kunci Jawaban Tes Sumatif . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
iv
DAFTAR GAMBAR Halaman Gambar 1.1. Resistor tetap: (a) Bentuk Resitor; (b) Simbolnya . . . . . . . . . . . .
4
Gambar 1.2. Resistor Variabel: (a) Bentuk Potensiometer; (b) Simbolnya (c) Bentuk Trimpot; (d) Simbolnya. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5
Gambar 1.3. Resistor Variabel: (a) Bentuk LDR; (b) Simbol (c) Bentuk PTC dan NTC; (d) Simbol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6
Gambar 1.4. (a) Resistor dirangkai secara seri (b) Rumus R Totalnya . . . . . . .
8
Gambar 1.5. (a) Resistor dirangkai secara paralel (b) Rumus R Totalnya . . . .
9
Gambar 1.6. Kapasitor: (a) Kapsitor non polar; (b) Simbol (c) Kapasitor elektrolit; (d) Simbol (e) Kapasitor variabel; (f) Simbol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11
Gambar 1.7. (a) Kapasitor dirangkai secara seri, (b) Rumus C totalnya . . . . . .
13
Gambar 1.8. (a) Kapasitor dirangkai secara paralel, (b) Rumus C totalnya . . .
13
Gambar 1.9. Induktor; (a) Induktor tetap; (b) Simbol (c) Induktor variabel; (d) Simbol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14
Gambar 1.10. Simbol- simbol inductor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14
Gambar 1.11. Induktor diberi tegangan listrik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14
Gambar 1.12. (a) Induktor dirangkai secara seri (b) Rumus L Totalnya . . . . . .
17
Gambar 1.13. (a) Induktor dirangkai secara parallel (b) Rumus L Totalnya . .
17
Gambar 1.14. (a) Susunan diode; (b) Simbol diode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18
Gambar 1.15. Konstruksi sambungan pn diode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18
Gambar 1.16. Dioda Diberi Bias Mundur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
19
Gambar 1.17. Dioda Diberi Bias Maju . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
19
Gambar 1.18. Kurva Karakteristik Dioda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
20
Gambar 1.19. Karakteristik V-I diode pn ideal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
21
Gambar 1.20. Diode sebagai unsur rangkaian . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
22
Gambar 1.21. Karakteristik statis diode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
22
Gambar 1.22. Kontruksi dan simbol transistor PNP dan NPN. . . . . . . . . . . . . . . . . .
23
Gambar 1.23. Rangkaian Transistor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
24
v
Gambar 1.24. Bias trasistor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
24
Gambar 1.25. Untai digunakan untuk mempelajariKarakteristik Kolektor. . . . . .
26
Gambar 1.26. Karakteristik transistor kolektor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
27
Gambar 1.27. Kurva karakteristik basis suatu transistor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
28
Gambar 1.28. Relasi antara π½dengan Ic dan suhu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
29
Gambar 1.29. Ragam gelombang pada suatu penguat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
29
Gambar 1.30. Titik kerja transistor Q . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
30
Gambar 1.31. Penguat Operasional: (a) Bentuk IC Op-Amp; (b) Konfigurasi Pin IC Op-Amp; (c) Simbol Op-Amp . . . . . . . .
31
Gambar 1.32. Untai ekuivalen ideal penguat operasional . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
32
Gambar 1.33. Simbol penguat operasional . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
33
Gambar 1.34. Tanggapan frekuensi kalang terbuka Op Amp Β΅A 741 . . . . . . . . . . .
35
Gambar 1.35. Penguat inverting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
37
Gambar 2.1. Arah arus listrik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
50
Gambar 2.2. Arus listrik searah dan arus bolak-balik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
51
Gambar 2.3. Pita bahan dan tahanan jenisnya . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
52
Gambar 2.4. Pita energi isolator, semikonduktor dan konduktor . . . . . . . . . . . .
52
Gambar 2.5. Resistansi bahan dan simbol R . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
53
Gambar 2.6. (a) Sumber Tegangan; (b) Sumber Arus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
56
Gambar 2.7.(a) Daya dikirim dan (b) Daya diserap pada rangkaian . . . . . . . . .
57
Gambar 2.8. Arus dalam resistor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
59
Gambar 2.9. Rangkaian untuk KCL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
60
Gambar 2.10. Rangkaian untuk KVL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
62
Gambar 2.11.Tiga buah resistor dirangkaisecara seri . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
63
Gambar 2.12.Tiga buah resistor dirangkai secara parallel . . . . . . . . . . . . . . . . .
66
Gambar 2.13. Dua buah resistor dirangkai secara parallel . . . . . . . . . . . . . . . . .
67
Gambar 2.14. Rangkaian dengan sumber independen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
71
Gambar 2.15. Rangkaian dengan sumber terikat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
73
Gambar 2.16. Rangkaian yang dikonversi ke sumber arus dengan node . . . . .
76
Gambar 2.17. Rangkaian analisis node dengan sumber terikat . . . . . . . . . . . . .
77
Gambar 2.18. Grafik linearitas rangkaian . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
80
vi
Gambar 2.19. Rangkaian untuk transformasi delta-wye (ο-Y) . . . . . . . . . . . . .
88
Gambar 2.20. Rangkaian untuk transformasi wye-delta(Y-ο) . . . . . . . . . . . . . .
89
Gambar 2.21. Respon tegangan dan arus pada R . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
90
Gambar 2.22. Respon C terhadap arus AC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
91
Gambar 2.23. Respon C terhadap arus DC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
91
Gambar 2.24. Respon L terhadap arus AC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
92
Gambar 2.25. Induktor ekivalen dengan short circuit pada sumber DC . . . . . .
92
Gambar 2.26. Rangkaian dengan beban kompleks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
95
Gambar 2.27. Rangkaian untuk analisis mesh sumber AC . . . . . . . . . . . . . . . . .
96
Gambar 3.1. Ragam gelombang pada suatu penguat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 Gambar 3.2. Prategangan emitter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 Gambar 3.3. Prategangan umpan balik kolektor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 Gambar 3.4. Konstruksi dan Simbol JFET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 Gambar 3.5. Pengaruh V GS terhadap lebar kanal pada V DS konstan, terlihat makin negatif VGS mengakibatkan kanal makin sempit . . . . . . . . 114 Gambar 3.6. Pengaruh VDS terhadap lebar kanal pada V GS konstan (makin besar VDS, kanal makin sempit) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 Gambar 3.7. Kurva karakteristik drain dari JFET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 Gambar 3.8. Kurva transkonduktans suatu JFET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 Gambar 3.9. Untai/Rangkaian prategangan gate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 G a m b a r 3 . 1 0 . R a n g k a i a n p r a t e g a n g a n diri. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 Gambar 3.11. Perbandingan antara stabilitas Prategangan diri dan prategangan gate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 Gambar 3.12. Prategangan pembagi tegangan. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 Gambar 3.13. Garis prategangan pembagi tegangan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 Gambar 3.14. Prategangan sumber arus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122 Gambar 3.15. Konstruksi dan Simbol MOSFET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 Gambar 3.16. Operasi D-MOSFET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 Gambar 3.17. Karakteristik MOSFET. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 Gambar 3.18. Untai prategangan D-MOSFET. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128 Gambar 3.19. Untai prategangan E-MOSFET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 vii
Gambar 3.20. Prategangan umpan balik drain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130 Gambar 4.1. Untai ekuivalen ac Common Emiter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142 Gambar 4.2. Model parameter h dari transistor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144 Gambar 4.3. Model transistor sinyal kecil pendekatan. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144 Gambar 4.4. Penguat Common Emitter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145 Gambar 4.5. Untai ekivalen ac penguat emitter bersama dengan RE . . . . . . . . 147 Gambar 4.6. Penguat Common Collector. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149 Gambar 4.7. Untai untuk menghitung resistans keluaran pada penguat kolektor bersama. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150 Gambar 4.8. Penguat Common Basis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151 Gambar 4.9. Model sinyal kecil FET. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154 Gambar 4.10. Untai source bersama JFET. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156 Gambar 4.11. Untai drain bersama JFET. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157 Gambar 4.12. Hubungan untuk menghitung resistansi keluaran. . . . . . . . . . . . . 158 Gambar 4.13. Untai penguat gate bersama. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160 Gambar 4.14. Sumber arus gm Vgs diganti dengan sumber tegangan gm rd Vgs untuk memudahkan analisis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160 Gambar 4.15. Untai untuk menghitung resistansi keluaran pada penguat CG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161 Gambar 4.16. Diagram skematik simbol Op-Amp. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163 Gambar 4.17. Penguat inverting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164 Gambar 4.18. Penguat Non Inverting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166 Gambar 4.19. Pengikut tegangan. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168 Gambar 4.20. Penguat Penjumlah. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169 Gambar 4.21. Penguat Beda. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169 Gambar 4.22. Untai integrator. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170 Gambar 4.23. Integrator dengan Rf dan Gain tegangannya . . . . . . . . . . . . . . . . 171 Gambar 4.24. Untai diferensiator. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173 Gambar 4.25. Rangkaian Komparator Tegangan Sederhana . . . . . . . . . . . . . . . 175 Gambar 4.26. Komparator close loop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176 Gambar 4.27. Penyearah Setengah Gelombang.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
viii
Gambar 4.28. Penyearah gelombang penuh dengan dua Dioda . . . . . . . . . . . . . 185 Gambar 4.29. Penyearah Jembatan. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
ix
DAFTAR TABEL Halaman Tabel 2.1. Simbol sumber tegangan dan sumber arus bebas dan terikat . . . . . .
56
Tabel 2.2. Persamaan tegangan yang melewati elemen pasif jika arusnya sinusoidal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
92
Tabel 2.3 Persamaan arus yang melewati elemen pasif jika tegangannya sinusoidal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
x
93
DAR2/Profesional/840/01/2019
PENDALAMAN MATERI: TEKNIK ELEKTRONIKA MODUL 1: ELEKTRONIKA ANALOG KEGIATAN BELAJAR 1: KOMPONEN ELEKTRONIKA
Disusun oleh: Drs. ALMASRI, MT.
KEMENTERIAN PENDIDIKAN DAN KEBUDAYAAN 2019
Kegiatan Belajar 1 Komponen Elektronika A. Pendahuluan Peralatan Elektronika adalah sebuah peralatan yang terbentuk dari beberapa Jenis Komponen Elektronika dan masing-masing Komponen Elektronika tersebut memiliki fungsi-fungsinya tersendiri di dalam sebuah Rangkaian Elektronika.Seiring dengan perkembangan teknologi, komponen-komponen Elektronika makin bervariasi dan jenisnya pun bertambah banyak. Tetapi komponen-komponen dasar pembentuk sebuah peralatan Elektronika seperti Resistor, Induktor, Kapasitor, Dioda, Transistor,Op-Amp (Operational Amplifier), dan IC masih tetap digunakan hingga saat ini. 1. Deskripsi Singkat Pada kegiatan belajar ini, ada dua bagian besar yang dibahas yaitu pemahaman tentang komponen pasif , komponen aktifdan rangkaian Op-Amp (Operational Amplifier) atau penguat operasional. Komponen pasif diwakili oleh tiga jenis komponen yang amat familier bagi kita, yakni resistor (R), induktor (L) , dan kapasitor(C). Sementara komponen aktif diwakili
oleh:
dioda
semikonduktor
dan
transistor,
serta
rangkaianOp-Amp (Operational Amplifier) atau penguat operasional. Pada bahasan tentang dioda, hanya terfokus pada dioda persambungan PN, meskipun
secara
literasi
tetap
disediakan
untuk
dioda
jenis
lainnya.Demikian halnya pada bahasan perihal transistor, tidak hanya bipolarjunction (BJT), namun juga unipolar transistor seperti terutama FET.Dalam pada itu, kajian tentang penguat operasional lebih dititik beratkan
kepada
aplikasinya,
mengingat
teknologi
bahan
dan
komponennya sudah terintegrasi. 2. Relevansi Seluruh materi komponen elektronika yang akan dibahas dalam modul ini ada keterkaitan satu komponen dengan komponen lainnya, dan ada relevansinya dengan capaian pembelajaran, yaitu: menjelaskan gambar 2
komponen pasif dan komponen aktif beserta karakteristiknya serta menganalisisnya dari satu rangkaian elektronika pada fungsi tertentu. 3. Petunjuk Belajar Untuk membantu anda dalam menguasai komponen- komponen elektronika, modul ini dibagi menjadi beberapa tahap, yaitu: a.
Tahap 1: Komponen elektronik pasif
b. Tahap 2: Komponen elektronika aktif c.
Tahap 3: Rangkaian Op-Amp
Kemudian modul ini juga dilengkapi dengan Video Grafis, Media Power Point serta Link dengan website. Anda dapat mempelajari keseluruhan modul ini dengan cara berurutan. Jangan memaksakan diri sebelum benar-benar menguasai bagian demi bagian dalam modul ini, karena masing-masingnya saling berkaitan. Apabila anda mengalami kesulitan memahami materi yang ada dalam modul ini, silahkan diskusikan dengan teman- teman. Selamat mempelajari modul ini, semoga anda berhasil dan sukses selalu
B. Inti 1. Capaian Pembelajaran (CP) Mampu menjelaskan gambar komponen pasif dan komponen aktif beserta karakteristiknya serta menganalisisnya dari satu rangkaian elektronika pada fungsi tertentu. 2. Sub Capaian Pembelajaran a. Menjelaskan karakteristik komponen pasif (R, L dan C) b. Menjelaskan karakteristik dan pembiasan komponen aktif (Dioda PN, Transisitor BJT, Op-Amp) c. Menganalisis rangkaian elektronika analog 3. Uraian Materi Materi 1: Karakteristik Komponen Pasif a. Mengenal karakteristik, jenis dan rangkaian resistor
3
Resistor (R) merupakan komponen yang paling banyak digunakan dari semua komponen elektronika.Sesuai dengan namanya, resistor merintangi memiliki fungsi pokok untuk menahan, merintangi atau menghambat (to resist or to impede) aliran elektron yang melaluinya dalam sebuah rangkaian listrik atau elektronik.Resistor adalah komponen elektronik pasif yang didesain untuk menahan arus listrik. Resistor memungkinkan kita untuk mendistribusikan arus dan tegangan listrik dengan nilai yang dapat dikendalikan, karena resistansii yang dimilikinya dalam satuan ohm, yang disimbolkan dengan ο (baca omega).Kemampuannya memberi respon linier terhadap sinyal, merupakan bagian lain yang memposisikan resistor berada hampir disemua rangkaian atau sistem elektronik.Dengan alasan ini pula, resistor wujud dalam berbagai ragam bentuk dan ukuran, bahkan bisa berada dalam rangkaian terpadu (integrated circuit, IC) elektronik sekalipun. Dalam diagram dan skema rangkaian listrik dan elektronika, simbol yang paling umum digunakan untuk resistor dengannilai tetap adalah model zig-zag (dipakai negara- negara Amerika)dan model kotak (dipakai negara- negara Eropa).Sebuah resistor bernilai tetap memiliki simbol sedikit berbeda dibanding resistor bernilai tidak tetap/variabel, atau lazim dikenal sebagai potensiometer. Sesuai simbolnya, sebuah potensiometer dapat memiliki resistansii dari nol hingga nilai resistansii maksimumnya. Gambar berikut menunjukkan simbol masing-masing resistor.
(b)
(a)
(b)
Gambar 1.1. Resistor tetap: (a) Bentuk Resitor; (b) Simbolnya 4
Seperti dijelaskan sebelumnya, berdasarkan nilai yang diberikan, resistor dapat dibedakan atas dua macam yaitu resistor tetap dan resistor variabel. Resistor tetap akan memberikan nilai konstan sejak resistor tersebut dibuat, sedangkan resistor variabel akan memberikan nilai bervariasi sesuai dengan kondisi tertentu secara fisik ataupun karena suatu besaran fisik. Resistor tetap lebih dikenal sebagai resistor karbon, sesuai dengan bahan dasar pembuatannya.Resistor variabel lebih dikenal sebagai potensiometer ataupun trimmer potentiometer (trimpot). Berikut gambarnya.
(c) (a)
(d)
(b)
Gambar 1.2. Resistor Variabel: (a) Bentuk Potensiometer; (b) Simbolnya (c) Bentuk Trimpot; (d) Simbolnya Resistor variabel yang nilainya dapat berubah sesuai dengan intensitas cahaya, resistor jenis ini disebut dengan LDR atau Light Dependent Resistor. Resistor yang nilainya dapat berubah sesuai dengan perubahan suhu, resistor jenis ini disebut dengan Thermistor. Thermistor ini terdiri dari 2 tipe, yaitu: PTC (Positive Temperature Coefficient) dan NTC (Negative Temperature Coefficient). LDR, PTC, dan NTC ini lebih dikenal sebagai sensor atau transduser. Gambar resistor varibel (LDR dan Thermistor) sebagai berikut.
5
(a)
(c)
(b)
(d)
Gambar 1.3. Resistor Variabel: (a) Bentuk LDR; (b) Simbol (c) Bentuk PTC dan NTC; (d) Simbol Ada berbagai macam jenis resistor dengan gaya konstruksi yang berbeda tersedia untuk masing-masing kelompok, memiliki karakteristik sendiri, keuntungan dan kerugian satu dibandingkan dengan yang lain. Karena jenis yang banyak tersebut, bagian ini membatasi kepada jenis yang paling umum digunakan, dan tersedia untuk tujuan umum dari resistor. Resistor berdasarkan bahan utama pembuatannya, dapat dibedakan atas 4 macam, yaitu: 1) Resistor karbon; Resistor jenis ini terbuat dari debu karbon atau pasta grafit, dengan nilai daya/watt yang rendah. Resistor karbon adalah jenis yang paling umum dari semua resistor komposit, dengan tujuan umum dan murah, digunakan dalam rangkaian listrik dan elektronik. 2) Resistor film; Resistor film memiliki stabilitas suhu jauh lebih baik dan noise/kebisingan lebih rendah dibanding resistor karbon dan jenis lainnya. Umumnya diterapkan pada rangkaian yang bekerja pada frekuensi tinggi atau aplikasi frekuensi radio. Resistor film logam diawali dengan notasi "MFR" (misalnya MFR100kΞ©) dan CF untuk jenis film karbon. Resistor film umumnya adalah komponen 6
presisi dengan daya rendah, terbuat dari oksida logam pasta konduktif,
yang
penerapan
utamanya
untuk
elektronika
instrumentasi. 3) Resistor kawat (wire-wound resistor)atauresistor gulungan kawat, dibuat dari lilitan kawat paduan logam tipis (Nichrome) atau kawat yang sejenis ke sebuah isolasi keramik dalam bentuk spiral seperti resistor film di atas. Jenis resistor ini umumnya hanya tersedia pada nilai sangat rendah dengan tingkat presisi ohmik tinggi (dari 0,01 sampai 100kΞ©). 4) Resistor semikonduktor; Resistor ini merupakan jenis resistor yang memiliki respon negatif terhadap besaran fisik (seperti cahaya, suhu, dan sebagainya) karena sifat dasar bahan pembuatannya. Kebanyakan resistor semikonduktor wujud dalam bentuk sensor atau transduser. b. Karakteristik, Prinsip Dasar dan Fungsi Karakteristik utama dari resistor adalah resistansiinya dalam satuan β¦ dan daya listrik yang dapat diboroskan (disipasi daya dalam satuan Watt). Karakteristik lain yang juga penting adalah koefisien suhu (dalam satuan ppm/ β ), desah listrik (noise), dan induktansinya. Beberapa jenis resistor unggul pada ketelitian nilai resistansii (ditandai dengan kode warna 5 atau 6 cincin), ada yang bisa bekerja pada daya besar dan suhu tinggi, serta ada pula yang memiliki noise amat rendah.Karakteristik ini perlu diperhatikan manakala resistor akan digunakan pada sistem atau rangkaian yang memiliki parameter kerja presisi, aplikasi khusus, atau keperluan lain yang bukan tujuan umum. Tentu saja hal ini untuk menghindari atau mencegah kegagalan sistem ditingkat yang lebih kompleks. Prinsip dasar resistor adalah interaksi antara elektron dengan kisi-kisi atau lapisan kristal dan ion dalam diri resistor. Lapisan kristal dan ion tersebut ditentukan oleh unsur atau elemen utama pembuat resistor, yakni kombinasi bahan good conductor dengan isolator. Ion pada 7
bahan konduktor akan sangat mudah mengikuti aliran elektron, sedang ion pada bahan isolator akan kesulitan lepas dan mengikuti arus elektron, bahkan memberi perlawanan yang sangat besar. Kombinasi dan komposisi yang sesuai akan memposisikan ion untuk memberi perlawanan terukur atau pada batas yang dapat diterima, dan inilah yang dinilai sebagai resistansii bahan. Sesuai dengan prinsip dasar di atas, fungsi resistor adalah mengatur, menghambat atau mengeset kuat arus listrik yang mengalir pada suatu rangkaian secara partikuler, serta memberikan tegangan jatuh pada rangkaian seperti pembagi tegangan.Turunan dari fungsi ini amat tergantung kepada aplikasi rangkaian yang digunakan.Pada sistem penguat audio misalnya, resistor dapat berfungsi sebagai pengatur titik bias penguat, penyetel volume, hingga filter pita frekuensi suara (pada equalizer circuit). Untuk sistem kendali, resistor difungsikan mulai dari signal conditioning, hingga fungsi-fungsi praktis lainnya. Resistor dengan ketelitian dan spesifikasi khusus juga sering difungsikan sama pada sistem instrumentasi dan pengukuran elektronik. Rangkaian resistor dapat dirangkai secara seri, paralel dan campuran. Pada rangkaian seri akan mengakibatkan nilai resitansi totalnya semakin besar. Contoh gambar rangkaian dan rumusnya adalah:
(a) πΉπ»ππππ = πΉπ + πΉπ + πΉπ + πΉπ + β― + πΉπ (b)
Gambar 1.4. (a) Resistor dirangkai secara seri, (b) Rumus R Totalnya
8
Pada rangkaian paralel akan mengakibatkan nilai resistansii totalnya bernilai lebih kecil dari nilai resistansii yang terkecil dari resistor penyusunnya. Contoh gambar rangkaian dan rumusnya adalah:
(a) π πΉπ»ππππ
=
π πΉπ
+
π πΉπ
π
π
π
+ πΉ + πΉ +β―+ πΉ π
π
π
(b)
Gambar 1.5. (a) Resistor dirangkai secara parallel, (b) Rumus R Totalnya c. Mengenal karakteristik, jenis dan rangkaian kapasitor Kapasitor(C) yang kadang-kadang disebut juga sebagai kondensor, adalah komponen pasif yang sederhana, menyimpan energi dalam bentuk muatan elektrostatik dan menghasilkan beda potensial (tegangan statis) di dua sisi pelatnya. Dalam bentuk dasarnya, kapasitor terdiri dari dua atau lebih pelat konduktif (logam) paralel yang tidak terhubung, dipisahkan oleh lapisan dielektrik, baik melalui udara atau beberapa bentuk bahan isolasi seperti kertas, mika, keramik atau plastik.Pelat logam konduktif kapasitor, dapat berupa persegi, lingkaran atau empat persegi panjang, atau dapat berbentuk silinder atau bola dengan ukuran, bentuk dan konstruksi tergantung pada aplikasi dan rating tegangannya. Semua kapasitor memiliki rating tegangan maksimum dan ketika memilih kapasitor, tegangan menjadi pertimbangan utama. Jumlah maksimum tegangan yang dapat diterapkan pada kapasitor tanpa merusak bahan dielektrik, diberikan dalam lembar data komponen sebagai: WV, (work voltage/tegangan kerja). Jika tegangan kerja kepada kapasitor terlalu besar, lapisan dielektrik akan memecah dan busur api akan muncul diantara pelat kapasitor, mengakibatkan hubung 9
singkat. Tegangan kerja kapasitor tergantung pada jenis bahan dielektrik yang digunakan dan ketebalannya. Ada berbagai jenis kapasitor yang tersedia di pasar dan masing-masing telah menetapkan sendiri karakteristik dan aplikasi, dari yang sangat kecil halus sampai dengan logam berkekuatan besar yang dapat digunakan
dalam
tegangan
tinggi
sebagai
korektor
dan
rangkaiansmoothing. Perbandingan antara berbagai jenis kapasitor umumnya dibuat berkaitan dengan dielektrik, digunakan antara pelat.Seperti resistor, ada juga jenis variabel kapasitor yang memungkinkan kita untuk variasi nilai kapasitansinya seperti digunakan
dalam
jenis
radio
penerima
atau
"frekuensi
tuning"rangkaian. 1) Kapasitor Dielektrik; biasanya dari jenis variabel yang variasinya kontinu diperlukan untuk penalaan pemancar, penerima dan radio transistor. Kapasitor variable dielektrik adalah jenis multi-pelat ruang udara yang memiliki satu set pelat tetap (stator) dan satu set pelat bergerak (rotor ) di antara pelat tetap. 2) Kapasitor Film; yang paling umum tersedia dari semua jenis kapasitor, terdiri dari keluarga yang nilainya relatif besar dengan perbedaan pada sifat dielektriknya. Kelompok ini termasuk poliester (Mylar), polystyrene, dll. 3) Kapasitor Keramik; dibuat dari dua sisi lapisan porselen kecil atau cakram
keramik
dengan
perak
dan
kemudian
ditumpuk
bersama-sama untuk membuat sebuah kapasitor. Kapasitor keramik memiliki konstanta dielektrik tinggi (High-K) dan tersedia, sehingga kapasitansi yang tinggi dapat diperoleh dengan ukuran fisik kecil. 4) Kondensator elektrolit atau Electrolytic Condenser (sering disingkat Elco) adalah kondensator atau kapasitor yang biasanya berbentuk tabung, mempunyai dua kutub kaki berpolaritas positif dan negatif, ditandai oleh kaki yang panjang positif sedangkan yang pendek negatif atau yang dekat tanda minus ( - ) adalah kaki 10
negative, tanda + dan β ini adalah dituliskan di badannya. Kapasitor electrolytic ini terdiri dari kapasitor-kapasitor yang bahan dielektriknya adalah lapisan metal-oksida. Mengapa kapasitor ini dapat
memiliki
polaritas,
karena
proses
pembuatannya
menggunakan elektrolisa sehingga terbentuk kutub positif anoda dan kutub negatif katoda.
(a)(b)
(c)
(e)
(d)
(f)
Gambar 1.6. Kapasitor: (a) Kapsitor non polar; (b) Simbol (c) Kapasitor elektrolit; (d) Simbol (e) Kapasitor variabel; (f) Simbol d. Karakteristik dan Fungsi Kapasitor 1) Nominal Kapasitansi (C); Nilai nominal Kapasitansi, C sebuah kapasitor diukur dalam pico-Farad (pF), nano-farad (nF) atau mikro-farad (ΞΌF) dan ditandai ke tubuh kapasitor sebagai angka, huruf atau pita berwarna. 2) Tegangan Kerja, (WV); adalah tegangan maksimum kontinyu baik DC atau AC yang dapat diterapkan pada kapasitor tanpa kegagalan selama bekerja. Umumnya, tegangan kerja dicetak ke sisi badan kapasitor mengacu pada tegangan DC atau nilai rms. 3) Toleransi, (Β±%); dinyatakan sebagai nilai menunjukkan
sejauh
mana
kapasitansi
plus-atau-minus, yang
sebenarnya
diperbolehkan untuk bervariasi dari nilai nominal.
11
4) Kebocoran aruskapasitor;
merupakan parameter penting dalam
rangkaian penguat kopling atau di rangkaian catu daya. 5) Temperatur Kerja, (T); perubahan suhu di sekitar kapasitor mempengaruhi
nilai
kapasitansi
karena
perubahan
sifat
dielektrik,atau penguapan cairan elektrolit atau membeku jika suhu terlalu rendah. 6) Koefisien Suhu, (TC); adalah perubahan maksimum kapasitansi pada rentang suhu tertentu. Koefisien suhu kapasitor umumnya dinyatakan dalam PPM/Β°C, atau persentase perubahan pada rentang suhu tertentu. 7) Polarisasi; umumnya mengacu pada kapasitor jenis elektrolit, terutama yang elektrolit aluminium.Polarisasi yang salah dapat menyebabkan
lapisan
oksida
dalam
kapasitor
memecah,menyebabkan arus yang sangat besar melalui perangkat dan mengakibatkan kerusakan. 8) Tahanan seri ekivalen, (ESR); Equivalent Series Resistance atau ESR, sebuah kapasitor adalah impedansi AC kapasitor bila digunakan pada frekuensi tinggi dan termasuk ketahanan bahan dielektrik. Sebuah kapasitor ideal akan memiliki kapasitansi dengan ESR disajikan sebagai resistansii murni (kurang dari 0.1Ξ©) yang seri dengan kapasitor. Berdasarkan beberapa karakteristik di atas, umumnya kapasitor dapat difungsikan dalam rangkaian listrik dan elektronik antara lain: 1) Sebagai kopling antar rangkaian dan filter dalam rangkaian Power Supply atau sistem pengolah sinyal 2) Sebagai pembangkit dan penentu frekuensi di rangkaian antena (osilator) 3) Untuk menghemat daya listrik pada lampu neon (memperbaiki faktor daya) dan sistem dengan resistansii positif lainnya (motor, generator, dll) 4) Menghilangkan bouncing (loncatan api) bila dipasang pada saklar 12
Rangkaian kapasitor dapat dirangkai secara seri, paralel dan campuran. Pada rangkaian seri akan mengakibatkan nilai kapasitansi totalnya bernilai lebih kecil dari nilai kapasitansi yang terkecil dari kapasitor penyusunnya. Contoh gambar rangkaian dan rumusnya adalah:
(a) π πͺπ»ππππ
=
π πͺπ
+
π πͺπ
π
π
π
π
π
+πͺ +πͺ +β―+πͺ
π
(b)
Gambar 1.7. (a) Kapasitor dirangkai secara seri, (b) Rumus C Totalnya Rangkaian kapasitor dirangkaian secara paralel akan mengakibatkan nilai kapasitansi totalnya akan bertambah besar. Contoh kapasitor yang dirangkai secara paralel dan rumusnya.
(a) πͺπ»ππππ = πͺπ + πͺπ + πͺπ + πͺπ + β― + πͺπ
(b)
Gambar 1.8. (a) Kapasitor dirangkai secara parallel, (b) Rumus C Totalnya
13
e. Mengenal karakteristik, jenis dan rangkaian induktor Induktor adalah sebuah komponen pasif yang dirancang untuk melawan perubahan arus sehingga sering juga disebut sebagai "Resistor AC". Kemampuan untuk melawan perubahan arus dan kemampuan untuk menyimpan energi dalam bentuk elektromagnetik merupakan sifat utama induktor.
(a)
(c)
(b)
(d)
Gambar 1.9. Induktor; (a) Induktor tetap; (b) Simbol; (c) Induktor variabel; (d) Simbol
Gambar 1.10. Simbol- simbol Induktor Arus yang melalui induktor akan menghasilkan medan magnet yang perubahannya menginduksi tegangan, seperti gambar 1.11 berikut ini:
Gambar 1.11. Induktor diberi tegangan listrik 14
Tegangan induksi yang melintasi sebuah induktor dengan perubahan arus didefinisikan sebagai berikut:
π=πΏ
ππ ππ‘
Dengan demikian, tegangan induksi sebanding dengan nilai induktansi dan tingkat perubahan arus. Arus listrikI yang mengalir melalui induktor menghasilkan fluks magnet
yang
proporsional. Tidak seperti
sebuah kapasitor yang
melawan perubahan tegangan pelatnya, induktor akan melawan laju perubahan arus yang mengalir melalui kumparan karena membangun energy self-induced(induksi diri) di dalam medan magnet.Dengan kata lain, induktor melawan perubahan arus tetapi dengan mudah akan melewatkankondisiarus steady state. Kemampuan induktor melawan perubahan
arus
I melaluipertalian proporsionalitas
dan
yang
fluks inilah
juga magnetik
yang
berhubungan
dengan
NΦ sebagai
disebut Induktansi,
arus
konstanta diberi notasi
L dengan satuan Henry (H), dari nama Joseph Henry. Seperti diketahui bahwa induktor adalah komponen yang menyimpan energinya dalam bentuk medan elektromagnetik. Induktor dibuat dari lilitan kawat dimana semakin besar jumlah lilitan, semakin tinggi pula induktansi serta garis-garis flux yang dihasilkan. Hal ini dinyatakan oleh persamaan:
Dimana: N adalah jumlah lilitan dan ο adalah jalinan flux magnet.
Tidak hanya itu, induktansi diri juga ditentukan oleh karakteristik bahan dan konstruksinya seperti ukuran, panjang serta jenis intinya. Ini dinyatakan melalui persamaan: 15
Ξ¦=BβA Dimana B adalah kerapatan garis gaya magnet, diperoleh dengan persamaan:
B = ΞΌ0 H = ΞΌ0
NβI π
Sehingga dengan subtitusi didapatkan:
L=N
Ξ¦ BβA ΞΌ0 β N β I =N =N βA I I πβI
Bila persamaan disederhanakan, maka diperoleh:
N2 β A L = ΞΌ0 π Dimana: L ΞΌ0 N A π
= = = = =
induktansi dalam Henry permeabilitas ruang bebas (4π β 10β7 ) jumlah lilitan luas inti dalam (ππ 2 ) dalam m2 panjang deret lilitan dalam meter.
Fungsi utama dari induktor di dalam suatu rangkaian adalah untuk melawan fluktuasi arus yang melewatinya. Adapun fungsi induktor yang akrab kita kenali karena sifat atau karakteristiknya antara lain: 1)
Penyimpan arus listrik dalam bentuk medan magnet
2)
Menahan atau memberi perlawanan kepada arus bolak-balik (AC)
3)
Meneruskan atau meloloskan arus searah (DC)
4)
Sebagai penapis (filter) terutama pada frekuensi tinggi
5)
Sebagai komponen penalaan (tuning) dan penentu nilai frekuensipada osilator
Rangkaian induktor dapat dirangkai secara seri, paralel dan campuran. Secara prinsip, hubungan seri, paralel dan campuran induktor sama penyelesaiannya dengan hubungan seri, paralel dan campuran pada
16
Resistor. Pada hubungan seri, induktansi totalnya bernilai akan lebih besar. Contoh gambar rangkaian dan rumusnya adalah:
(a) π³π»ππππ = π³π + π³π + π³π + β― + π³π (b)
Gambar 1.12. (a) Induktor dirangkai secara seri, (b) Rumus L Totalnya
Adapun jika kita hubungkan secara paralel, maka nilai induktansi totalnya akan bernilai kecil. Contoh gambar rangkaian dan rumusnya adalah:
(a)
π π³π»ππππ
=
π π³π
+
π π³π
π
π
π
π
+ π³ + β―+π³
(b)
Gambar 1.13. (a) Induktor dirangkai secara parallel, (b) Rumus L Totalnya Materi 2: Karakteristik dan Pembiasan Komponen Aktif Analog a. Dioda semikonduktor dan aplikasinya Dioda (Diode) adalah Komponen Elektronika Aktif yang terbuat dari bahan semikonduktor dan mempunyai fungsi untuk menghantarkan arus listrik ke satu arah tetapi menghambat arus listrik dari arah sebaliknya. Oleh karena itu, Dioda sering dipergunakan sebagai 17
penyearah dalam Rangkaian Elektronika.Dioda pada umumnya mempunyai 2 Elektroda (terminal) yaitu Anoda (+) dan Katoda (-) dan memiliki prinsip kerja yang berdasarkan teknologi pertemuan P-N semikonduktor yaitu dapat mengalirkan arus dari sisi tipe-P (Anoda) menuju ke sisi tipe-N (Katoda) tetapi tidak dapat mengalirkan arus ke arah sebaliknya. Ada banyak tipe diode menurut karakteristik operasi dan aplikasinya misalnya diode zener, diode pemancar cahaya (light emitting diode, LED) dan lain-lain. Diode adalah devais dua elektrode yang berlaku sebagai konduktor satu arah. Diode tipe dasar adalah diode sambungan PN, yang terdiri atas bahan tipe P dan N yang dipisahkan oleh sambungan (junction).
(a)(b)
Gambar 1.14. (a) Susunan diode; (b) Simbol dioda 1) Sambungan pn
Gambar 1.15. Konstruksi sambungan pn dioda Oleh karena itu pada sisi p tinggal ion-ion akseptor yang bermuatan negatip dan pada sisi n tinggal ion-ion donor yang bermuatan positip. Namun proses ini tidak berlangsung terus, karena potensial dari ion-ion positip dan negatip ini akan menghalanginya. Tegangan atau potensial ekivalen pada daerah pengosongan ini disebut dengan tegangan penghalang (barrier
18
potential). Besarnya tegangan penghalang ini adalah 0.2 untuk germanium dan 0.6 untuk silikon. 2) Prinsip Kerja Dioda Suatu dioda bisa diberi bias (prategangan) mundur (reverse bias) atau diberi bias maju (forward bias) untuk mendapatkan karakteristik yang diinginkan. Bias mundur adalah pemberian tegangan negatip baterai ke terminal anoda (A) dan tegangan positip ke terminal katoda (K) dari suatu dioda, seperti pada gambar 1.16. Dengan kata lain, tegangan anoda katoda VA-K adalah negatip (VA-K < 0). Apabila tegangan positip baterai dihubungkan ke terminal Anoda (A) dan negatipnya ke terminal katoda (K), maka dioda disebut mendapatkan bias maju (foward bias), seperti pada gambar 1.17.
Gambar 1.16. Dioda Diberi Bias Mundur
Gambar 1.17. Dioda Diberi Bias Maju 3) Sambungan pn Sebagai Penyearah Sambungan pn sebagai penyearah (rectifier) berarti hanya dapat mengalirkan muatan ke satu arah dan menahan aliran ke arah sebaliknya. Hal ini disebabkan adanya perubahan prategangan (bias) tegangan pada diode. 19
Dengan prategangan maju, tenaga potensial penghalang pada sambungan akan diperendah. Lubang-lubang akan melewati sambungan dari bagian p ke bagian n dan membentuk arus minoritas. Demikian juga elektron-elektron akan melewati sambungan dari bagian n ke bagin p membentuk arus minoritas di bagian p. Arus total yang melewati sambungan adalah jumlah arus minoritas elektron dan lubang. 4) Karakteristik Dioda Hubungan antara besarnya arus yang mengalir melalui dioda dengan tegangan VA-K dapat dilihat pada kurva karakteristik dioda.
Gambar 1.18. Kurva Karakteristik Dioda Gambar 1.18. di atas menunjukan dua macam kurva, yakni dioda germanium (Ge) dan dioda silikon (Si). Pada saat dioda diberi bias maju, yakni bila VA-K positip, maka arus ID akan naik dengan cepat setelah VA-K mencapai tegangan cut-in (Vg). Tegangan cut-in (Vg) ini kira-kira sebesar 0.2 Volt untuk dioda germanium dan 0.6 Volt untuk dioda silikon. Dengan pemberian tegangan baterai sebesar ini, maka potensial penghalang (barrier potential) pada persambungan akan teratasi, sehingga arus dioda mulai mengalir dengan cepat. Bagian kiri bawah dari grafik karakteristik dioda diatas merupakan kurva karakteristik dioda saat mendapatkan bias mundur.Disini juga terdapat dua kurva, yaitu untuk dioda germanium dan silikon. Besarnya arus jenuh mundur (reverse saturation current) Is untuk dioda germanium adalah dalam orde mikro amper dalam contoh ini 20
adalah 1 mA. Sedangkan untuk dioda silikon Is adalah dalam orde nano amper dalam hal ini adalah 10 nA. Apabila tegangan VA-K yang berpolaritas negatip tersebut dinaikkan terus, maka suatu saat akan mencapai tegangan patah (break-down) dimana arus Is akan naik dengan tiba-tiba. Pada saat mencapai tegangan break-down ini, pembawa minoritas dipercepat hingga
mencapai
kecepatan
yang
cukup
tinggi
untuk
mengeluarkan elektron valensi dari atom. Kemudian elektron ini juga dipercepat untuk membebaskan yang lainnya sehingga arusnya semakin besar. Pada dioda biasa pencapaian tegangan break-down ini selalu dihindari karena dioda bisa rusak. Hubungan arus dan tegangan pada diode sambungan pn dinyatakan dengan persamaan I = Io (eV/Ξ·VT -1) Dimana;
Gambar 1.19. Karakteristik V-I diode pn ideal 5) Dioda Sebagai Elemen Rangkaian Diode sebagai unsur rangkaian terlihat pada gambar 1.20. Hubungan antara tegangan dan arus diode diberikan oleh persamaan garis beban dan watak statis diode.
21
Gambar 1.20. Diode sebagai unsur rangkaian Dengan hukum Kirchhoff tegangan dapat ditulis persamaan garis beban sebagai berikut: V = Vi - iRL Persamaan di atas belum dapat untuk menentukan teganan v dan arus i. Hubungan kedua dari v dan i diberikan oleh karakteristik statis diode.Kedua hubungan tersebut dinyatakan oleh gambar 1.21 berikut ini.
Gambar 1.21. Karakteristik statis diode Titik Kerja A dari Diode ditentukan olehperpotongan antara garis beban dan kurva statis. Garis beban melewati titik i = 0, v = vi dan
b. Bipolar Junction Transistor (BJT) dan pembiasannya Transistor merupakan suatu kompenen elektronika aktif yang bersifat semikonduktor, mempunyai kemampuan mengendalikan resistansii efektif dengan mengendalikan sinyal utama (tegangan dan arus listrik) 22
dari jarak jauh. Terdapat dua jenis keluarga transistor, yaitu transistor bipolar atau bipolar junction transistor disingkat BJT, seperti PNP dan NPN, dan transistor unipolar atau unipolar junction transistor disingkat UJT, seperti FET (field effect transistor) dan MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor). Dalam modul ini pembahasan hanya pada transistor jenis bipolar, yaitu transistor PNP dan NPN. 1) Struktur Transistor Transistor adalah komponen tiga terminal.Ketiga terminal tersebut disebut Basis (B), Kolektor (C), dan Emiter (E). Ada dua jenis transistor yaitu PNP , dan NPN seperti terlihat pada gambar 1.22.
Gambar 1.22. Kontruksi dan simbol transistor PNP dan NPN
(a) Transistor pnp diberi prategangan di daerah aktif
23
Gambar 1.23. Rangkaian Transistor Pada sambungan kolektor Jc medan elektris adalah besar dan positif ( E = dV dx οΎοΎ 0 ), sehingga lubang-lubang dipercepat melewati sambungan dan dikumpulkan kolektor. Berhubung potensial pada Jc negatif, maka menurut hukurn sambungan, pn berkurang menjadi nol (lihat gambar 1.23(c). Demikian juga np menjadi nol di Jc. 2) Arus Di dalam Transistor Gambar 1.24 menunjukkan komponen arus di dalam transistor pada saat transistor diberi prategangan di daerah aktif (JE berprategangan maju dan Jc berprategangan balik). Arus emiter (IE) terdiri atas aliran lubang injeksi maju (IpE) dan aliran elektron injeksi balik (InE) IE = IpE InE
Gambar 1.24. Bias trasistor Tidak semua lubang yang melewati sambungan emiter sampai sambungan kolektor, berhubung sebagian bergabung kembali dengan elektron di daerah 24
basis.Misalkan arus lubang yang melewati sambungan kolektor adalah Ipc, maka arus lubang rekombinasi yang meninggalkan basis adalah : IpE -IpC Ketika
emiter
terbuka,
sementara
sambungan
kolektor
tetap
berprategangan balik, maka arus kolektor adalah arus batik jenuh (reverse saturation current) Ico.Ico terdiri atas Inco (elektron dan p ke n) dan Ipco (lubang dari n ke p). Ico = Inco + Ipco Besarnya Inco sebanding dengan lereng kurva np pada Jc, sedangkan I timbul sebagai akibat konsentrasi lubang yang dibangkitkan secara termal di basis. Dengan emiter berprategangan maju, maka arus total lubang yang melewati Jc adalah jumlah Ipc dan Ipco dan besarnya sebanding dengan lereng kurva pn, pada Jc Ic =Ico + Ipc = Ico + πΌIE dengan πΌ: bagian arus emiter, (lubang) dari emiter menuju kolektor. Bila Ico> Ico maka IcβIB atau
Karena hampir semua untai transistor, sinyal masukan diberikan ke basis dan sinyal keluaran diambil dari kolektor, maka π½ menyatakan perolehan arus dc (dc current gain) dari transistor.Perolehan arus dc ini kadang-kadang ditulis dengan π½ dc atau hFE . 3) Karakteristik Transistor Karakteristik transistor disajikan dengan kurva karakteristik yang menggambarkan kerja transistor.Akan ditinjau tiga kurva karakteristik yaitu kurva kolektor, kurva basis, dan kurva beta (π½). 4) Karakteristik. Kolektor Untuk mempelajari karakteristik transistor, maka transistor dipasang dalam untai seperti pada gambar 1.25.
Gambar 1.25. Untai digunakan untuk mempelajari Karakteristik Kolektor
26
Kurva karakteristik kolektor merelasikan Ic dan VcE dengan IB sebagai parameter. Pada gambar 1.26 terlihat bahwa kurva kolektor terbagi menjadi 3 daerah, yaitu jenuh, aktif, dan cut-off. a) Daerah jenuh (saturasi), adalah daerah dengan VCE kurang dari tegangan lutut (knee) VK Daerah jenuh terjadi bila sambungan emiter dan sambungan basis berprategangan maju. Pada daerah jenuh arus kolektor tidak tergantung pada nilai IB. Tegangan jenuh kolektor-emiter, VCE(sat) untuk transistor silikon adalah 0,2 V, sedangkan untuk transistor germanium adalah 0,1 V. b) Daerah aktif, adalah antara tegangan lutut VK dan tegangan dadal (break down) VBR serta di atas IB = Ico. Daerah aktif terjadi bila sambungan emiter diberi prategangan maju dan sambungan kolektor diberi prategangan balik. Pada daerah aktif arus kolektor sebanding dengan arus basis. Penguatan sinyal masukan menjadi sinyal keluaraan terjadi pada daerah aktif. c) Daerah cut-off (putus) terletak di bawah IB = Ico. Sambungan emitter dan sambungan kolektor berprategangan balik. Pada daerah ini IE = 0 ; Ic= Ico = IB
Gambar 1.26. Karakteristik transistor kolektor
27
5) Karakteristik Basis Kurva karakteristik basis merelasikan antara arus basis IB dan tegangan basisemiter VBE dengan tegangan kolektor- emitter sebagai parameter seperti terlihat pada gambar 1.27 berikut ini.
Gambar 1.27. Kurva karakteristik basis suatu transistor Pada gambar itu terlihat dengan menghubung singkat kolektor-emiter (VCE=0) dan emiter diberi prategangan maju, karakteristik basis seperti diode. Dengan bertambahnya VCE pada VBE konstan, maka lebar daerah deplesi di sambungan kolektor bertambah dan mengakibatkan lebar basis efektif berkurang. Dengan berkurangnya lebar basis, maka arus basis rekombinasi berkurang : Pengaruh ini di sebut Early Effect. Titik ambang (threshold) atau tegangan lutut (VK) untuk transistor germanium adalah di sekitar 0,1 sampai 0,2 V, sedang untuk transistor silikon di sekitar 0,5 sampai 0,6 V nilai VBE di daerah aktif adalah 0,2 V untuk germanium dan 0,7 untuk silikon. 6) Kurva Beta (π½) Kurva beta menunjukkan bagaimana nilai π½ berubah dengan suhu dan arus kolektor (Gambar 1.28). Nilai bertambah dengan naiknya suhu. Nilai π½ juga bertambah dengan naiknya arus kolektor Ic. Tetapi bila Ic naik di luar nilai tertentu, π½ akan turun. 28
Gambar 1.28. Relasi antara π½dengan Ic dan suhu 7)
Titik Kerja Transistor Pemilihan titik kerja bertujuan agar transistor bekerja di daerah yang diinginkan. Pada untai penguat, transistor dirancang untuk bekerja di daerah aktif, sehingga sinyal keluaran (tegangan atau arus kolektor) merupakan reproduksi sinyal masukan yang diperkuat. Gambar 1.29 menunjukan contoh untai penguat dengan sinyal masukan diumpankan ke basis dan sinyal keluaran diambil dari kolektor.
Gambar 1.29. Ragam gelombang pada suatu penguat Dalam pemilihan titik kerja, Vcc, RB, dan Rc dipilih agar tansistor tidak melampui batas jangkauan (rating) nya yaitu : a) Lesapan (disipasi) kolektor maksimum, Pc (maks) b) Tegangan kolektor emiter maksimum, VCE(maks) 29
c) Arus kolektor maksimum IC (maks) d) Tegangan basis emiter maksimum, VBE (maks) Kapasitor Cl dan C2 adalah kapasitor koplingyang digunakan untuk melewatkan sinyal. Arus dc tidak dapat melewati kapasitor kopling tersebut, sehingga arus dan tegangan prategangan tidak terpengaruh. Garis beban statis (dc) merupakan pasangan nilai Ic dan VCE yang mungkin dari suatu penguat, yang dinyatakan dengan persamaan garis beban : VCE = VCC - IC RC Garis beban dc ini mempunyai Lereng -1 /Rc dan memotong titik IC =0, VCE =VCC dan Ic = Vcc/Rc, VCE = 0 (lihat gambar 1.30) Titik kerja transistor Q, merupakan perpotongan antara garis beban dc dengan kurva arus basis dc, IB. Garis beban dinamis (ac) mempunyai lereng -1 / (Rc/ /RI) karena untuk komponen sinyal
Gambar 1.30. Titik kerja transistor Q
kapasitor C2 berlaku sebagai hubung singkat dan beban efektif kolektor menjadi Rc/ /RLgaris beban ac ini melewati titik kerja Q c. Operational Amplifier (Op-Amp) Penguat Operasional (Op-Amp) adalah penguat gandeng langsung (direct coupled/dc) dengan gain tinggi, mempunyai impedansi masukan tinggi dan impedansi keluaran rendah. Istilah operasional menunjukkan bahwa penambahan komponen luar yang sesuai dapat dikonfigurasikan untuk melakukan 30
berbagai operasi, misalnya penambahan, pengurangan, perkalian, integrasi dan diferensial. Pada umumnya operasi-operasi ini digunakan untuk operasi linear dan terkadang operasi non linear. Gambar 1.31 berikut ini merupakan bentuk IC Op-Amp, konfigurasi Pin IC Op-Amp, dan simbol Op-Amp.
(a)
(b)
(c)
Gambar 1.31. Penguat Operasional: (a) Bentuk IC Op-Amp; (b) Konfigurasi Pin IC Op-Amp; (c) Simbol Op-Amp Masukan Op-Amp yang berlabel inverting (-) dan non-inverting (+), merupakan masukan bedaan (difference input). Umumnya sinyal masukan diberikan ke salah satu masukan. Adapun masukan yang lain digunakan untuk mengendalikan karakteristik komponen. Penguatan antara keluaran dan masukan inverting adalah negatif (membalik polaritas) sedangkan penguatan antara keluaran dan masukan non-inverting adalah positif (tak membalik polaritas). Op-Amp mempunyai dua tegangan catu yang berlabel +V dan -V yang sama dan berpolaritas berlawanan. Namun Op-Amp dapat juga digunakan pada tegangan catu tunggal ke salah satu pin catu, sedangkan pin catu yang lain dila tarkan (grounded). Pin offset null digunakan untuk menghilangkan tegangan ingsutan (offset) keluaran akibat ketidaksepadanan transistor pada penguat bedaan masukan. Dengan menghubungkan kedua pin null ke ujung-ujung potensiometer, sementara lengan potensiometer yang dihubungkan ke catu -V diatur untuk menghilangkan tegangan ingsutan tersebut. 1)
Karakteristik Penguat Operasional (Op-Amp) Diagram Op-Amp berikut ini mempunyai untai ekuivalen seperti terlihat pada gambar 1.32 berikut ini. 31
Gambar 1.32. Untai ekuivalen ideal penguat operasional Penguat Operasional ideal mempunyai karakteristik sebagai berikut: a) Resistansi masukan Ri =β b) Resistansi keluaran Ro = 0 c) Peroleh Tegangan Av = - β d) Lebar bidang frekuensi = β e) Tegangan keluaran Vo = 0, jika kedua masukan V1 dan V2 pada ujung inverting (-) dan non inverting (+) sama, tak tergantung pada magnitude tegangan masukan tersebut. f)
Karakteristik Op-Amp tidak hanyut (drift) oleh perubahan suhu.
Terlihat bahwa penguat operasional ideal seimbang (balance) sempurna yakni Vo = 0 jika V1 = V2 = 0. Penguat operasional riil adalah tidak seimbang
karena
adanya
ketidaksepadanan
(mismatch)
transistor masukan. Ketidaksepadanan ini mengakibatkan ketidak samaan arus prategangan yang mengalir melewati ujung-ujung masukan. Untuk menyeimbangkannya perlu memberikan tegangan ingsut (offset) masukan antara kedua ujung masukan. Spesifikasi yang digunakan untuk menggambarkan karakteristik Op-Amp adalah sebagai berikut: 2) Arus prategangan masukan (input bias current)
32
Arus prategangan masukanadalah arus rerata dari arus yang masuk ke dua terminal masukan dari Op-Amp seimbang (gambar 1.33). Karena itu arus prategangan masukan adalah:
Untuk Op-Amp Β΅A 741, nilai tipikal 80 nA dan maksimum 500 nA. Dengan naiknya suhu arus prategangan turun atau resistansi masukan naik
Gambar 1.33. Simbol penguat operasional 3) Arus ingsutan masukan (Input offset current) Arus ingsutan masukan lio adalah bedaan antara arus-arus yang masuk ke terminal masukan Op-Amp yang seimbang, Dari gambar 1.33, Flo = IB1- IB2 jika Vo = 0. Untuk Β΅A 741 nilai arus ingsutan masukan adalah 20 nA (tipikal) dan 200 nA (maksimum). 4) Hanyutan arus ingsutan masukan (Input offset current drift) Hanyutan arus ingsutan maksimum βIo /βT adalah rasio perubahan arus ingsutan masukan terhadap perubahan suhu. 5) Tegangan ingsutan masukan (Input offset voltage) Tegangan ingsutan masukan Vio adalah tegangan yang harus diberikan antara kedua terminal masukan untuk menyeimbangkan Op- Amp. Untuk Β΅k 741 nilainya adalah 1,0 mV (tipikal) dan 5 mV (maksimum) untuk Rs β€ 10 K Ohm 6) Hanyutan tegangan ingsutan masukan (Input offset voltage drift) 33
Hanyutan tegangan ingsutan masukan βVio/βT adalah rasio perubahan tegangan ingsutan masukan terhadap perubahan suhu. 7) Tegangan ingsutan keluaran (Output offset voltage) Tegangan ingsutan keluaran adalah bedaan antara tegangan dc pada ujung keluaran dan latar (ground) jika kedua ujung masukan dilatarkan. 8) Lebar bidang daya penuh (Full power bandwidth) Rentang tegangan keluaran adalah ayunan tegangan keluaran maksimum yang dapat diperoleh tanpa cacat yang signifikan (pada suatu resistansi beban)Lebar bidang daya penuh (Full power bandwidth) Lebar bidang daya penuh adalah frekuensi maksimum yang dapat dicapai dari suatu sinusiode pada rentang tegangan keluaran. 9) Rasio Penolakan Catu Daya (Power Supply Rejection Ratio) Rasio penolakan catu- daya menunjukkan seberapa jauh keluaran Op-Amp berubah jika tegangan catu berubah.Untuk Β΅A 741 rasio penolakan catu daya adalah 150 Β΅V /V (maksimum). 10) Laju Ayunan (Slew Rate) Laju ayunan Op- amp adalah ukuran seberapa cepat tergangan keluaran dapat berubah dalam menanggapi suatu sinyal masukan. Laju ayunan Β΅A 741 adalah 0,5V/Β΅ s (tipikal). Karena frekuensi mempunyai relasi dengan waktu, maka laju ayunan dapat digunakan untuk menentukan frekuensi kerja maksimum (f maks) Op- Amp sebagai berikut:
dengan Vpk: tegangan keluaran puncak. 11) Rasio Penolakan Mode Bersama (Common Mode Rejection Ratio/CMRR) CMMR adalah ukuran kemampuan Op- Amp menolak sinyal mode bersama yang dinyatakan dengan rasio antara peroleh mode diferensial
34
terhadap peroleh mode bersama.Untuk Β΅A 741 nilai CMRR nya adalah 3163 atau 20 log 3163 = 70 dB. 12) Resistansi Masukan/Keluaran Umumnya Op-Amp mempunyak resistansi masukan yang tinggi dan resistansi keluaran yang rendah. Untuk 741 rentang resistansi masukannya adalah 2 Mβ¦ dan resistansi keluarannya sebesar 75 β¦ 13) Tanggapan Frekuensi Penguat Op- amp Peroleh (gain) maksimum yang mungkin dari suatu Op- Amp disebut peroleh kalang terbuka (open loop gain). Istilah kalang terbuka menunjukkan bahwa tidak ada lintasan umpan balik dari keluaran ke masukan Op- Amp.Peroleh kalang terbuka (A0,) Op- Amp adalah stabil dari 0 Hz sampai frekuensi cut-off fc tertentu, kemudian turun dengan laju standar β20 dB/dekade seperti terlihat pada gambar 1.34. Penurunan ini disebabkan oleh kapasitans internal.
Gambar 1.34.Tanggapan frekuensi kalang terbuka Op- Amp Β΅A 741 Untuk Op-Amp Β΅A 741, gain kalang terbuka untuk frekuensi rendah hingga dc adalah cukup tinggi (200 000 atau 106 dB).Mulai frekuensi 5 Hz terjadi penurunandengan laju -20 dB /dekade dengan naiknya frekuensi. Pada saat frekuensi mencapai 1 MHz, peroleh turun menjadi satu dan dikatakan bahwa frekuensi perolehan satu (unity gain frequency) funity adalah 1 35
MHz. Ciri khas tanggapan pada gambar 1.34 adalah jika diambil sembarang titik pada lereng kurva dan dihitung perkalian antara absis dan ordinatnya selalu diperoleh hasil yang sama, yaitu 1 MHz. Misalnya, pada 100 Hz dengan peroleh 104, hasil perkaliannya adalah 100 Hz x 104 = 1 MHz. Pada frekuensi 1KHz didapatkan 1 KHz x 103= 1 MHz, dan seterusnya. Penguat dikatakan mempunyai Produk Peroleh Lebar-Bidang (Gain Bandwidth Product /GBP) yang konstan sebesar 1 MHz dalam kasus ini GBP dan funity bernilai sama. Dengan adanya umpan-balik, maka peroleh keseluruhan akan turun, dan GBP dapat digunakan untuk mencari nilai maksimum peroleh kalang tertutup (AcL) pada lebar-bidang (BW) tertentu, dan nilai lebar-bidang pada peroleh kalang tertutup tertentu. Rumusanyang digunakan adalah: A CL .BW = f unity Berdasarkan pada fakta bahwa peroleh dan lebar-bidang adalah berbanding terbalik, maka: a) Makin tinggi peroleh Op- amp, maka lebar- bidang makin sempit. b) Makin rendah peroleh Op- amp maka lebar- bidang makin lebar. 14) Aplikasi Penguat Operasional Dalam aplikasi, untai umpan-balik ditambahkan pada Op-Amp untuk mengendalikan karakteristiknya. Untai umpan balik menghubungkan keluaran Op-Amp dengan masukan Op-Amp. Berikut ini dibahas beberapa aplikasi Op- amp 15) Penguat Inverting Penguat inverting adalah ekuivalen dengan penguat emiter bersama atau penguat source bersama. Operasi penguat inverting terlihat pada gambar 1.35. Resistor R2 membentuk lintasan umpan-balik dari keluaran ke masukan. 36
Gambar 1.35. Penguat inverting
Kunci kerja dari penguat inverting terletak pada untai masukan diferensial. Diasumsikan bahwa untai diferensial ideal. Maka kedua transistor pada untai masukan diferensial sepadan (matched) dan tegangan pada kedua masukan adalah sama. Jika masukan non inverting dilatarkan (grounded) maka masukan inverting juga mempunyai tegangan pada latar, sehingga masukan inverting berada pada latar semu (virtual ground) Karena Vo pada resistor umpan-balik Rf, maka: Vo= -I2R2 Karena Vi pada resistor masukan Ri, maka: Vi = I1 RI Karena Op-Amp mempunyai resistansi masukan yang sangat tinggi, maka arus masukan mendekati nol. Karena itu II = 12 dan dapat ditulis: Vo = -I1R2 Peroleh tegangan yang diukur dengan adanya lintasan umpan balik disebut peroleh tegangan kalang tertutup (Closed loop voltage gain) Peroleh tegangan kalang tertutup (ACL ) dapat diperoleh dari:
37
Dari persamaan di atas diperoleh:
Tanda minus dari persamaan menunjukkan bahwa polaritas keluaran berlawanan dengan masukan sehingga disebut penguat inverting (pembalik). 16. Resistansii masukan Penguat inverting mempunyai resistansi masukan yang lebih rendah dari pada penguat operasional. Seperti terlihat pada gambar 1.35 sumber tegangan menunjukkan resistor masukan R1 yang menuju ke latar semu.Karena itu, resistansi masukan penguat inverting adalah.
17. Resistansii keluaran Resistansi keluaran penguat inverting merupakan gabungan paralel antara resistansi keluaran Op- amp (Ro) dengan resistansi umpan balik R2. Karena R2umumnya jauh lebih besar daripada Ro, maka impedans keluaran diasumsikan sama dengan Ro dari Op -Amp. 18.CMRR Penguat Inverting CMRR penguat inverting dihitung dari rasio peroleh diferensial penguat (Ad) terhadap peroleh mode bersama penguat (Ac).
Peroleh diferensial penguat adalah sama dengan peroleh kalang tertutup (closed loop) penguat (ACL ): Ad= ACL Peroleh mode bersama dihitung dari peroleh kalang terbuka (open loop gain) Op-Amp (A0L) dibagi dengan CMRRop- amp (CMRR dari Op- amp): 38
Berdasarkan persamaan diperoleh CMRR penguat:
Tampak bahwa CMRR penguat jauh lebih kecil dari pada CMRR op- amp 4.
Contoh soal a. Coba anda jelaskan apa saja kegunaan dari resistor dalam rangkaian elektronika Jawab: 1) Menahan sebagian arus listrik agar sesuai dengan kebutuhan sesuai dengan hukum ohm, I= V/R 2) Menurunkan tegangan sesuai dengan kebutuhan, V= I. R 3) Membangkitkan frekuensi tinggi maupun frekuensi rendah bekerja sama dengan kapasitor, induktor, dan transistor b. Menurut pendapat anda apa saja kegunaan induktor dalam rangkaian elektronika ! 1) Induktor Inti udara. Banyak dipakai sebagai Cooke Coill Transmeeter (pemancar) frekuensi tinggi; 2) Induktor Inti Ferit, banyak dipakai dalam pesawat receiver pada frekuensi menengah / Intermediate Frequency; Coill Antena dll. 3) Induktor Inti Besi, banyak dipakai untuk frekuensi rendah Choke Coill untuk Lampu TL Frekuensi 50 sampai dengan 60 Hz, sebagai alat Moving Coill seperti Load Speaker, Buzzer, Bleeper, Voice Coillpada Microphone Rellay, Contactor dan lain lain. c.
Menurut anda mana yang lebih praktis dalam kenyataannya penggunaan transistor bipolar sebagai penguat awal dibandingkan 39
dengan menggunakan op-amp dalam rangkaian terpadu. Berikan penjelasannya. Jawab 1) Penggunaan op-amp lebih praktis, karena sifat-sifat dasar op-amp sudah menunjukkan bahwa op-amp memilikiimpedansi masukan tinggi dan impedansi keluaran rendah. Kualitas keluaran tentunya lebih baik karena rangkaian lebih terpadu. Namun dalam pembiayaan op-amp lebih mahal. 2) Penggunaan transistor bipolar harus menghitung secara saksama piranti pasif yang digunakan agar diperoleh impedansi masukan yang dikehendaki. Namun pebiayaan komponen relatif lebih murah. Kualitas keluaran tergantung cara pemasangan 5. Forum Diskusi Bila dilabormu tersedia komponen- komponen sebagai berikut: 1) Trafo step down CT 0,5 A 1 buah 2) Dioda 4 buah 3) Kapasitor Elco 4 buah 4) Transistor NPN dan PNP masing- masing 2 buah 5) IC Voltage Regulator LM7812, LM7912 masing- masing 1 buah 6) Resistor 5 buah Coba anda diskusikan peralatan apasaja yang bisa dirancang dan dibuat dari komponen tersebut.
C. Penutup 1. Rangkuman a.
Komponen elektronika secara umum dikategorikan dalam dua kelompok yaitu komponen pasif dan komponen aktif. Kategori ini berbeda dalam hal bagaimana komponen elektronika tersebut bekerja atau berfungsi, dimana komponen aktif memerlukan activating.
b.
Resistor
adalah
komponen
listrik
dua
terminal
pasif
yang
mengimplementasikan hambatan listrik sebagai elemen rangkaian. 40
Dalam
rangkaian
elektronik,
resistor
digunakan
untuk
mengurangi/mengatur kuat arus, menyesuaikan level sinyal, membagi tegangan, elemen pembiasan komponen aktif, dan mengakhiri jalur transmisi (sebagai beban) di antara penggunaan lainnya. c.
Kapasitor adalah bersifat menyimpan muatan listrik, terdiri dari dua pelat sejajar diantarai ruang dielektrikum. Dalam rangkaian listrik dan elektronik, kapasitor dapat bekerja sebagai filter, penentu frekuensi, kopling dan bypass pada penguat, disamping sebagai wave and function shaper.
d.
Induktor adalah komponen elektronik pasif yang menyimpan energi dalam bentuk medan magnet. Dalam bentuk yang paling sederhana, induktor terdiri dari lilitan kawat atau koil. Induktansi berbanding lurus dengan jumlah lilitannya.
e.
Ada beberapa macam komponen aktif, diataranya adalah dioda, BJT, dan Op-Amp. Dioda adalah komponen diskrit yang memungkinkan arus mengalir dalam satu arah saja. Ini adalah komponen terpolarisasi dengan dua terminal, yang disebut anoda dan katoda. Katoda biasanya ditandai dengan pita perak atau berwarna atau simbol. Fungsi utamanya adalah sebagai penyearah, melakukan konversi dari AC ke DC.
f.
BJT adalah komponen aktif dengan prinsip penguatan dan pengsakelaran. BJT juga dikenal dengan prinsip current controlled current source, memberikan arus yang nilainya dikendalikan arus input. Parameter penting yag dimilikinya adalah ο’ DC atau hFE selain nilai arus kolektor maksimum dan tegangan catu maksimum, dan beberapa parameter lainnya.
g.
Untuk menghidupkan BJT, modus fixed bias/bias basis, bias emiter/pembagi tegangan, atau modus umpan balik kolektor. Adapun sebagai penguat, BJT dapat dibangun dengan konfigurasi common base (CB), common collector (CC), atau yang paling sering, common emitter (CE). Setiap konfigurasi memiliki kelebihan dan kelemahan masing-masing. 41
h.
BJT dapat dirancang sebagai penguat dengan daerah aktif yang cukup lebar, pengemudi sinyal, atau sebagai sakelar βONβ/βOFFβ di akhir suatu sistem elektronik.
i.Op-Amp memiliki prinsip yang lebih fashionable, dimana inputnya adalah tegangan yang dapat diberikan pada dua terminal berbeda, dan outputnya adalah juga tegangan dengan penguatan maksimal (voltage controlled voltage source). 2. Tes Formatif 1.
Seperti diketahui bahwa Dioda banyak jenisnya, menurut anda dioda yang bekerjanya lebih baik pada daerah breakdown adalah: a. Zener b. Foto dioda c. Schottky d. LED e. Seven segmen
2.
Trasistor bisa bekerja pada bias (prategangan) reverse dan forward. Bila ada rangkaian prategangan transistor, dimana basisnya dihubungkan diantara 2 buah tahanan seri maka rangkaian ini merupakan: a. Prategangan basis b. Prategangan pembagi tegangan c. Prategangan emiter d. Prategangan umpan-balik kolektor e. Prategangan basis-emitor
3.
Seperti diketahui bahwa resistor sangat banyak ditemukan dalam rangkaian elektronika. Bila resistor tersebut dirangkai secara seri berarti pada masing- masing resistor didapatkan: a. Terbagi arus dan tegangan tetap b. Arus listrik dan tegangan listrik berbeda c. Tegangan terbagi dan arus listrik tetap d. Tahanan kecil dan tegangan listrik besar 42
e. Resistansii dan arus yang mengalir sangat besar 4.
Kapasitor
adalah
komponen
elektronika
yang
mempunyai
kemampuan dalam selang waktu tertentu. Kemampuan yang dimaksud itu adalah: a. Menyimpan elektron- elektron b. Mengisi hole c. Mengurangi elektron hole d. Menambah hole- hole e. Membentuk elektron baru 5.
Bila dalam suatu trangkaian elektronika dihubungkan beberapa buah kapasitor, dimana nilai kapasitansi dari 2 buah kapasitor 40mF dihubungkansecara seri, kemuadiandiparalelkan dengan 1 buah kapasitor 4mF maka nilai kapasitansi totalnya adalah: a. 24 mF b. 44 mF c. 84 mF d. 5 mF e. 3.8 mF
6.
Komponen aktif elektronika seperti transistor memiliki 3 terminal, yaitu Emitor, Basis, dan Colektor. Jika kita menaikkan tegangan sumber kolektor berarti akan menaikkan: a. Arus basis b. Arus emitor c. Tegangan emiter d. Arus kolektor e. Tegangan basis
7.
Jika input ac yang menuju penyearah setengah gelombang memiliki nilai efektif rms 400/ο2 volt, maka rating Peak Inverse Voltage (PIV) dioda adalah: a. 400/ο2 V b. 400 V 43
c. 400V x ο2 d. 282,84 V e. 800 V 8.
Bahwa transisitor BJT memiliki beberapa karakteristik. Penguat Common Emitter (CE) memiliki karakteristik a. penguatan arus dan tegangan yang tinggi b. penguatan arus dan tegangan yang rendah c. penguatan arus tinggi, penguatan tegangan rendah d. penguatan arus rendah, penguatan tegangan tinggi e. Tidak ada jawaban yang pasti
9.
Filter merupakan suatu kelas rangkaian yang dirancang untuk memiliki karakteristik selektivitas terhadap frekuensi yang spesifik, Jika
diinginkan
untuk
membuat
filter
pasif
makacukup
menggunakan: a. Komponen Op-Amp b. Komponen C dan L c. Komponen diode d. Komponen R dan C e. Komponen R dan L 10. Untuk
bisa
merealisasikan
persamaan
berikut
ini
menurut
pendapatanda berapa buah jumlah Op-Amp yang diperlukan:
Rf Rf οΆ ο¦ Rf Vo = βο§ο§ V1 + V2 + V3 ο·ο· R R R 2 3 ο¨ 1 οΈ
a. 1 buah b. 2 buah c. 3 buah d. 4 buah e. 5 buah 3.
Daftar Pustaka A.J. Dirksen, 1987, Pelajaran Elektronika, Erlanga, Jakarta 44
A.E. Fitzgerald, David E. Higginbotam, Arvin Grabel, Pantur Silaban,1985, Dasar-dasar Elektronika, Erlangga, Jakarta. Malvino, Hanapi Gunawan, 1995, Prinsip-prinsip Elektronik,Erlangga, Jakarta. Suwarno, 1987, Tehnik Pesawat Penerima Radio Transistor, Bina Aksara, Jakarta. Wasito S., 1978, Tehnik Denyut Op-Amp Thyristor, Karya Utama, Jakarta. Wasito S., 1987, Tehnik Arus Searah, Karya Utama, Jakarta.
45
DAR2/Profesional/840/01/2019
PENDALAMAN MATERI TEKNIK ELEKTRONIKA MODUL 1: ELEKTRONIKA ANALOG KEGIATAN BELAJAR 2: RANGKAIAN LISTRIK
Disusun oleh: Drs. ALMASRI, MT.
KEMENTERIAN PENDIDIKAN DAN KEBUDAYAAN 2019
Kegiatan Belajar 2 Rangkaian Listrik A. Pendahuluan Berbicara mengenai rangkaian listrik, tentu tidak dapat dilepaskan dari pengertian darirangkaian itu sendiri, dimana rangkaian adalah interkoneksi dari sekumpulan elemenatau komponen penyusunnya ditambah dengan rangkaian penghubung. Rangkaian disusun dengan cara-cara tertentu dan minimal memiliki satu lintasan tertutup. Dengankata lain, hanya dengan satu lintasan tertutup saja kita dapat menganalisis suaturangkaian. Lintasan tertutup adalah satu lintasan saat kita mulai darititik yang dimaksud akan kembali lagi ketitik tersebut tanpa terputus dan tidakmemandang seberapa jauh atau dekat lintasan yang kita tempuh. Rangkaian listrik merupakan dasar dari teori rangkaian pada teknik elektro yangmenjadi dasar atau fundamental bagi ilmu-ilmu lainnya seperti elektronika, sistem daya,sistem komputer, putaran mesin, dan teori kontrol. 1. Deskripsi Singkat Materi pembahasan dalam rangkaian listrik ini dimulai dari pemahaman listrik dasar, hukum- hukum dan teorema- teorema atau metode sampai penerapannya dalam rangkaian listrik DC dan listrik AC, antara lain: Muatan listrik, arus searah dan bolak balik, konduktor, isolator, dan semikonduktor, sumber arus dan tegangan, daya dan energi listrik. Hukumhukum seperti hukum Ohm, KCL, KVL, rangkaian seri dan paralel. Materi metode analisis rangkaian, antara lain: metode Cramer, metode Mesh (loop), metode node. Pada rangkaian kelistrikan dan elektronika mempelajari, antara lain: sifat linearitas, teorema superposisi, Thevenin, Norton, transfer daya maksimum, transformasi delta ke bintang dan bintang ke delta. Pada analisis rangkaian AC dan DC mempelajari analisis rangkaian RLC, respon RL dan C pada arus AC, arus dan tegangan sinusoidal, analisis rangkaian AC, analisis node, dan analisis loop.
47
2. Relevansi Rangkaian listrik yang dibahas dalam materi ini mulai dari materi 1, sampai materi 5 saling terkait dan tidak bisa dipisahkan. Seperti membahas hukumhukum dan teorema- teorema. Hal ini bisa diterapkan untuk menganalisis rangkaian listrik DC dan bisa pula diterapkan untuk menganalisis rangkaian listrik AC. 3. Petunjuk Belajar Untuk membantu anda dalam menguasai Rangkaian Listrik, modul ini dibagi menjadi beberapa tahap, yaitu: a. Tahap 1: Hukum- hukum kelistrikan b. Tahap 2: Analisis rangkaian listrik DC c. Tahap 3: Analisis rangkaian listrik AC Kemudian modul ini juga dilengkapi dengan Media Power Point serta Link dengan website. Anda dapat mempelajari keseluruhan modul ini dengan cara berurutan. Jangan memaksakan diri sebelum benar-benar menguasai bagian demi bagian dalam modul ini, karena masing-masingnya saling berkaitan. Apabila anda mengalami kesulitan memahami materi yang ada dalam modul ini, silahkan diskusikan dengan teman- teman. Selamat mempelajari modul ini, semoga anda berhasil dan sukses selalu
B. Inti 1. Capaian Pembelajaran Menerapkan hukum- hukum kelistrikan untuk menganalisis rangkaian DC dan rangkaian AC dalam suatu rangkaian listrik 2. Sub Capaian Pembelajaran a. Hukum- hukum kelistrikan b. Analisis rangkaian DC c. Analisis rangkaian AC
48
3. Uraian Materi Untuk merealisasikan capaian pembelajaran, beberapa materi pokok terkait dengan penerapan hukum- hukum kelistrikan dalam rangkaian listrik DC dan listrik AC pada suatu rangkaian listrik, disusun sebagai berikut. a. Istilah Kelistrikan Dasar b. Hukum-Hukum Kelistrikan c. Metode Analisis Rangkaian d. Teorema Rangkaian Kelistrikan dan Elektronika e. Analisis Rangkaian DC dan AC Materi 1: Istilah Kelistrikan Dasar Sebelum menerapkan hukum- hukum kelistrikan untuk menganalisis rangkaian listrik, maka perlu untuk memahami kelistrikan dasar dan istilahistilah kelistrikan. Bagian ini menyajikan konsep dan komponen yang diperlukan sebagai pengenalan awal dalam memahami prinsip-prinsip listrik yang mendasarinya, seperti muatan, arus, tegangan, daya, energi, hambatan/tahanan, semikonduktor, dan isolator. a. Muatan Listrik (Charge) Muatan listrik adalah muatan dasar yang dimiliki suatu benda, yang membuatnya mengalami gaya pada benda lain yang berdekatan dan juga memiliki muatan listrik. Simbol muatan listrik adalah Q, dalam Sistem Satuan Internasional (SI) satuanya adalah coulomb (C), yang merupakan 6.24 x 1018 muatan dasar.Umumnya secara praktis satuan unit muatan yang lebih kecil adalah piko Coulomb (pC), nano Coulomb (nC) dan mikro Coulomb (ΞΌC). Muatan Listrik (Q) adalah sifat dasar yang dimiliki
oleh materi, baik
itu
berupa proton (muatan
positif)
maupun elektron (muatan negatif). Muatan listrik total suatu atom atau materi ini bisa positif, jika atomnya kekurangan elektron. Sementara atom yang kelebihan elektron akan bermuatan negatif. Besarnya muatan tergantung dari kelebihan atau kekurangan elektron ini, oleh karena itu muatan materi/atom merupakan kelipatan dari satuan Q dasar. Dalam atom yang netral, jumlah proton akan sama dengan jumlah elektron yang
49
mengelilinginya (membentuk muatan total yang netral atau tak bermuatan). b. Arus (Current) Arus merupakan hasil dari aliran elektron.Arah arus berlawanan dengan aliran elektron (muatan negatif) seperti ditunjukkan pada gambar 2.1. Arus diwakili oleh notasi I dan satuan SI-nya adalah ampere (A) untuk menghormati Matematikawan dan Fisikawan Perancis, Andre-Marie Ampere (1775β1836).
Gambar 2.1. Arah arus listrik Secara umum, arus didefinisikan sebagai total alih muatan Q dalam waktu t, dapat dinyatakan:
I=
Q t
Nilai perubahan alih muatan di setiap waktu dinyatakan sebagai arus instan i, dan dinyatakan dengan persamaan:
i=
dq ; dq = idt ; dt t2
q = ο² idt t1
Persamaan di atas memberikan pernyataan total alih muatan melalui penghantar antara t1 dan t2.
50
Contoh. Diketahui bahwa muatan sebuah terminal diberikan oleh persamaan
q = 2t 3 + 5t 2 + t + 1 , Coulomb . Tentukan arus pada t = 0.5s . Penyelesaian.
Pada t = 0.5s nilai arus adalah:
i = 6(0.52 ) + 10(0.5) + 1 = 1.5 + 5 + 1 = 7.5A c. Arus Searah dan Arus Bolak-Balik Ada dua jenis arus listrik, yaitu: 1) Arus listrik searah, yang disingkat dengan DC (direct current) dan 2) Arus listrik bolak-balik, yang disingkat dengan AC (alternating current). Ketika besar arus tidak berubah terhadap waktu, itulah yang disebut dengan arus listrik searah.Sementara, dalam arus bolak-balik, besarnya berubah terhadap waktu.Kedua arus ini ditunjukkan pada gambar 2.2.
Gambar 2.2. Arus listrik searah dan arus bolak-balik
d. Konduktor, Isolator dan Semikonduktor Konduktor dalam teknik elektronika adalah bahan yang dapat menghantarkan arus listrik secara baik, apakah dalam bentuk padat, cair atau gas. Bahan ini memiliki resistivitas kecil, atau bila dipandang dari aspek pita energi (energy band), jarak antara pita konduksi dengan pita valensi, sangat dekat bahkan overlap. Isolator(insulator) adalah bahan
51
yang susah menghantarkan arus listrik, apakah dalam bentuk padat, cair atau gas. Bahan ini memiliki resistivitas sangat besar, atau bila dipandang dari aspek pita energi, jarak antara pita konduksi dengan pita valensi, sangat jauh dan memerlukan energi sangat besar untuk membuat pergerakan elektron. Adapun semikonduktor(semiconductor) adalah bahan yang sifat penghantaran arus listriknya, apakah dalam bentuk padat, cair atau gas, jatuh di antara konduktor dan isolator dan menawarkan resistansi sedang untuk mengalirkan muatan. Bahan ini memiliki resistivitas sedang, atau bila dipandang dari aspek pita energi, jarak atau celah antara pita konduksi dengan pita valensi, relatif dekat dan memerlukan energi cukup untuk membuat pergerakan elektron.
Gambar 2.3. Pita bahan dan tahanan jenisnya
Gambar 2.4. Pita energi isolator, semikonduktor dan konduktor
52
e. Resistansi dan Konduktansi Sifat suatu bahan yang menghambat atau melawan arus listrik yang melaluinya disebut sebagai resistansi, direpresentasikan dengan notasi R, dengan satuan ohm (ο).
Gambar 2.5. Resistansi bahan dan simbol R
Pada dasarnya, setiap bahan atau materi fisik memiliki sifat resistif atau perlawanan terhadap arus listrik. Sifat ini memberi peluang bahwa bahan apapun bisa disusun sedemikian sehingga terbentuk sebuah resistor. Hanya saja, nilai tahanan jenis (resistivity disimbolkan dengan ο², (baca rho) setiap bahan berbeda-beda, sehingga tentu ada pilihan-pilihan bahan yang sesuai dan ada pula yang kurang sesuai. Tembaga, emas dan perak diketahui memiliki tahanan jenis yang amat kecil sehingga kemampuan menghantar listriknya sangat baik.Karena itu, kelompok bahan ini lebih dikenal sebagai konduktor. Sementara, bahan-bahan seperti gelas, kuarsa, keramik, dll., mempunyai tahanan jenis dengan orde sangat tinggi sehingga lebih dikenal sebagai insulator. Beberapa bahan seperti karbon, germanium dan silikon bertahanan jenis lebih moderat dibanding yang lain, sehingga lebih mudah dipabrikasi untuk menjadi bahan dasar resistor. Selanjutnya, karbon lebih mendominasi pembuatan resistor (terutama resistor dengan nilai tetap, fixed resistor), sedangkan germanium dan silikon lebih mendominasi pembuatan resistor sebagai sensor (sensitive resistor) atau resistor non-linear dan semi-konduktor. Nilai resistansi bahan, yaitu:
R=ο²
ο¬ ο A
53
dimana π adalah tahanan jenis, ο¬ adalah panjang bahan, dan π΄ adalah luas penampang bahan. Konduktansi, merupakan kebalikan dari resistansi, adalah karakteristik bahan yang mendorong aliran muatan listrik yang melaluinya.Ini diwakili oleh notasi G dan unit SI-nya adalah Siemens (S). Secara matematis, konduktansi dinyatakan sebagai:
G=
1 Siemens R
Contoh. Panjang dan diameter suatu kawat tembaga adalah 100m dan 0,002m. Jika resistivitas atau tahanan jenis kawatnya adalah 1,72 x 10-8ο-m, hitunglah nilai resistansi dan konduktansinya
Penyelesaian. Luas penampang kawat adalah:
Nilai resistansinya adalah:
πΊ=
1 1 = = 7.14 πππππππ π
0.14
f. Tegangan (voltage) Tegangan adalah salah satu jenis gaya yang diperlukan untuk memindahkan muatan dalam konduktor. Tegangan didefinisikan sebagai usaha yang dilakukan per satuan muatan, ketika muatan dipindahkan dari satu titik ke titik lain dalam suatu konduktor. Diwakili oleh notasi V dan satuannya adalah volt (V), untuk menghormati ilmuwan Italia Alessandro Giuseppe Antonio Anastasio Volta (Februari 1745 - Maret 54
1827) yang telah menemukan baterai listrik. Secara matematis, tegangan dinyatakan sebagai:
v=
dw dq
Atau secara umum dapat ditulis:
V=
W Q
Perbedaan tegangan adalah perbedaan potensial antara dua titik dalam konduktor, yang juga dikenal sebagai beda potensial. Contoh. Muatan diperlukan untuk bergerak di antara dua titik dalam konduktor. Dalam hal ini, usaha yang dilakukan, diberikan oleh persamaan
w = 3q 2 + q + 1, Joule. Tentukan tegangan untuk memindahkan muatan q = 0.5C .
Penyelesaian. Pernyataan tegangan adalah:
Nilai tegangan untuk q = 0.5C adalah: v = 6q + 1 = 6 ο΄ 0.5 + 1 = 4V
g. Sumber Arus dan Tegangan Sumber listrik apa pun (tegangan atau arus) menyediakan energi untuk elemen-elemen yang terhubung ke sumber ini. Sumber tegangan yang ideal adalah elemen rangkaian dua terminal yang memberikan besaran tegangan spesifik di seluruh terminalnya terlepas dari arus yang mengalir melewatinya. Sumber arus ideal adalah elemen rangkaian dua terminal yang mempertahankan arus konstan melalui terminalnya terlepas dari tegangan di terminal tersebut.
55
Rs
Vs
+ -
Rs
Is
(a)
(b)
Gambar 2.6. (a) Sumber Tegangan; (b) Sumber Arus Sumber tegangan ideal Rs = 0; dan Sumber arus ideal Rs = β Beberapa jenis sumber arus dan tegangan, dirangkum dalam tabel berikut ini. Tabel 2.1. Simbol sumber tegangan dan sumber arus bebas dan terikat Jenis Sumber
Simbol Tegangan
Simbol Arus
Sumber Ideal
Sumber Bebas
Sumber Terikat
h. Daya Listrik dan Energi Daya listrik didefinisikan sebagai laju penerimaan atau pengiriman energi dari satu sirkuit ke sirkuit lainnya. Daya direpresentasikan oleh notasi p dan satuannya adalah joule per detik (J/s) atau watt (W), untuk menghormati ilmuwan Inggris James Watt (1736β1819). Secara matematis, daya listrik dapat ditulis sebagai:
56
p=
dw dt
di mana p adalah daya dalam watt (W), w adalah energi dalam joule (J) dan t adalah waktu dalam detik (s). Secara umum, total daya listrik dapat ditulis sebagai,
P=
W t
Persamaan tersebut dapat disusun menjadi:
p=
dw dq . = vi dq dt
Jika diturunkan, maka nilai daya P didapatkan:
P=
W VQ = Q = VI t I
Daya dikirim (Pd) dan diterima (Pr) dalam rangkaian listrik menjadi:
Pd = V (β I ) = βVI dan Pr = VI
Gambar 2.7.(a) Daya dikirim dan (b) Daya diserap pada rangkaian
57
Secara praktis, energi listrik yang disuplai ke konsumen dapat dihitung dalam satuan kilowatt-hour (kWh). Satu kWh didefinisikan sebagai daya 1 kW yang dipakai selama 1 jam, dinyatakan dengan persamaan:
W = Pο΄t DimanaW adalah energi listrik dalam kWh, Padalah dayadalam kW dan tadalah waktu dalam jam. Contoh. Persamaan usaha diberikan oleh w = 5t 2 + 4t + 1 J . Hitunglah daya pada t = 0.1 s .
Penyelesaian. Persamaan daya adalah: p =
dw d = (5t 2 + 4t + 1) = 10t + 4 W dt dt
Pada t = 0.1 s daya diperoleh: p = 10 t + 4 = 10 (0.1) + 4 = 5 W
Materi 2: Hukum-Hukum Kelistrikan Hukum kelistrikan diperlukan untuk menganalisis rangkaian listrik secara efektif dan efisien dengan menentukan parameter rangkaian yang berbeda seperti arus, daya, tegangan dan hambatan. Hukum- hukum tersebut antara lain hukum Ohm, hukum Kirchhoff tentang arus (Kirchhoffβs Current Low/KCL dan hukum Kirchhoff tentang tegangan (Kirchhoffβs Voltage Low/KVL), serta aturan pembagi tegangan dan arus. Pengetahuan tentang orientasi rangkaian seri dan paralel, transformasi delta-wye dan wye-delta-wye juga diperlukan untuk menganalisis rangkaian listrik. Dalam sub bahasan ini, hukum kelistrikan yang berbeda, transformasi delta-wye dan wye-delta-wye, teknik konversi sumber dan rangkaian jembatan Wheatstone juga akan dibahas. Berikut beberapa hukum kelistrikan utama. a. Hukum Ohm Hukum Ohm adalah hukum paling penting dalam analisis rangkaian listrik yang dapat diterapkan ke jaringan listrik apa pun dalam setiap rentang waktu. Hukum Ohm menyatakan bahwa aliran arus dalam
58
konduktor, berbanding lurus dengan tegangan jatuh di konduktor tersebut. Seorang ahli fisika Jerman, George Simon Ohm (1787β1854), menetapkan hubungan antara arus dan tegangan untuk resistor yang diberikan. Sesuai namanya, lalu hukum itu dikenal sebagai hukum Ohm. Misalkan arus I mengalir dalam resistor R seperti yang ditunjukkan pada gambar 2.8 menghasilkan tegangan jatuh V di resistor. Menurut hukum Ohm, hubungan antara arus dan tegangan yang dihasilkan dapat ditulis seperti berikut.
V = I. R
atau
Gambar 2.8. Arus dalam resistor
Contoh: Sebuah Resistor dengan resistansi 10 ο terhubung ke sumber tegangan seperti ditunjukkan pada gambar berikut.Hitung arus yang mengalir dan daya yang diserap oleh tahanan.
59
Penyelesaian. Arus yang mengalir dalam rangkaian dapat dihitung dengan:
I=
V 40V = = 4A R 10ο
Sementara daya yang diserap oleh resistor adalah:
P = VI = I ο R( I ) = I 2 R = (4 A) 2 ο10ο = 160W b. Hukum Kirchhoff Arus (KCL) Pada tahun 1845, fisikawan Jerman, Gustav Robert Kirchhoff, mengembangkan hubungan antara berbagai jenis arus dan tegangan dalam rangkaian listrik. Hukum ini, yang dikenal kemudian sebagai hukum Kirchhoff, digunakan untuk menghitung arus dan tegangan dalam rangkaian listrik. Hukum Kirchhoff arus menyatakan bahwa jumlah aljabar dari arus di sebuah node (node/node mengacu pada titik mana pun di rangkaian di mana dua atau lebih elemen rangkaian bertemu) sama dengan nol. Rangkaian pada gambar 2.9 mengilustrasikan hukum Kirchhoff arus (KCL, Kirchhoffβs Current Law). Di sini, arus yang memasuki/menuju node a dianggap positif, sementara arus yang keluar dari node dianggap negatif.
Gambar 2.9. Rangkaian untuk KCL
60
Untuk node a, dapat ditulis:
Dari persamaan ini, dapat dinyatakan bahwa pada KCL, jumlah arus yang masuk sama dengan jumlah arus yang meninggalkan node. Contoh. Distribusi arus dalam rangkaian ditunjukkan pada gambar berikut ini. Tentukan nilai arus I2
Penyelesaian. Gunakan KCL pada node rangkaian, dan menghasilkan:
c. Hukum Kirchhoff Tegangan (KVL) Hukum
Kirchhoff tegangan (KVL, Kirchhoffβs Voltage Law)
menyatakan bahwa jumlah aljabar dari tegangan di setiap loop/lingkup dari rangkaian sama dengan nol. Rangkaian pada gambar 2.10 dianggap telah menjelaskan KVL.
61
Gambar 2.10. Rangkaian untuk KVL
Penerapan KVL memberikan persamaan:
Dari persamaan ini, dapat dinyatakan bahwa pada KVL, jumlah tegangan yang dibangkitkan atau diberikan, sama dengan jumlah tegangan yang jatuh pada setiap komponen atau beban. Contoh. Distribusi tegangan dari suatu rangkaian ditunjukkan pada gambar berikut. Tentukan nilai V2, arus sumber Isdan resistansi R3.
Penyelesaian. Terapkan KVL dan diperoleh nilai V2 sebagai berikut:
β 40 β10 + 4 + 6 + V2 = 0 V2 = 40V
62
d. Rangkaian Seri dan Aturan Pembagi Tegangan (Voltage Divider) Pada rangkaian seri, elemen rangkaian seperti sumber tegangan, resistor, dll.terhubung dalam koneksi ujung-ke-ujung, di mana besar arus yang mengalir melalui setiap elemen adalah sama. Mari kita perhatikan gambar 2.11 berikut ini: bahwa tiga resistor R1, R2, dan R3 terhubung secara seri dengan sumber tegangan Vs.
Gambar 2.11.Tiga buah resistor dirangkaisecara seri
Menurut hukum Ohm, masing-masing tegangan jatuh V1, V2, dan V3 yang melintasi tiga resistor R1, R2, dan R3, dapat ditulis sebagai berikut.
danππ = πΌπ π
π Dengan menerapkan KVL, diperoleh: ππ = π1 + π2 + π3 + β― + ππ πΌπ π
π = πΌπ π
1 + πΌπ π
2 + πΌπ π
3 + β― + πΌπ π
π πΌπ π
π = πΌπ (π
1 + π
2 + π
3 + β― + π
π )
Dengan mencoret Is di sisi kiri dengan Is di sisi kanan, maka di dapat:
63
Arus listrik dalam rangkaian seri diperoleh:
πΌπ = πΌπ
1 = πΌπ
2 = πΌπ
3
Secara terpisah dirumuskan bahwa:
Menurut aturan pembagi tegangan, jatuh tegangan Vn yang melintasi resistor n dalam rangkaian dengan N jumlah resistor seri dan sumber tegangan Vs diberikan oleh,
Contoh. Rangkaian seri ditunjukkan pada gambar berikut.Hitung tegangan di setiap resistor menggunakan aturan pembagi tegangan.
64
Penyelesaian. Tegangan pada setiap resistor adalah: V2ο =
R1 2ο Vs = ο΄ 80V = 10 V R1 + R2 + R3 2ο + 6ο + 8ο
V6ο =
R2 6ο Vs = ο΄ 80V = 30 V R1 + R2 + R3 2ο + 6ο + 8ο
V8ο =
R3 8ο Vs = ο΄ 80V = 40 V R1 + R2 + R3 2ο + 6ο + 8ο
e. Rangkaian Paralel dan Aturan Pembagi Arus (Current Divider) Resistor terkadang terhubung secara paralel dalam suatu rangkaian. Dua atau lebih elemen rangkaian dikatakan paralel, ketika berbagi node yang sama. Dalam rangkaian paralel, tegangan di setiap elemen rangkaian paralel adalah sama, tetapi arus yang melalui masing-masing elemen mungkin berbeda. Mari kita perhatikan tiga resistor yang terhubung secara paralel dengan tegangan sumber Vp seperti yang ditunjukkan pada rangkaian pada gambar 2.12. Dalam hal ini, tegangan di masing-masing resistor adalah Vp juga. Menurut hukum Ohm, arus I1, I2, dan I3 melalui resistor, sesuai R1, R2, dan R3 dapat ditulis sebagai berikut.
I1 =
Vp R1
; I2 =
Vp R2
; I3 =
Vp R3
; Ip =
Vp Rp
;
65
Gambar 2.12.Tiga buah resistor dirangkai secara paralel
Dengan menerapkan KCL, diperoleh persamaan: πΌπ = πΌ1 + πΌ2 + πΌ3 + β― + πΌπ Hasil substitusi persamaan di atas, memberikan: ππ ππ ππ ππ ππ = + + +β―+ π
π π
1 π
2 π
3 π
π ππ (
1 1 1 1 1 ) = ππ ( + + +β―+ ) π
π π
1 π
2 π
3 π
π
Dengan mencoret Vp di sisi kiri dengan Vp disisi kanan, maka di dapat rumus umum untuk resistansi resistor dihubungkan secara paralel:
1 1 1 1 1 = + + + β―+ π
π π
1 π
2 π
3 π
π Misalkan untuk dua buah resistordihubungkan paralel seperti gambar 2.13 berikut ini.
66
Gambar 2.13. Dua buah resistor dirangkai secara parallel
Maka akandiperoleh tahanan total sebesar:
Rt =
1 R1
1 +
1 R2
=
R1.R2 R1 + R2
Tegangan jatuh pada kedua resistor adalah: Vt = I t ο Rt =
R1 .R2 It R1 + R2
Karena terhubung paralel, maka tegangan jatuh pada R1akan sama dengan tegangan pada R2, sehingga: I1 =
Vt R2 1 R .R = . 1 2 It = It R1 R1 R1 + R2 R1 + R2
Dengan cara yang sama diperoleh: I2 =
Vt R1 = It R2 R1 + R2
Contoh. Rangkaian paralel ditunjukkan pada gambar berikut ini. Hitunglah arus listrik di setiap resistor dengan menggunakan aturan pembagi arus.
67
Penyelesaian. Tahanan total rangkaian adalah:
Rt = 2 +
3 ο΄ (1 + 5) = 4ο 3+ 6
Nilai arus sumber menjadi:
Is =
60 = 15A 4
Dengan demikian, setiap arus cabang dapat dihitung sebagai berikut:
I1 =
(5 + 1) (3) ο΄15 A = 10 A ; I 2 = ο΄15 A = 5A 6+3 6+3
Materi 3: Metode Analisis Rangkaian Metode analisis rangkaian sebenarnya merupakan salah satu alat bantu untuk menyelesaikan suatu permasalahan yang muncul dalam menganalisis suatu rangkaian,bilamana konsep dasar atau hukum-hukum dasar seperti Hukum Ohm dan Hukum Kirchhoff tidak dapat menyelesaikan permasalahan pada rangkaian tersebut.Hukum kelistrikan dasar dan parameter terkait, telah
dibahas dalam sub-bagian sebelumnya. Metode analitis tambahan telah dikembangkan untuk menganalisis rangkaian listrik praktis dengan lebih dari satu sumber. Metode-metode ini termasuk analisis mesh dan analisis tegangan node, juga dikenal sebagai analisis node. Hukum tegangan Kirchhoff (KVL) digunakan dalam analisis mesh sementara hukum Kirchhoff arus (KCL) digunakan dalam analisis node. Dalam metode analitis ini, aturan Cramer tampaknya menjadi alat yang berguna untuk
68
membantu memecahkan sistem persamaan linear setelah penerapan hukum Kirchhoff di sirkuit listrik. a. Aturan Cramer (Cramerβs rule) perlu dipahami lebih dahulu, sebelum menyajikan landasan teoritis tentang analisis mesh dan node dengan sumber terikat dan independen. Tahun 1750, Gabriel Cramer mengembangkan aturan aljabar untuk memecahkan parameter-parameter tak diketahui. Aturan tersebut sangat efesien untuk menyelesaikan sistem dengan dua atau lebih persamaan. Jika dimisalkan sistem yang akan dianalisis memiliki tiga persamaan, maka:
Determinan dari persamaan tersebut adalah:
Nilai parameter yang tidak diketahui yaitu x, y dan z, ditentukan dengan:
x=
Dx ; D
y=
Dy D
;
z=
Dz D
Sementara nilai determinan diperoleh dengan: d1 Dx = d 2 d3
b1 b2 b3
c1 c2 ; c3
a1 D y = a2 a3
d1 d2 d3
c1 c2 ; c3
a1 Dz = a 2 a3
b1 b2 b3
d1 d2 d3
Contoh. Tiga persamaan simultan dari arus sebuah rangkaian listrik diberikan oleh:
69
Tentukan nilai arus yang tidak diketahui tersebut. Penyelesaian: Determinan dari tiga persamaan simultan tersebut adalah:
Persamaan lain dapat ditentukan sebagai berikut:
Dengan demikian, nilai arus dapat diketahui sebagai berikut:
I1 =
D1 β 4 = = 1A ; D β4
I2 =
D2 β 4 = = 1A ; D β4
I3 =
D3 0 = = 0A D β4
b. Metode mesh analysis (analisis loop) Rangkaian listrik dengan sumber tegangan bebas ditunjukkan pada gambar 2.14 berikut ini.
70
Gambar 2.14. Rangkaian dengan sumber independen
Dalam analisis mesh, sumber arus perlu untuk dikonversi dulu menjadi sumber tegangan dengan polaritas yang sesuai, seperti yang diidentifikasi pada arah dari sumber arus. Dengan menerapkan KVL ke rangkaian, menghasilkan persamaan:
Persamaan di atas, dapat ditulis ulang menjadi:
Dengan persamaan ini, arus mesh dapat diketahui jika sumber tegangan dan nilai resistansi diberikan. Contoh. Tentukan daya yang diserap resistor 6ο menggunakan analisis mesh pada rangkaian berikut.
71
Penyelesaian. Dengan menerapkan KVL, diperoleh mesh 1, 2 dan 3 sebagai berikut:
13 I1 β 6I 2 β 5I 3 = 40 ; β 6I1 + 9I 2 β 3I 3 = 30 ;
β 2I1 + 3I 2 β I 3 = 10 ; β 5I1 β 3I 2 + 18 I 3 = 15 Determinan persamaan di atas adalah:
Parameter lain dapat ditentukan sbb:
Nilai arus dapat ditentukan sebagai berikut:
72
Daya yang diserap resistor 6ο adalah:
Rangkaian listrik dengan sumber terikat diperlihatkan pada gambar 2.15 berikut. Di rangkaian ini, sebuah sumber tegangan (terikat) dikendalikan oleh tegangan (VCVS), dipertimbangkan untuk analisis mesh.
Gambar 2.15. Rangkaian dengan sumber terikat
Berdasarkan arah yang ditetapkan dari arus mesh seperti yang ditunjukkan pada gambar 2.15, penerapan KVL menghasilkan persamaan:
Sesuai dengan konfigurasi rangkaian,
Vx β I1R1 = 0 Vx = I1R1 Dengan subtitusi beberapa persamaan di atas, diperoleh:
73
Determinan persamaan dapat ditentukan sbb:
Sesuai aturan Cramer, diperoleh parameter lain yaitu:
Arus mesh dapat ditentukan dengan persamaan berikut.
Contoh. Tentukan daya yang diserap resistor 6 ο dan tegangan jatuh pada resistor 4 ο menggunakan analisis mesh untuk rangkaian pada gambar berikut.
Penyelesaian.
74
Dengan menerapkan KVL diperoleh persamaan:
Sesuai dengan konfigurasi rangkaian, diperoleh:
Vx = 2I1 Jika disubtitusi persamaan di atas, diperoleh:
β 4I1 + 13I 2 = 4I1
Jika I1 diganti dengan I2, maka persamaan loop 1 menjadi:
Dengan demikian, diperoleh I1 adalah:
Daya pada resistor 6ο adalah:
Sedangkan tegangan jatuh pada resistor 4ο adalah:
c. Metode node analysis (analisis node) Analisis node/node adalah metode lain untuk menghitung parameter listrik seperti arus, tegangan dan daya pada rangkaian yang berisi lebih dari satu sumber (tegangan atau arus). Dalam metode ini, node referensi dan non-referensi perlu diidentifikasi lebih dahulu.Kemudian, jika mungkin, setiap sumber tegangan perlu dikonversi ke sumber arus.Akhirnya, KCL dapat diterapkan di setiap node untuk mendapatkan persamaan simultan, yang dipecahkan untuk menghitung parameter listrik. Gambar 2.16 menunjukkan rangkaian listrik dengan sumber
75
tegangan dan arus.Sumber tegangan diubah menjadi sumber arus. Sebuah rangkaian dengan referensi (V = 0) dan node non-referensi (V1, V2).
Gambar 2.16. Rangkaian yang dikonversi ke sumber arus dengan node Kemudian, dengan menerapkan KCL pada hasil node 1 (V1) dan 2 (V2), diperoleh:
I1 = I x + I y + I z I z = I p + I2 Jika dikembangkan sesuai node, diperoleh:
76
Kadang-kadang, rangkaian listrik dapat berupa sumber terikat seperti yang ditunjukkan pada gambar 2.17 dengan sumber arus dikendalikan arus.
Gambar 2.17. Rangkaian analisis node dengan sumber terikat Di rangkaian ini, dengan menerapkan KCL pada node 1 menghasilkan:
Penerapan KCL pada node 2 menghasilkan:
I y = I z + mI x
77
Contoh. Hitung arus pada resistor 6ο menggunakan analisis node untuk rangkaian pada gambar berikut. Penyelesaian. Penerapan KCL pada node 1 memberikan persamaan:
Penerapan KCL pada node 2 menghasilkan:
78
Dengan melakukan subtitusi pada kedua persamaan node diperoleh:
Dengan demikian, arus yang mengalir pada resistor 6ο adalah:
Materi 4: Teorema Rangkaian Kelistrikan dan Elektronika Hukum-hukum listrik dasar dan metode-metode analisis yang terkait, yang telah dibahas sebelumnya, memerlukan manipulasi matematis yang membosankan. Analisis matematis yang rumit ini dapat disederhanakan dengan menggunakan teknik canggih yang dikenal sebagai teorema jaringan atau rangkaian.Adapun yang dimaksud yakni sifat linearitas, teorema superposisi, teorema Thevenin, dan teorema Norton. Teorema ini akan didiskusikan dengan sumber yang independen. a. Sifat linearitas Linearitas adalah sifat dari suatu sistem atau elemen yang mengandung homogenitas (skala) dan sifat-sifat tambahan. Sifat homogenitas menyatakan bahwa jika input dari suatu sistem dikalikan dengan sesuatu yang konstan, maka output akan diperoleh dengan mengalikan konstanta yang sama. Untuk menjelaskan sifat (pengskalaan/ homogenitas) ini, persamaan berikut perlu diperhatikan, di mana angka 4 mewakili istilah konstan. v = 4i
Jika i=1A, maka v=4V. Jika i=2A, maka v=8V. Ini menerangkan bahwa setiap pertambahan i, akan menyebabkan pertambahan tegangan dengan
79
faktor yang sama. Dengan demikian, antara arus dan tegangan memiliki hubungan yang linear, seperti terlihat pada gambar berikut.
Gambar 2.18. Grafik linearitas rangkaian
Tetapi jika persamaan tegangan sebagai berikut: v = 4i + 2
Sehingga jika diberi i=1A, maka v=6V, lalu saat i=2A, v=10V, maka ini tidak linear (seharusnya saat i=2A, v=12V). Secara umum, fungsi f untuk dua input x1 dan x2akan linier jika sifat aditif dipenuhi berikut ini.
f ( x1 + x2 ) = f ( x1 ) + f ( x2 ) Jadi, dapat dinyatakan bahwa linearitas menunjukkan besarnya tegangan yang diberikan pada suatu rangkaian linear akan sebanding dengan besarnya arus yang mengalir dalam rangkaian tersebut. Rangkaian linear dapat dibentuk dari sumber-sumber bebas, sumber tak bebas linear dan elemen linear. b. Teorema Superposisi Prinsip superposisi biasanya diterapkan ke jaringan rangkaian linear, yang berisi lebih dari satu sumber. Teorema superposisi menyatakan bahwa βdalam jaringan linear apa pun, arus yang melalui atau tegangan di elemen apa pun adalah jumlah aljabar dari arus melalui atau tegangan di seluruh elemen tersebut karena masing-masing sumber independen
80
bertindak sendiriβ. Untuk menerapkan teorema ini ke jaringan linear, ada dua hal penting yang perlu dipertimbangkan: 1) Hanya satu sumber independen pada waktu tertentu yang akan tetap aktif, sementara semua sumber independen lainnya dimatikan. Untuk mematikan sumber tegangan, dibuat hubung singkat, sementara untuk mematikan sumber arus, dibuat menjadi rangkaian terbuka. 2) Karena sumber-sumber terikat dikendalikan oleh variabel rangkaian lainnya, maka tetap seperti apa adanya. Langkah-langkah berikut ini dilakukan dalam menerapkan teorema superposisi ke rangkaian linear sembarang: 1) Tetapkan satu sumber independen, lalu matikan semua sumber independen lainnya. 2) Hitung output (arus atau tegangan) karena pengaruh sumber aktif. 3) Ulangi langkah-langkah di atas untuk setiap sumber independen. 4) Hitung total kontribusi dengan menambahkan semua kontribusi yang dihasilkan secara aljabar dari setiap sumber independen. Contoh. Hitung arus yang melalui resistor 4ο (Ix) di rangkaian yang ditunjukkan pada gambar berikut menggunakan Teorema Superposisi.
Penyelesaian. Anggap bahwa sumber tegangan aktif dan sumber arus menjadi terbuka seperti ditunjukkan pada gambar berikut.
81
Untuk sumber tegangan aktif 24 V, sumber arus pada kondisi open circuit. Total nilai resistansi adalah:
Rt = 2 +
Is =
4ο΄ 6 = 2 + 2,4 = 4,4ο 4+6
Vs 24V = = 5,45 A Rt 4,4ο
I x1 =
6 ο΄ 5,45 A = 3,27 A 6+4
Dengan short circuit pada sumber tegangan, didapatkan resistansi pengganti:
Rp = I x2 =
2ο΄ 6 = 1,5ο 2+6
1,5 ο΄10 A = 2,73 A 1,5 + 4
Akhirnya didapatkan nilai Ix sebesar:
I x = I x1 + I x 2 = 3,27 + 2,73 = 6 A
82
c. Teorema Thevenin Teorema Thevenin adalah teorema yang berguna untuk menganalisis rangkaian ekuivalen dari motor induksi tiga fase, model hibrida frekuensi rendah dan model amplifier transistor. Pada tahun 1883, seorang insinyur telegraf Perancis M. Leon Thevenin memperkenalkan teorema ini untuk mengurangi rangkaian linear dua terminal yang rumit menjadi rangkaian sederhana. Teorema Thevenin menyatakan bahwa rangkaian linear dua terminal yang terdiri dari sumber dan resistor, dapat digantikan oleh rangkaian sederhana yang terdiri dari tegangan setara (tegangan rangkaian terbuka) sumber Thevenin VThsecara seri dengan resistansi setara Thevenin RTh. Sumber tegangan setara dari Thevenin dihitung dari terminal yang sama, dengan mematikan sumber independen di rangkaian. Mari kita jelaskan teorema dengan bantuan rangkaian yang ditunjukkan pada runtun gambar berikut.
Misalkan gambar rangkaian tersebut akan diwakilkan oleh tegangan dan tahanan Thevenin pada Rx. Buka resistansi Rx, tandai terminal dan gambar rangkaian seperti berikut. Tegangan dan resistansi Thevenin akan mewakili rangkaian tersebut.
83
Resistansi Thevenin RTh dapat dihitung dengan hubungan pendek sumber tegangan. RTh = R2 +
R1 R3 R1 + R3
Mari kita gambar ulang untuk menentukan VThdengan lebih dahulu menentukan Is, yaitu: Is =
Vs ; R1 + R3
VTh = I s ο R3 VTh =
R3 ο΄ Vs R1 + R3
Akhirnya kita dapatkan rangkaian sederhana dengan satu sumber tegangan, satu resistansi yang terhubung seri dengan tahanan terbuka Rx.
d. Teorema Norton Edward Lawry Norton (1898β1983), seorang insinyur Bell-Lab, menyusun teorema ini pada tahun 1926. Teorema Norton menyatakan bahwa setiap rangkaian linear yang mengandung sumber dan resistor
84
dapat diganti oleh rangkaian ekuivalen yang terdiri dari sumber arus sejajar dengan yang setara resistor pada sepasang terminal tertentu.Arus ekuivalen Norton ini dapat ditentukan dengan hubungan singkat arus terminal.Tahanan sejajar Norton dapat ditentukan dari terminal rangkaian
terbuka
dengan
mematikan
sumber,
yaitu
dengan
menghubung singkat sumber tegangan (short-circuit) dan membuka rangkaian
(open
circuit)
sumber
arus.Runtun
gambar
berikut
menunjukkan rangkaian untuk menghitung arus dalam resistor R4 oleh teorema Norton. Gambar berikut adalah rangkaian dengan satu sumber tegangan bebas dan 4 beban berupa resistor. Pada langkah pertama, rangkaian digambar ulang dengan melepas resistor R4 untuk membuat terminal terbuka.
Sekarang, dengan mematikan (hubung singkat) sumber tegangan, resistansi Norton dapat dihitung sebagai,
85
Arus Norton IN dapat dihitung dengan menentukan Rt dan arus sumber lebih dahulu, Rt = R1 +
Is =
R2 R3 ; R2 + R3
Vs Vs = Rt R1 + RR22+RR33
Dengan demikian, diperoleh persamaan: IN = I4 =
R2 ο΄ I s ; dan R2 + R3
RN ο΄ IN RN + R4
e. Teorema transfer daya maksimum Teorema ini menyatakan bahwa transfer daya maksimum terjadi jika nilai resistansi beban samadengan nilai resistansisumber, baik dipasang seri dengan sumber tegangan ataupun dipasang paralel dengansumber arus.
86
Hal ini dapat dibuktikan dengan penurunan rumus sebagai berikut: Arus beban adalah:
Sedangkan daya yang diserap beban: 2
ο¦ VTh οΆ ο·ο· ο RL P = I RL = ο§ο§ ο¨ RTh + RL οΈ 2
Pada gambar rangkaian, RL adalah beban variabel, karenanya, perlu diferensiasi terhadap persamaan daya terhadap beban, serta mengesetnya bernilai nol, untuk mendapatkan transfer maksimum, seperti berikut.
Penyelesaian persamaan di atas, memberikan nilai tahanan Thenenin sama dengan tahanan beban.
Teorema transfer daya maksimum adalah daya maksimum yang dikirimkan ketikabeban RL samadengan beban internal sumber seperti RTh.Maka didapatkan daya maksimumnya:
87
f. Transformasi delta-wye dan wye-delta Jika sekumpulan resistansi yang membentuk hubungan tertentu saat dianalisis ternyatabukan merupakan hubungan seri ataupun hubungan paralel yang telah kita pelajarisebelumnya, maka jika rangkaian resistansi tersebut membentuk hubungan star ataubintang atau rangkaian tipe T, ataupun membentuk hubungan delta atau segitiga ataurangkaian tipe II, maka diperlukan transformasi baik dari bintang ke delta ataupunsebaliknya. Perhatikan gambar 2.19 berikut ini:
Gambar 2.19. Rangkaian untuk transformasi delta-wye (ο-Y)
Untuk hubungan delta dan bintang, resistansi total antara terminal 1 ke 2, 2 ke 3, dan 3 ke 1 adalah:
Jika hubungan kelistrikan pada setiap terminal dipandang sama, maka relasi tersebut akan menghasilkan persamaan untuk transformasi delta-wye sebagai berikut:
88
Adapun hubungan kelistrikan pada setiap terminal untuk relasi transformasi wye-delta diberikan oleh persamaan dan gambar sebagai berikut:
Gambar 2.20. Rangkaian untuk transformasi wye-delta(Y-ο) Materi 5: Analisis Rangkaian AC dan DC a. Analisis rangkaian RLC Rangkaian listrik adalah suatu kumpulan elemen atau komponen listrik yang saling dihubungkan dengan cara-cara tertentu dan paling sedikit mempunyai satu lintasan tertutup. Resistor, sebagai elemen rangkaian dengan hukum dan teorema jaringan yang berbeda, telah banyak
89
dibahas dan dianalisis karena perannya yang sangat penting, kapasitor dan induktor juga merupakan elemen rangkaian linear yang penting. Kapasitor dan induktor tidak menghamburkan energi seperti resistor, tetapi menyimpan energi ketika elemen-elemen ini terhubung ke sumber energi dalam rangkaian. Energi yang tersimpan ini dapat digunakan untuk aplikasi lain. Kapasitor menemukan aplikasinya dalam peningkatan faktor daya, motor induksi fase tunggal, rangkaian filter, laser, kedip elektronik pada kamera, sistem daya, mikrofon, rangkaian tuning penerima radio dan elemen memori di komputer. Demikian pula, induktor menemukan aplikasinya di banyak bidang, yaitu, di trafo, rangkaian elektronika daya, mesin listrik, radio, televisi dan sistem komunikasi. Bagian ini menyajikan berbagai jenis analisis pada rangkaian listrik yang mengandung kapasitor dan induktor. b. Respon R, L dan C pada Arus AC Seperti diketahui bahwa respon elemen R terhadap arus DC maupun AC, relatif linear, dimana berlaku Hukum Ohm yang sama. Fasa antara arus dan tegangan juga berjalan serempak, tanpa pengaruh variabel waktu. Hal ini sudah banyak kita bicarakan dan analisis sebelumnya.
Gambar 2.21. Respon tegangan dan arus pada R
Jika sebuah kapasitor dilewati arus AC, arus Ic tersebut akan mengisi mengisi kapasitor sehingga tegangan kapasitor Vc perlahan akan naik setinggi Vt, seperti gambar 2.22.
90
Gambar 2.22. Respon C terhadap arus AC Adapun jika berada pada rangkaian dengan sumber DC, maka C tidak akan dilewati arus (open circuit), sebagaimana terlihat pada gambar 2.23. Terlihat bahwa ketika ada arus konstan melewati kapasitor, tegangan kapasitor perlahan naik.Ketika arus menjadi nol, tegangan kapasitor perlahan turun lagi. Karakteristik ini memperlihatkan bahwa tegangan dan arus tidak berjalan secara serempak / sefasa.
Gambar 2.23. Respon C terhadap arus DC
Jika sebuah induktor dilewati arus AC yang besarnya berubah setiap waktu, maka pada induktor akan terdapat tegangan induksi Vl. Semakin besar perubahan arus terhadap waktu akan semakin memperbesar tegangan induksinya. Dari sini pula bisa kita lihat bahwa, tegangan induksi akan segera terjadi ketika ada perubahan arus selama waktu tertentu. Bisa dikatakan bahwa jalannya arus dan tegangan AC yang
91
lewat induktor tidak berjalan serempak/sefasa (fasa tegangan induktor akan mendahului fasa arus sebesar 90Β°.
Gambar 2.24. Respon L terhadap arus AC Berbeda dengan sumber arus DC, induktor relatif tidak memberikan respon berupa resistansi (reaktansi induktif) seperti halnya pada arus AC. Karena itu, pada rangkaian sumber DC, induktor dianggap sebagai short circuit.
Gambar 2.25. Induktor ekivalen dengan short circuit pada sumber DC c. Arus dan Tegangan Sinusoidal Pada rangkaian RLC, persamaan tegangan yang melewati elemen pasif jika arusnya sinusoidal seperti terlihat pada tabel 2.2 berikut ini.
Tabel 2.2. Persamaan tegangan yang melewati elemen pasif jika arusnya sinusoidal
92
Adapun persamaan arus yang melewati elemen pasif jika tegangannya sinusoidal seperti terlihat pada tabel 3 berikut ini.
Tabel 2.3. Persamaan arus yang melewati elemen pasif jika tegangannya sinusoidal
Pengaruh gelombang AC pada R terkait sudut fasa adalah:
Dimana fasa tegangan dan arus sama, dan nilai R adalah nilai absolut Z. Adapun pengaruh gelombang AC pada L yaitu:
Terlihat bahwa arus tertinggal (arus lagging) dibanding tegangan sebesar 90Β°, dan memberikan impedansi:
Sementara pengaruh gelombang AC pada C adalah:
93
Terlihat bahwa arusmendahului (arus leading)dibanding tegangan sebesar 90Β°, dan memberikan impedansi:
Dengen demikian, jika R,L dan C menjadi elemen dalam sebuah rangkaian listrik arus AC, maka secara matematis akan memberikan impedansi atau perlawanan dengan nilai kompleks. Karena itu, kita perlu memahami sifat impedansi kompleks sebelum menganalisis rangkaian AC, termasuk konversi dalam bilangan kompleks. d. Analisis rangkaian AC Analisis rangkaian AC memainkan peran penting dalam merancang dan menguji jaringan transmisi listrik, peralatan listrik dan elektronik. Dalam hal ini, pengetahuan tentang analisis rangkaian AC sangat penting. Dasar-dasar rangkaian AC, KVL, KCL dan delta-wye konversi dalam domain fasor telah dibahas sebelumnya. Bagian ini menyajikan analisis mesh (loop) dan node (node) pada rangkaian AC. e. Analisis Node (Node Analysis) Seperti dibahas sebelumnya, bahwa analisis node berprinsip pada Hukum
Kirchhoff
tentang
arus/KCL
dimana
jumlah
arus
yangmasukdan keluar dari titik percabangan akan sama dengan nol, dimana tegangan merupakan parameter yang tidak diketahui. Atau analisis node lebih mudah jika pencatunya semuanya adalah sumber arus. Analisis ini dapat diterapkan pada DC maupun sumber AC. Jika analisis node melalui KCL diterapkan pada gambar 2.26, maka pada node 1 diperoleh:
I1 = I x + I y ; I 1 =
V1 V1 β V2 + Z1 Z2
94
ο¦ 1 1 οΆ 1 ο§ο§ + ο·ο·V1 β V2 = I1 Z2 ο¨ Z1 Z 2 οΈ
Gambar 2.26. Rangkaian dengan beban kompleks
Pada node 2 diperoleh persamaan:
I z = I2 + I y ; β
V2 V1 β V2 = + I2 Z3 Z2
ο¦ 1 1 1 οΆ V1 + ο§ο§ + ο·ο·V2 = I 2 Z2 ο¨ Z 2 Z3 οΈ
f. Analisis Loop (Mesh Analysis) Dalam analisis mesh (loop), arus yang tidak diketahui biasanya ditentukan dari persamaan simultan. Analisis mesh untuk rangkaian AC dengan berbagai impedansi dan sumber arus disajikan dengan bantuan rangkaian yang ditunjukkan pada gambar 2.27. Dengan menerapkan KVL ke loop 1 (diberi label oleh arus mesh I1) dari rangkaian menghasilkan persamaan:
Persamaan pada loop 2 dan 3 adalah:
95
Gambar 2.27. Rangkaian untuk analisis mesh sumber AC
Contoh a. Tentukan tegangan node non-referensi dan tegangan di induktor dengan
reaktansi induktif 6Ξ© untuk rangkaian yang ditunjukkan pada gambar berikut ini.
Penyelesaian. Pada node 1, didapatkan persamaan:
V1 = 24ο15ο°V Pada node 2, diperoleh persamaan dengan subtitusi nilai V1:
96
Sedangkan pada node 3, diperoleh persamaan dengan subtitusi nilai V2:
;
Dengan nilai V3, diperoleh nilai V2 yaitu:
Sehingga nilai tegangan pada induktor 6ο adalah:
b. Hitunglah arus mesh dan tegangan jatuh pada capasitor dengan reaktasi kapasitif 5ο sebagaimana gambar rangkaian berikut ini.
Penyelesaian. Penerapan KVL pada loop 1 memberikan persamaan:
(Pers. 1)
Penerapan KVL pada loop 2 dan 3 menghasilkan: (Pers. 2)
97
(Pers.3)
Jika pers. 1 dan pers. 3 disubtitusikan ke pers. 2, maka diperoleh:
Setelah I1 didapatkan, maka I2 dan I3 diperoleh sebagai berikut:
Untuk mendapatkan penguasaan yang memadai dalam memahami semua konsep, baik dalam menganalisis rangkaian AC maupun DC, Saudara mesti lebih banyak mengerjakan soal-soal latihan dari berbagai sumber. Dengan banyak melakukan latihan, penerapan konsep dalam menganalisis rangkaian akan semakin baik. 4. Forum Diskusi Coba anda diskusikan dengan teman- teman gambar rangkaian berikut ini. Silahkan anda analisis dengan KCL dan KVL untuk menentukan nilai arus, dan kemudian apakah bisa diterapkan metode superposisi.
98
C. Penutup 1. Rangkuman a.
Rangkaian listrik merupakan suatu untaian elemen atau komponen listrik yang saling dihubungkan dengan cara-cara tertentu dan paling sedikit mempunyai satu lintasan tertutup.
b.
Elemen lain yang muncul selain sumber AC dan DC adalah komponen pasif R, L dan C. Karena karakteristik atau responnya yang berbeda terhadap sumber AC atau DC (kecuali Resistor, R) maka kita perlu memahami berbagai metode analisis rangkaian dan hukum-hukum dasar kelistrikan dan rangkaian.
c.
Beberapa hukum dasar dan teorema perlu dipahami sebelum melakukan analisis seperti Hukum Ohm, Kirchhoffβs Current Law (KCL), Kirchhoffβs Voltage Law (KVL), serta teorema Thevenin, Norton, Superposisi, dan sebagainya.
d.
Metode analisis merupakan salah satu alat bantu untuk menyelesaikan suatu permasalahan yang muncul, bilamana konsep dasar atau hukum-hukum dasar tidak dapat menyelesaikan permasalahan pada rangkaian tersebut.
e.
Metode analisis mesh (loop) didasarkan pada hukum dasar KVL. Selain bisa diterapkan pada rangkaian AC dan DC, analisis mesh juga akan lebih mudah jika sumber rangkaian berupa sumber tegangan.
f.
Analisis node (node) berprinsip pada KCL dimana jumlah arus yang masukdan keluar dari titik percabangan akan samadengan nol, sementara tegangan merupakanparameter yang tidak diketahui. Analisis nodeakan lebih mudah jika sumbernyasemuanya adalah sumber arus. Analisis ini dapat diterapkan pada sumber DCmaupun sumber AC, dan kita perlu mempelajari analisis supernode jika sumber terdiri dari sumber arus dan sumber tegangan.
2. Tes Formatif
99
1. Kuat arus yang melalui suatu komponen tertentu adalah 0,5 A ketika diberi tegangan 80 V. Hitunglah perubahan kuat arus yang mengalir melalui komponen tersebut jika tegangan dinaikkan 100 V. a. 0,325 b. 0,475 c. 0,525 d. 0,625 e. 0,775 2. Sebuah resistor 2W, 80kο. Resistor ini akan aman dialiri arus listrik dengan nilai maksimum: a. 160 kA b. 40 kA c. 5 mA d. 25 ο A e. 25 A 3. Pada rangkaian berikut, arus i1 bernilai:
a. 4 A b. 3 A c. 1 A d. 2 A e. 5 A 4. Perhatikan gambar rangkaian listrik berikut ini:
100
Jika tegangan maksimum sumber arus bolak-balik = 200 V, maka besar kuat arus maksimum yang mengalir pada rangkaian adalah⦠a. 1,5 A b. 2,0 A c. 3,5 A d. 4,0 A e. 5,0 A
5. Untuk rangkaian berikut, v1 dan v2 dihubungkan oleh persamaan:
a. v1 = 6i + 8 + v2 b. v1 = 6i β 8 + v2 c. v1 = β6i + 8 + v2 d. v1 = β6i β 8 + v2 e. v1 = β8i + 6 + v2 6. Perhatikan gambar rangkaian berikut. Berdasarkan gambar ini, maka nilai tahanan dan tegangan Thevenin pada terminal a dan b adalah masing-masing:
a. 20 ο dan 40 V b. 5 ο dan 20 V c. 4 ο dan 20 V
101
d. 5 ο dan 40 V e. 4 ο dan 40 V 7. Perhatikan 4 gambar rangkaian berikut, yang manakah diantara rangkaian tersebut yang ekivalen:
a. a dan b b. a dan c c. b dab d d. c dan d e. Tidak ada yang ekivalen 8. Pada rangkaian listrik, istilah dual-resistance disematkan kepada komponen dengan nilai: a. Induktansi b. Short-circuit c. Open-circuit d. Resistansi e. Kapasitansi 9. Perhatikan gambar rangkaian RLC paralel berikut. Apakah tipe tanggapan/ respon yang akan diberikan.
a. Overdamped
102
b. Underdamped c. Critically-damped d. Kondisi steady-state e. Kondisi overshoot 10. Jika sebuah tegangan vs berubah dari 2V ke 4V saat t = 0 , maka persamaannya dapat ditulis sebagai: a. ο€ (t ) V b. 2u (t ) V c. 4u (t ) + 2 V d. 2u (βt ) + 2u (t ) V e. 2u (t ) + 4u (t β 1) V 3. Daftar Pustaka Bird, John. (2007). Electrical Circuit Theory and Technology (third edition) India: Elsevier Ltd Cathey, Jimmie J. (2002). Electronic Devices and Circuits (second edition). New York: McGraw Hill. Gussow, Milton. (1983). Theory and Problems of Basic Electricity, New York: McGraw Hill. Salam, Md Abdus, Rahman, Q.M. () Fundamentals of Electrical Circuit Analysis. Singapore: Springer Nature.
103
DAR2/Profesional/840/01/2019
PENDALAMAN MATERI TEKNIK ELEKTRONIKA MODUL 1: ELEKTRONIKA ANALOG KEGIATAN BELAJAR 3: RANGKAIAN ELEKTRONIKA
Disusun oleh: Drs. ALMASRI, MT.
KEMENTERIAN PENDIDIKAN DAN KEBUDAYAAN 2019
Kegiatan Belajar 3 Rangkaian Elektronika A. Pendahuluan Memberi prategangan kepada suatu transistor berarti menggunakan tegangan luar untuk menimbulkan arus kolektor yang diinginkan. Transistor Efek Medan atau Field Effect Transistor yang disingkat dengan FET adalah jenis Transistor yang menggunakan listrik untuk mengendalikan konduktifitasnya. Yang dimaksud dengan Medan listrik disini adalah Tegangan listrik yang diberikan pada terminal Gate (G) untuk mengendalikan aliran arus dan tegangan pada terminal Drain (D) ke terminal Source (S). Transistor Efek Medan (FET) ini sering juga disebut sebagai Transistor Unipolar karena pengoperasiannya hanya tergantung pada salah satu muatan pembawa saja, apakah muatan pembawa tersebut merupakan Electron maupun Hole. Jenis-jenis Transistor Efek Medan (Field Effect Transistor) adalah JFET (Junction Field Effect Transistor) adalah Transistor Efek Medan yang menggunakan persimpangan (junction) p-n bias terbalik sebagai isolator antara Gerbang (Gate) dan Kanalnya. JFET terdiri dari dua jenis yaitu JFET Kanal P (p-channel) dan JFET Kanal N (n-channel). JFET terdiri dari tiga kaki terminal yang masing-masing terminal tersebut diberi nama Gate (G), Drain (D) dan Source (S). MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) adalah Transistor Efek Medan yang menggunakan Isolator (biasanya menggunakan Silicon Dioksida atau SiO2) diantara Gerbang (Gate) dan Kanalnya. MOSFET ini juga terdiri dua jenis konfigurasi yaitu MOSFET Depletion dan MOSFET Enhancement yang masing-masing jenis MOSFET ini juga terbagi menjadi MOSFET Kanal-P (P-channel) dan MOSFET Kanal-N (N-channel). MOSFET terdiri dari tiga kaki terminal yaitu Gate (G), Drain (D) dan Source (S). 105
1. Deskripsi Singkat Pada rangkaian elektronika ini kita akan membahas mengenai cara-cara memberikan prategangan pada transistor untuk operasi linear yang berarti menetapkan titik Q di dekat tengah-tengah garis beban dc, yaitu: Rangkaian prategangan basis; rangkaian prategangan emiter / pembagi tegangan;
prategangan umpan balik kolektor. Kemudian transistor
unipolar atau unipolar junction transistor disingkat UJT, seperti FET (field effect transistor) dan MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor). 2. Relevansi Seluruh materi rangkaian elektronika yang akan dibahas dalam kegiatan belajar (KB) ini erat kaitan dengan materi komponen- komponen elektronika yang sudah dipelajari, dan ada relevansinya dengan capaian pembelajaran,
yaitu:
menjelaskan
rangkaian
elektronika
serta
menganalisisnya menggunakan hukum- hukum rangkaian. 3. Petunjuk Belajar Untuk membantu anda dalam menguasai rangkaian elektronika ini, kegiatan belajar ini dibagi menjadi beberapa tahap, yaitu: a.
Tahap 1: rangkaian prategangan transistor
b. Tahap 2: transistor unipolar jenis FET (field effect transistor) c.
Tahap 3: transistor unipolar jenis MOSFET (Metal Oxide
Semiconductor Field Effect Transistor). Kemudian modul ini juga dilengkapi, media Power Point serta Link dengan website.Anda dapat mempelajari keseluruhan modul ini dengan cara berurutan. Jangan memaksakan diri sebelum benar-benar menguasai bagian demi bagian dalam modul ini, karena masing-masingnya saling berkaitan. Apabila anda mengalami kesulitan memahami materi yang ada dalam modul ini, silahkan diskusikan dengan teman- teman.
B. Inti 1. Capaian Pembelajaran Mata Kegiatan 106
Menjelaskan dan menganalisis sistem rangkaian elektronika analog menggunakan komponen aktif jenis transistor prategangan dan transistor efek medan 2. Sub Capaian Pembelajaran Mata Kegiatan a. Menjelaskan rangkaian elektronika analog prategangan transistor, dan transistor efek medan b. Menganalisis rangkaian elektronika analog prategangan transistor, dan transistor efek medan 3. Uraian Materi Materi 1. Rangkaian Prategangan Transistor Rangkaian digital bisa diartikan sebagai rangkaian yang menggunakan transistor sebagai switch, sedangkan rangkaian linear adalah rangkaian yang menggunakan transistor sebagai sumber arus. Berikut ini adalah contoh rangkaian linear, yaitu: penggerak LED (light-emitting diode) dengan sumber arus transistor; penguat (amplifier) yaitu rangkaian yang menaikkan amplitude sinyal. Pada pembahasan kali ini akan dipelajari mengenai cara-cara memberikan prategangan pada transistor untuk operasi linear yang berarti menetapkan titik Q di dekat tengah-tengah garis beban dc. Pemilihan titik kerja bertujuan agar transistor bekerja di daerah yang diinginkan. Pada untai penguat, transistor dirancang untuk bekerja di daerah aktif, sehingga sinyal keluaran (tegangan atau arus kolektor) merupakan reproduksi sinyal masukan yang diperkuat. Pada gambar 3.1 berikut ini menunjukan contoh untai penguat dengan sinyal masukan diumpankan ke basis dan sinyal keluaran diambil dari kolektor. a. Prategangan basis Arus prategangan basis ditentukan oleh resistor RB (lihat gambar 3.1 berikut ini )
107
.
V = VCC Gambar 3.1. Ragam gelombang pada suatu penguat Tegangan basis emiter VBE pada sambungan emiter yang berprategangan maju adalah 0,7 V untuk transistor silikon dan 0,2 V untuk transistor germanium. Bila Β» VBE , maka:
Arus prategangan kolektor Ic dapat dihitung dengan Persamaan :
VCE dapat di peroleh sebagai berikut :
Untai prategangan basis mempunyai dua macam kekurangan, Pertama, pada penggantian transistor yang sejenis belum tentu menghasilkan titik kerja yang 108
sama, karena Ξ² belum tentu sama. Kekurangan kedua adalah ketidak stabilan prategangan karena perubahan suhu. Seperti diketahui Ico berubah menjadi lipat dua untuk setiap kenaikan suhu 10Β°C. Sebagai contoh, adanya arus kolektor menyebabkan suhu sambungan kolektor naik, sehingga Ico naik. Dengan naiknya Ico suhu sambungan makin naik, sehingga kejadian ini akan berlanjut terus dan mengakibatkan jangkauan transistor dilampaui. Akibatnya transistor menjadi sangat panas (thermal runaway) atau titik kerja bergeser ke arah jenuh. Untuk menjamin kestabilan titk kerja, digunakan untai prategangan emiter b. Prategangan Emiter/Pembagi Tegangan Untai prategangan emiter terlihat pada gambar 3.2(a). Dengan menggunakan teorema Thevenin, maka untai di sebelah kiri titik A-B dapat diganti dengan sumber tegangan V dengan resistansi sumber RB (lihat gambar 3.2(b))
Dengan hukum Kirchoff tegangan pada untai basis diperoleh persamaan : V = IB RB + VBE + (IB+Ic) RE
pers. 1
Gambar 3.2. Prategangan emiter Penyelesaian pendekatan bila : IB maka: 1
π
π ππ π
π 1 π
π β« = = π
π β 1 1 + ππ π
π π
π + ππ ππ
Resistansi keluaran dihitung dengan membuat Vi = - Vgs = 0 , RL dibuka , dan kemudian diberikan sumber tegangan V, pada keluaran (lihat gambar 4.15 berikut ini)
Gambar 4.15. Untai untuk menghitung resistansi keluaran pada penguat CG 161
Maka resistansi keluaran adalah: π
π =
π2 ππ π
π· = = ππβπ
π· πΌ2 rd + π
π·
Contoh Untuk untai penguat gambar (a) berikut , JFET mempunyai parameter sebagai berikut: gm = 2 mA /V, dan rd = 25 Kβ¦ Reaktans C diabaikan pada frekuensi kerja . 1) Tulislah ekspresi untuk Vo l dan Vo2 2) Jika Rs = 1 Kβ¦ , Rd = 4 Kβ¦, maka hitunglah Gain tegangan: π΄π£1 =
ππ1 ππ
dan
π΄π£2 =
ππ2 ππ
(a)
(b)
Jawab; 1) Untai di atas merupakan gabungan dari penguat CS dan CD. Untai ekuivalen ac nya adalah saperti pada gambar (b). Nilai Rg sangat besar sehingga diabaikan. Dengan Hukum Kirchoff tegangan diGain persamaan: Id Rd + ( Id - gm Vgs ) rd + Id Rs = 0 dan Vgs = Vi - Id Rs 162
Didefinisikan faktor penguatan Β΅ = gm rd maka: πΌπ =
πππ ππ + π
π + (π + 1)π
π
Karena ππ1 = βπΌπ π
π maka
ππ1 =
βπππ π
π π
π + ππ + (π + 1)π
π
Karena ππ2 = πΌπ π
π maka ππ2 =
π ππ π
π π
π + ππ + (π + 1)π
π ππ
π [(π+1) ] π
π
ππ2 = (π
π +ππ) (π+1)
+ π
π
2) Β΅ = gm rd = 2 x 25 = 50 π΄π£1 =
ππ1 β50 π₯ 4 = = β2,5 ππ 4 + 25 + (50 + 1)π₯1 50
π΄π£2
(51) π₯1 ππ2 = = (4+25) = 0,625 ππ +1 51
Materi 3. Penguat dengan Operational Amplifier Op-amp (operational amplifier) ini memiliki dua jenis masukan, yaitu V1 yang merupakan masukan nonpembalik (non-inverting input) (+) dan V2 yang merupakan masukan pembalik (inverting input) (-), serta sebuah keluaran Vo. Simbolnya dapat dilihat pada gambar 4.16 berikut ini.
Gambar 4.16. Diagram skematik simbol Op-Amp 163
Operational amplifier (penguat operasional), kondisi ideal terwujud apabila parameter-parameter terukurnya memiliki nilai yang sama dengan karakteristik standar sebuah Op-Amp yang secara umum telah ditetapkan oleh pabrik pembuatnya Keterangan gambar: Zin yang ideal nilainya β (tak berhingga) Zout yang ideal nilainya 0 (nol) AOL yang ideal nilainya β (tak berhingga) a. Penguat Inverting Penguat inverting adalah ekuivalen dengan penguat emiter bersama atau penguat source bersama. Operasi penguat inverting terlihat pada gambar 4.17. Resistor R2 membentuk lintasan umpan-balik dari keluaran ke masukan.
Gambar 4.17. Penguat inverting Kunci kerja dari penguat inverting terletak pada untai masukan diferensial. Diasumsikan bahwa untai diferensial ideal. Maka kedua transistor pada untai masukan diferensial sepadan (matched) dan tegangan pada kedua masukan adalah sama. Jika masukan non inverting dilatarkan (grounded) maka masukan inverting juga mempunyai tegangan pada latar, sehingga masukan inverting berada pada latar semu (virtual ground) Karena Vo pada resistor umpan-balik Rf, maka: Vo= -I2R2 Karena Vi pada resistor masukan Ri, maka: 164
Vi = I1 RI Karena Op-Amp mempunyai resistansi masukan yang sangat tinggi, maka arus masukan mendekati nol. Karena itu II = 12 dan dapat ditulis: Vo = -I1R2 Gain tegangan yang diukur dengan adanya lintasan umpan balik disebut Gain tegangan kalang tertutup (Closed loop voltage gain). Gain tegangan kalang tertutup (ACL ) dapat diperoleh dari:
Dari persamaan di atas diperoleh:
Tanda minus dari persamaan menunjukkan bahwa polaritas keluaran berlawanan dengan masukan sehingga disebut penguat inverting (pembalik). 1) Resistansi masukan Penguat inverting mempunyai resistans masukan yang lebih rendah dari pada penguat operasional. Seperti terlihat pada gambar 4.17 sumber tegangan menunjukkan resistor masukan R1 yang menuju ke latar semu.Karena itu, resistans masukan penguat inverting adalah.
2) Resistansi keluaran Resistansi keluaran penguat inverting merupakan gabungan paralel antara resistansi keluaran Op Amp (Ro) dengan resistansi umpan balik R2. Karena R2umumnya jauh lebih besar daripada Ro, maka impedansi keluaran diasumsikan sama dengan Ro dari Op -Amp. 3) CMRR (Common Mode Rejection Ratio) Penguat Inverting
165
CMRR penguat inverting dihitung dari rasio Gain diferensial penguat (Ad) terhadap Gain mode bersama penguat (Ac).
Gain diferensial penguat adalah sama dengan Gain kalang tertutup (closed loop) penguat: (ACL ): Ad= ACL Gain mode bersama dihitung dari Gain kalang terbuka (open loop gain) Op-Amp (AOL) dibagi dengan CMRRop Amp (CMRR dari Op Amp):
Berdasarkan persamaan diperoleh CMRR penguat:
Tampak bahwa CMRR penguat jauh lebih kecil dari pada CMRROp-Amp b. Penguat Non Inverting Penguat non inverting dapat dilihat pada gambar 4.18 berikut ini. Bahwa sinyal masukan dihubungkan ke masukan non inverting, sehingga sinyal keluaran mempunyai fase yang sama dengan sinyal masukan.
Gambar 4.18. Penguat Non Inverting 166
Diasumsikan bahwa untai masukan diferensial ideal, maka tegangan pada masukan inverting sama dengan tegangan masukan non inverting. Karena itu tegangan pada masukan inverting adalah sama dengan tegangan sinyal masukan Vi. Oleh karena resistansi masukan Op- Amp sangat tinggi maka arus masukan Op- Amp mendekati nol. Sehingga arus pada R1 sama dengan arus pada R2 yaitu:
πΌ1 = πΌ2 atau
ππ ππ β ππ = π
1 π
2
Gain tegangan kalang tertutup adalah:
π΄πΆπΏ =
ππ π
2 =1+ π1 π
1
Terlihat bahwa tegangan keluaran mempunyai fase yang sama terhadap masukan dan Gain tegangannya adalah: π΄πΆπΏ β₯ 1 c. Resistansi masukan dan resistansi keluaran Resistansi masukan penguat non inverting sangat tinggi karena sinyal masukan diberikan langsung ke Op- Amp. Resistansi keluaran penguat non inverting mendekati sama dengan resistansi keluaran Op- Amp (seperti penguat inverting). Dengan adanya resistansi masukan yang tinggi dan resistansi keluaran yang rendah maka penguat non inverting dapat digunakan untuk untai penyangga (buffer) seperti pengikut emiter atau pengikut source. Untai penyangga dapat digunakan untuk menyesuaikan impedans sumber yang berimpedans tinggi ke beban yang berimpedans rendah. Perbeda penguat non iverting dengan pengikut emiter atau pengikut source adalah bahwa Gain tegangannya dapat
167
bernilai tinggi, sedangkan pengikut emitter atau pengikut source Gain tegangannya kurang dari satu. d. Pengikut Tegangan/Penguat Penyangga (Voltage Follower) Untuk penguat non inverting pada gambar 4.18, jika R1 dibuka (R1 = β) dan R2 dihubung singkat (R2 = 0), maka diperoleh pengikut tegangan seperti gambar 4.19 berikut ini.
Gambar 4.19. Pengikut tegangan Gain tegangan untuk pengikut tegangan adalah sebagai berikut: π΄πΆπΏ = 1 +
π
2 0 =1+ =1 π
1 β
Resistansi masukan Ri adalah sama dengan resistansi masukan Op- Amp., demikian juga resistansi keluaran Ro juga sama dengan resistansi keluaran OpAmp. CMRR pengikut tegangan dihitung dengan formula: πΆππ
π
πππππππ’π‘ π‘πππππππ =
π΄πΆπΏ 1 = π΄πΆ π΄πΆ
e. Penguat Penjumlah (Summing Amplifier) Penguat penjumlah mempunyai keluaran yang sebanding dengan jumlah masukan (lihat gambar 4.20 berikut ini). Karena ujung masukan inverting Op-Amp adalah latar semu (virtual ground) dan arus masukan Op-Amp mendekati nol maka persamaan untuk arus adalah sebagai berikut: πΌπ = πΌ1 + πΌ2 + πΌ3 πΌπ =
π1 π2 π3 + + π
1 π
2 π
3
168
Gambar 4.20. Penguat Penjumlah Tegangan keluaran penguat penjumlah dapat ditulis: ππ = βπΌπ π
π π
π π
π π
π ππ = β ( π1 + π2 + π3 ) π
1 π
2 π
3 Jika R1 = R2 = R3 = R , maka: ππ = β
π
π (π + π2 + π3 ) π
1
Karena itu keluaran akan sebanding dengan jumlah masukan. f. Penguat Beda (Difference Amplifier) Penguat beda mempunyai keluaran yang sebanding dengan beda sinyal masukan. Untai penguat beda dapat dilihat pada gambar 4.21 berikut ini.
Gambar 4.21. Penguat Beda 169
Tegangan keluaran Vo diperoleh dengan teori superposisi: VO = VO sumbangan V1 +Vo sumbangan V2 ππ = ππ | V2 =0 +ππ | V1=0 dengan Vo| V2 = 0 tegangan keluaran dengan V2 dibuat = 0 Vo | V1= 0 tegangan keluaran dengan V1 dibuat = 0 π
ππ |
V2 = 0
= β π
2 π1 (tegangan keluaran untuk konfigurasi penguat inverting)
ππ |
V1 = 0
= (1 + π
2)π+
1
π
1
(tegangan keluaran untuk konfigurasi penguat non inverting) dengan V+ ; tegangan pada masukan non inverting π+ = maka
ππ = β
π
1
Jika Maka
π
2
π
4 π π
3 + π
4 2
π
2 π
2 π
4 π1 + (1 + ) π π
1 π
1 π
3 + π
4 2
π
= π
3 ; 4
π
ππ = π
2 (π2 β π1 ) 1
Terlihat bahwa tegangan keluaran sebanding dengan beda tegangan masukan. g. Integrator Integrator adalah untai yang dapat melakukan operasi integrasi matematis pada sinyal masukan. Untai integrator dapat dilihat pada gambar 4.22 berikut ini.
Gambar 4.22. Untai integrator
170
Jika masukan inverting berada pada latar semu dan impedans masukan op-amp sangat besar, maka arus masukan op-amp mendekati nol, sehingga: π (π‘) = Dan
1
ππ (π‘) π
1
ππ (π‘) = β πΆ β« π (ππ‘) = β π
πΆ β« π£π(π‘)ππ‘ π
π
Terlihat bahwa tegangan keluaran integrator sebanding dengan integral tegangan masukan. Karena masukan integrator diberikan ke masukan inverting op-amp, maka keluaran integrator berbeda fase 180Β° terhadap masukan. Jika tegangan ingsutan masukan dc dan arus prategangan masukan dari opamp tidak dapat diabaikan, maka tegangan dan arus ini akan diintegrasikan pada kapasitor C f , dan pada keluaran akan nampak tegangan tambahan yang bertambah linear dengan waktu sampai penguat mencapai titik jenuh (meskipun vi = 0).
(a) Integrator dengan resistor umpan balik
(b) Peroleh tegangan sebagai fungsi frekuensi
Gambar 4.23. Integrator dengan Rf dan Gain tegangannya
171
Untuk mengatasi hal ini ditambahkan resistor Rf yang paralel dengan kapasitor umpan balik Cf (lihat gambar 4.23), sehingga tegangan ingsutan dc dan arus Prategangan dc yang melewati resistor Rf akan menghindari kejenuhan Op-Amp. Gainan tegangan kalang tertutup: π΄πΆπΏ =
Dengan
Maka
π
1
π ππ = π
π β [ πππΆ ] = 1+πππ
π
π πΆπ
π
/π
π π π΄πΆπΏ = 1+πππ
πΆ
π π
π΄πΆπΏ = dengan
ππ ππ = ππ π
π
ππ = 2πππ = π
1 π πΆπ
π
π /π
π 1 + ππ/ππ {frekuensi cut-off (radian/detik)}
sedangkan frekuensi cut-off dalam Hertz adalah: ππ =
ππ 1 = 2π 2ππ
π πΆπ
Untuk menggambarkan tanggapan magnitude |ACL | (lihat gambar 4.23(b), ditinjau nilai frekuensi f sebagai berikut: π
π΄πΆπΏ = β π
π
Untuk f βͺ fo, maka:
π
untai merupakan penguat inverting. Untuk f β« fo, maka:
π
π΄πΆπΏ = β π
π
1
ππ π ( ) ππ
menunjukkan bahwa asimtot frekuensi tinggi merupakan integrator. Karena untai bersifat sebagai integrator hanya pada frekuensi tinggi, maka disebut integrator merugi ( lossy integator). Untuk f = fo, maka tanggapan |π΄πΆπΏ | =
1 π
π β2 π
π
atau:
172
|π΄πΆπΏ |0ππ΅ =
π
π | 0 β 3 ππ΅ π
π ππ΅
h. Diferensiator Jika resistor dan kapasitor pada untai gambar 4.22 saling dipertukarkan maka diperoleh untai diferensiator seperti pada gambar 4.24. Diferensiator adalah untai yang keluarannya sebanding dengan laju perubahan sinyal masukan.
Gambar 4.24. Untai diferensiator Jika masukan inverting berada pada latar semu dan impedans masukan OpAmp tak terhingga maka: ππΆ = π π
πΆπ maka
atau
π π£ π(ππ‘) π£π(π‘) =β ππ‘ π
π
π£π(π‘) = βπ
π πΆπ
π π£π(π‘) ππ‘
Sehingga keluaran diferensiator sebanding dengan derivatif masukan. Deferensiator cenderung berosilasi karena masalah stabilitas yang terkait dengan frekuensi roll-off dari Gain kalang terbuka. Untai diferensiator dapat distabilkan dengan memasang resistor Ri yang seri terhadap kapasitor Ci. Setelah modifikasi ini, untai diferensiator masih memberikan fungsi diferensiasi, tetapi pada rentang frekuensi yang terbatas.
Batas operasi frekuensi
tinggi dari diferensiator tersebut menjadi:
ππ =
1 2ππ
π πΆπ
173
Contoh Buktikan bahwa bila R1 = R2 = R, maka ekspresi tegangan keluaran untuk penguat instrumentasi berikut adalah:
Jawab: Op- Amp 3 digunakan dalam konfigurasi penguat beda. Tegangan keluaran penguat beda untuk untai di atas adalah:
Jika arus masukan ke Op- Amp 1 dan Op- Amp 2 adalah nol , maka beda tegangan keluaran Op- Amp 1 dan Op- Amp 2 adalah: V0 2 - V01 = Ic ( R1+ R2 + Rc ) dengan
πΌπ β
π2 π1 π
π
maka: ππ =
dan
π
4 (π
1 + π
2 + π
π ) (π2 β π1 ) π
3 π
π
ππ2 β ππ1 β
(π2 βπ1 ) π
π
(π
1 + π
2 + π
π )
jika R1 = R2 = R maka:
174
maka:
π
2π
ππ = π
4 (1 + π
) (π2 β π1 ) 3
π
(terbukti)
i. Komparator (rangkaian pembanding) Pada dasarnya penguat operasional (operational amplifier) umum digunakan sebagai komparator untuk membandingkan amplitudo suatu tegangan dengan amplitudo tegangan yang lain. pada rangkaian komparator penguat operasional digunakan pada konfigurasi terbuka dengan tegangan masukkan (input voltage) pada satu terminal masukkan dan sebuah tegangan referensi pada terminal masukkan lainya. Prinsip sebuah rangkaian komparator merupakan sebuah contoh dari rangkaian penguat operasional yang membandingkan 2 tegangan masukkan serta menghasilkan sebuah keluaran dari salah satu keadaan, yaitu
lebih
besar
atau
lebih
kecil
terhadap
hubungan
dari
masukkan-masukkan tersebut. 1) Komparator open loop Bila tegangan pada input inverting (V1) lebih positif dari pada input non inverting (V2), maka outputnya akan sama dengan (-Vsat). Bila tegangan pada input inverting (V1) lebih negatif dari pada input non inverting (V2), maka outputnya akan sama dengan (+Vsat).
Gambar 4.25. Rangkaian Komparator Tegangan Sederhana Contoh. Diketahui Vsat untuk LM741 adalah Β±14 volt untuk tegangan sumber (Vs) Β±15 volt. Jika Vi1 adalah 3 volt dan Vi2 = 4 volt. Tentukanlah nilai Vo. 175
Vout = -Vsat jika V1 > V2 Vout = +Vsat jika V1 < V2 Jawab. V1 = 3 V V2 = 4 V Maka V1 < V2 Sehinga Vout = +Vsat = 14 volt
2) Komparator close loop Jika pada komparator open loop tegangan keluaran selalu +Vsat dan -Vsat , maka pada komparator close loop outputnya dapat kita atur sesuai keinginan kita dengan cara mengubah resistansii Ro dan Ri.l
Gambar 4.26. Komparator close loop Jika V2=V1 ,maka Vo=0 Jika V20 Tegangan outputnya akan berlawanan phasa dan merupakan selisih antara kedua inputnya, dan ditentukan dengan persamaan : πππ’π‘ = β
π
π1 π
π2 π
π1 + π
π1 π1 + ( )( ) π2 π
π1 π
π2 + π
π2 π
π1
Jika Ro1= Ro2 = Ri1= Ri2 176
Maka πππ’π‘ = π2 β π1
komparator close loop dapat memberika penguatan jika perbandingan Ro1 dan Ri1 sama dengan perbandingan Ro2 dan Ri2 sehingga tegangan outputnya adalah: πππ’π‘ = β
π
π1 (π β π1 ) π
π1 2
Contoh. Diketahui Vsat untuk LM741 adalah Β±14 volt untuk tegangan sumber (Vs) Β±15 volt. Jika Vi1 adalah 3 volt dan Vi2 adalah 4 volt. Ri1= Ri2= Ro1= Ro2 = 1kβ¦. Tentukanlah nilai Vo ?
Jawab. πππ’π‘ = β
π
π1 π
π2 π
π1 + π
π1 π1 + ( )( ) π2 π
π1 π
π2 + π
π2 π
π1
πππ’π‘ = β
1π 1π 1π + 1π 3+( )( )4 1π 1π + 1π 1π
πππ’π‘ = (β3) + 4 = 1 volt
Materi 4. Perancangan Rangkaian Elektronika Analog (Catu daya) Setelah mengetahui karakteristik komponen pasif dan aktif analog, serta beberapa konsep analisis rangkaian listrik, kita dapat mempelajari cara melakukan analisis dan perancangan sistem elektronika. Berikut akan diberikan contoh perancangan per-komponen aktif utama (catu daya) sebagai berikut. Hampir semua peralatan elektronika membutuhkan daya dc dari catu daya (power supply) untuk operasinya. Daya dc dapat diperoleh dari akumulator ataupun batere dengan cara konversi kimia. Dalam bagian ini akan dibahas 177
bagaimana daya dc diperoleh dari daya ac dengan menggunakan diode sebagai penyearah. Untuk menganalisa rangkaian penyearah akan digunakan aproksimasi ketiga transformator adalah dianggap ideal. Bila tegangan vi adalah sebagai berikut, vi = Vm Sin Οt Maka arus yang mengalir pada rangkaian adalah : i = Im Sin πt 0 β€ πt β€ Ξ Ξ β€ πt β€ 2Ξ
dan i = 0
Arus maksimum yang mengalir pada rangkaian adalah : ππ
πΌπ = π
π+π
πΏ
(pers.1.1)
Bila transfomator tidak ideal dimana tahanan sekunder transformator adalah Rs, maka arus Im menjadi : ππ
πΌπ = π
π+π
1+π
π Untuk menghitung arus rata-rata (dc) dan arus efektif dari penyearah, akan digunakan definisi-definisi berikut. a. Harga rata-rata (dc) Arus rata-rata (dc) didefinisikan sebagai berikut: Suatu ampere meter dc dibuat sedemikian sehingga simpangan jarum menunjuk nilai rata-rata dari arus yang melaluinya. Menurut definisi nilai rata-rata suatu fungsi periodik diberikan oleh suatu luas dari kurva yaitu periode dibagi oleh alas. Dinyatakan secara sistematik Idc =
1 2π
2π
β«0 ππ β
Untuk rangkaian setengah gelombang yang kita tinjau adalah: πΌππ =
Idc =
πΌπ 2π
π 1 π β« πΌπ π ππ β π β 2 0 π
(β cos β β«0 =
πΌπ 2π
(+ 1 + 1) =
πΌπ π
(pers.1.2)
178
Perhatikan : bahwa batas atas integral telah diubah dari 2π menjadi π, besar arus sesaat antara π dan 2π sama dengan nol, sehingga tidak memberikan nilai apa-apa pada nilai tersebut. πππ = πΌππ Γ π
πΏ πππ =
πΌπ Γ π
πΏ π
=
ππ
= 0,318 Vm
π
b. Harga Efektif (ac) Arus (tegangan) ac atau efektif: Suatu amper meter (voltmeter) akar rata-rata kuadrat (root means square /rms) dibuat demikian rupa sehingga penyimpangan jarum menunjukkan arus (tegangan) efektif atau rms. Alat yang mengikuti βhukum kuadratβ ini mungkin sejenis termokopel. Menurut definisi, nilai efektif atau nilai rms dikuadratkan dari fungsi tersebut dalam satu periode dibagi oleh alas. Dinyatakan secara matematik: 2π
1
Untuk tegangan Vrms = β2π β«0 ππ2 Γ ππ2
=β 2π
πΌ 2π
(2)
0
ππ2
= β 2π (π β ππ2
= β 2π (π β ππ2
Vrms = β
2
=
ππ β2
1βcos πΌ 2
ππΌ 2π
1
β (4 sin 2πΌ)
0
1 2 1 2
sin 4 π) Γ 0)
ππ2
= β 2π π
= 0,707 Vm
Dengan cara yang sama akan diperoleh: Arus Irms = 0,707 Im Tegangan dc pada beban RL pada penyearah gelombang setengah adalah : Vdc = Idc RL
(pers.1.3)
Bila Idc dari persamaan (1.2) disubtitusikan pada persamaan (1.3) di dapat : Vdc =
πΌπ Ξ
RL
(pers.1.4) 179
Dari persamaan (1.1) dan (1.4) didapat ππ π
πΏ Ξ
πππ =
(pers.1.5)
π
π+π
πΏ
Bila RL >> Rf atau beban dibuka maka persamaannya menjadi : πππ =
ππ Ξ
Dari persamaan (1.1) dan (1.2) dapat dituliskan πΌππ =
πΌπ Ξ
ππ/Ξ
= π
π+π
πΏ
Dari persamaan ini dapat dituliskan, tegangan dc pada beban sebagai berikut : πππ = πΌππ π
πΏ +
ππ Ξ
β πΌππ π
π
Tanpa beban, tegangan dc pada beban adalah : πππ =
ππ Ξ
Bila transformator menpunyai resistansii kumparan sekunder Rs maka tegangan dc pada beban menjadi : πππ =
ππ Ξ
β πΌππ (π
π + π
π + π
πΏ)
c. Faktor Bentuk Form Factor (Faktor Bentuk) adalah perbandingan antara harga efektif ac (rms) dibagi dengan harga rata-rata dc π»ππππ πππ
π»ππππ ππ
πΌπ/2
0,51
πΉ = π»πππππππ‘πβπππ‘π = π»ππππ ππ = πΌπ/π = 0,3181 = 1,57
d. Faktor Regulasi Derajat perubahan tegangan output penyearah karena perubahan beban diukur dari factor regulasinya yang dinyatakan sebagai berikut :
180
Faktor Regulasi =
ππ‘ππππ πππππβππππππ ππππ’β ππππππ ππππ’β
π₯ 100%
Sebuah catu daya ideal akan mempunyai tegangan output konstan, sehingga regulasinya adalah nol. Resistansii dalam dari penyearah dapat ditentukan dengan percobaan sebagai berikut. Ukur tegangan output tanpa beban dari penyearah dengan menggunakan voltmeter yang m empunyai t ahanan dal am tinggi. Kemudian bebani penyearah tersebut dengan beban penuh. Ukur tegangan dan arus beban penuh tersebut. Perbeda diantara tegangan tanpa beban dan beban penuh adalah jatuh tegangan yang terjadi pada tahanan dalam penyearah yaitu : Vtanpa beban β Vberbeban penuh = IL.Rd Maka tahanan penyearah dalam adalah : Rd =
πππΏβππΉπΏ πΌπΏ
Dengan mengunakan regulator tegangan, tahanan dalam sebuah catu daya dapat dibuat kecil sekali. Maka didapat faktor regulasi dari penyearah gelombang setengah sebagai berikut: Faktor regulasi =
π
π π
πΏ
π₯ 100%
e. Faktor Ripel Tujuan penyearah adalah mengubah daya ac menjadi daya dc. Ukuran efektif tidaknya sebuah rangkaian penyearah akan terlihat dari faktor ripel r yang dinyatakan sebagai : r= atau
r=
βππππ πππππ‘ππ ππππππππ ππ βππππ ππ πΌπππ 1 πΌππ
=
ππππ 1 πππ
181
2Ξ
1
dimana
πΌπππ 1 = β{ 2Ξ β«0 (π β πΌππ)2 ππ€π‘}
Atau
πΌπππ 1 = β(πΌπππ 2 β πΌππ 2 )
Sehingga didapat: π = βπΌπππ 2 β πΌππ 2 ) πΌπππ
π = β{( πΌππ )2 β 1})
Atau
Faktor ripel untuk penyearah setengah gelombang didapat
sebagai
berikut: πΌπ 2 )
(
2 π = β( πΌπ ) β 1) = 1.21 2
(
Ξ
)
f. Efisi ensi P enyearah Rangkaian penyearah dapat dinyatakan dengan besaran effisiensi penyearah
sebagai berikut: πππ¦π ππ π¦πππ πππ‘πππ’π πππ
πΆ= Atau
πππ¦π ππππ’π‘ ππ ππππ π‘ππππ π πππ’ππππ
πΆ=
πππ πππ
= Pout/Pinput
Dimana πππ = πΌ 2 ππ π
πΏ =
πΌπ 2 Ξ 2
π
πΏ
πππ = π 2 πππ (π
π + π
πΏ) =
πΌπ2 4
(π
π + π
πΏ)
Dari persamaan ini didapat : π=
ππΉπ³ π·π (ππ+ππ
Bila Rf < < RL, maka πΆ =
4 Ξ 2
= 0.406. Ini berarti bahwa, bila
dioda ideal hanya 40,6 % daya ac yang dirubah menjadi daya dc pada beban. g. Peak Inverse Voltage (PIV) Semua dioda akan mempunyai tegangan breakdown bila diberi prategangan arah mundur. Bila ingin menggunakan sebuah dioda sebagai 182
penyearah, maka harus diperhitungakan berapa besarnya tegangan arah mundur paling besar yang boleh dialam oleh dioda tersebut. Tegangan ini disebut "Peak Inverse Voltage" dan untuk penyearah setengah gelombang besarnya adalah sebesar Vm. PIV ini harus lebih kecil dari tegangan breakdown. h. Dissipasi Daya (P) Daya dc output pada beban : ππ·πΆ = πΌπ·πΆ 2 Γ π
πΏ Daya ac input pada dioda: ππΌπ = πΌπππ 2 (π
π + π
πΏ ) Contoh Diketahui rangkaian penyearah setengah gelombang pada gambar 25(a). Resistansii dioda adalah Rf. VΞ³ dioda = 0 dan Rr = β, Vi = Vm Sin wt Ditanyakan : tegangan dc diode (Vdc) Jawab: πππ 1 =
1 2Ξ
Ξ πΌπ β« 0 2Ξ 1
2Ξ
β«0 π£ 1 ππ€π‘ = 1
2Ξ
π
π π πππ€π‘ ππ€π‘ + 2Ξ β«Ξ ππ sin π€π‘ππ€π‘
1 2Ξ Ξ [πΌπ π
π(β cos π€π‘) | + ππ (βπππ π€π‘)| 0 2Ξ Ξ 1 πππ 1 = [πΌπ π
π(1 + 1) + ππ(β1 β 1)] 2Ξ 1 1 (πΌππ
π β ππ) = πππ 1 = (πΌπ π
π β πΌπ(π
π + π
πΏ)) Ξ Ξ βπΌπ π
πΏ πππ 1 = Ξ πππ 1 =
Penyearah (rectifier) ada dua macam yakni penyearah setengah gelombang dan penyearah gelombang penuh. a. Penyearah setengah gelombang Penyearah setengah gelombang (half wave rectifier) diperlihatkan pada gambar 4.27 berikut ini. Transformator diperlukan untuk menurunkan tegangan AC dari jala-jala listrik pada kumparan primernya menjadi 183
tegangan AC yang lebih kecil pada kumparan sekundernya. Dioda berfungsi untuk menyearahkan tegangan ac dan RL adalah beban dc nya.
(a) Rangkaian setengah gelombang
(b) Tegangan input dan arus output
Gambar 4.27. Penyearah Setengah Gelombang Pada saat A positif diode akan konduksi hingga diperoleh arus dan tegangan pada RL dengan polaritas seperti pada gambar. Pada saat B positif diode tidak konduksi dan tidak ada arus atau tegangan pada beban RL. Jadi hanya setengah gelombang positif saja yang dilewatkan pada RL. Arus id terlihat pada gambar 4.27(b). b. Penyearah Gelombang Penuh Penyearah gelombang penuh atau full wave rectifier (FWR) seperti diperlihatkan gambar 4.28.
Kelemahan-kelemahan pada penyearah
gelombang setengah yaitu faktor ripel besar ( r =1,21 ) dan efisiensi penyearah rendah ( πΆ = 0.406) dapat diperbaiki dengan menggunakan penyearah gelombang penuh. Penyearah gelombang penuh ada dua macam yaitu penyearah dengan pembalik fasa dan penyearah jembatan.
1) Penyearah dengan pembalik fasa. 184
Pada gambar 4.28, terlihat penyearah gelombang penuh dengan menggunakan dua dioda. Pada penyearah ini gulungan sekunder transformator menggunakan tap tengah (centre tap). Cara kerja rangkaian adalah sebagai berikut. Dioda D1 dan D2 bekerja bergantian. Pada saat A lebih positif dari dioda D1 konduksi dan D2 tidak konduksi. Pada keadaan ini arus mengalir melalui lintasan A B N A dan pada saat C lebih positif dari A, dioda D1 tidak konduksi dan D2 konduksi. Pada keadaan ini arus mengalir melalui lintasan CBNC. Jadi selama diberikan tegangan pada input (vi), maka pada beban RL akan mengalir arus yang searah dengan titik B sebagai tegangan positif. Jadi tap tengah berfungsi sebagai pembalik fasa.
(a) Rangkaian penyearah pembalik fasa
(b) Arus mengalir melalui D1, D2 dan beban RL
Gambar 4.28. Penyearah gelombang penuh dengan dua Dioda
185
Arus dc pada rangkaian adalah: πΌππ =
2πΌπ Ξ
.
Dan arus rms adalah : πΌπππ =
πΌπ β2
Tegangan dc pada beban menjadi: πππ = πΌππ π
πΏ =
2 ππ β πΌππ π
π Ξ
Bila tahanan gulungan sekunder trafo adalah Rs, maka tegangan dc pada beban menjadi: πππ =
2ππ β πΌππ (π
π + π
π ) Ξ
Tanpa beban RL, maka tegangan dc output menjadi: πππ =
2ππ Ξ
Faktor ripel adalah:
π = β(
πΌπππ 2 ) β 1 = 0,482 πΌππ
Efisiensi penyearah maksimum di dapat sebagai berikut: π = 0,812 (4.36) Sedangkan peak inverse voltage untuk rangkaian ini adalah 2Vm. Contoh Penyearah gelombang penuh menggunakan dua dioda dengan Rf yang sama. Rf = 20 ohm. Tegangan maksimum antara center tap (CT) tap .tengah dan salah satu ujungnya adalah 11 β2 Volt RL (beban) 1000 ohm. 186
Ditanyakan : a. Im b. Arus beban dc (Idc) c. Arus beban efektif (Irms) d. Arus dc yang melalui diode e. Arus efektif yang melalui dioda f.
Daya masuk total pada rangkaian
g. Faktor regulasi h. Effisiensi penyearahan Jawab: a. Im = b. Idc =
Vm Rf+RL 2Im
c. Irms = d.
1020
= 15,25mA
= 9,7 mA
Ξ Im V2
= 10,785 mA
Idc diode =
e. Irms dioda = f.
11β2
=
Idc 2 Im 2
= 4,85 mA =
15,25mA 2
= 7,625 mA
Daya masuk total pada rangkaian : Pi = Irms2 (Rf + RL) = 0,1168 watt
g. regulasi (%) = % =
2Vm βIdc RL Ξ
Idc RL
9,908β9,7 9,7
h. Efisiensi : πΆ =
Pdc Pi
π₯ 100%
π₯ 100% = 2,15% π₯ 100%;
Pdc = Idc2 RL = (0.097)21000 Pdc = 94,1 mWatt 187
Dengan demikian, πΆ =
0,0941 0,1168
π₯ 100%
= 80,56%
2) Penyearah Jembatan Penyearah gelombang penuh dengan jembatan dioda (dioda bridge). Pada dioda bridge, hanya ada 2 dioda saja yang menghantarkan arus untuk setiap siklus tegangan AC sedangkan 2 dioda lainnya bersifat sebagai isolator pada saat siklus yang sama.
(a) Rangkaian penyearah gelombang penuh dengan jembatan dioda filter C
(b) Grafik sinyal dari penyearah gelombang penuh dengan jembatan dioda
Gambar 4.29. Penyearah Jembatan Jembatan dioda (dioda bridge) tersedia dalam bentuk 1 komponen saja atau pun bisa dibuat dengan menggunakan 4 dioda yang sama karakteristiknya. Yang harus diperhatikan adalah besar arus yang dilewatkan oleh dioda harus lebih besar dari besar arus yang dilewatkan
pada
rangkaian.
Penyearah
gelombang
penuh
menggunakan 2 dioda. Seperti telah disebutkan di atas, penyearah gelombang penuh menggunakan 2 dioda ini hanya bisa digunakan pada transformator CT, dimana tegangan sekunder yang dihasilkan oleh trafo CT, dimana V1 : tegangan primer dan V2 : tegangan sekunder. 188
Arah arus pada R L akan sama pada kedua keadaan tegangan. Arus rata-rata
I dc
adalah :
Idc = 2I m / Ξ Dimana Im =
V RL+2Rf
Tegangan dc output adalah : 2ππ Vdc = π± β (Idc x 2Rf)
Tanpa beban, maka tegangan dc output adalah: 2ππ Vdc = π±
PIV pada penyearah jembatan adalah sebesar V m . 4. Forum Diskusi Gambar berikut ini memperlihatkan salah satu bentuk ragkaian dasar dari sebuah penguat diferensial. Coba anda diskusikan dengan teman- teman, berapa banyak arus emitor arus searah di dalam penguat diferensial tersebut? , dan jika diketahui RC = 10 kΞ© RS = 1 kΞ© RE = 10 kΞ© Ξ²DC
= 100
VCC = VEE = 20 V
Tentukanlah arus emitor searah pada masing-masing transistor tersebut.
C. Penutup 1. Rangkuman a. Semua konfigurasi transistor dwi kutub dapat digunakan sebagai penguat awal. 189
b. Pemilihan rangkaian tergantung pada impedansi keluaran sumber isyarat yang akan
diperkuat,
dengan
patokan impedansi yang
saling berhubungan diharapkan sama. c. Apabila antara sumber isyarat dan penguat impedansi tidak sesuai dapat digunakan transformator penyesuai impedansi. d. Peningkatan impedansi masukan pada penguat kolektor bersama dapat digunakan teknik pengangkat impedansi atau bootstrap. e. Penguat kolektor bersama dapat berfungsi sebagai
penyesuai
impedansi dan disebut juga sebagai penguat penyangga karena penguatannya mendekati satu. f. Untuk impedansi masukan yang sangat tinggi dapat
digunakan
rangkaian penguat terintegrasi yang intinya adalah penguat diferensial atau disebut juga penguat operasi (Op-amp). g. Rangkaian jembatan wheatstone dapat digunakan sebagai rangkaian perantara untuk menciptakan masukan diferensial. h. Penguat kolektor bersama dapat berfungsi sebagai penyesuai impedansi dan disebut juga sebagai penguat penyangga karena penguatannya mendekati satu. i. Untuk impedansi masukan yang sangat tinggi dapat digunakan rangkaian penguat terintegrasi yang intinya adalah penguat diferensial atau disebut juga penguat operasi (0p-amp).
2. Tes Formatif 1.
Suatu penguat awal seperti gambar berikut ini dimana RB1 = 50 kο, RB2 = 5 kο, RC = 2 kο, RE= 1 kο, C1= C2= 30 οF dan CE= 100 οF. Apabila VCE = (Β½) V , ο’= 150, transistornya silikon dan Vcc = 6 V, maka hambatan masukan penguat dan hambatan keluaran penguat adalah:
190
a. Zi = 2,126 kο. dan z'0 β RC = 2 kο. b. Zi = 3,226 kο. dan z'0 β RC = 1 kο. c. Zi = 4,326 kο. dan z'0 β RC = 1,5 kο. d. Zi = 5,426 kο. dan z'0 β RC = 2,5 kο. e. Zi = 6,526 kο. dan z'0 β RC = 3 kο. 2.
Berdasarkan gambar berikut ini, apabila diketahui RB1 = 56 kο, RB21 = 10 kο, RB22 = 56 kο, hOE= 2,5 x 10-5mho, RE= 3,9 kο, CB = 100 οF dan ο’= 300, maka reaktansi kapasitif dari kapasitor jika frekuensi isyaratnya 1 kHz dan Vcc = 12 volt adalah:
a. XCB = 1,3 ohm b. XCB = 2,6 ohm c. XCB = 2,3 ohm d. XCB = 1,6 ohm e. XCB = 2,5 ohm 3.
Berikut ini merupakan konfigurasi transistor menurut sifatnya, yaitu: penguatan tegangan (AV) adalah tinggi, impedansi masukan (Zi) adalah rendah dan impedansi keluaran (Zo) adalah sangat tinggi. Hal ini adalah konfigurasi transistor: a. Common collector 191
b. Common emitter c. Common base d. Common drain e. Common gate 4.
Rangkaian transistor dalam konfigurasi basis bersama dapat digunakan sebagai penguat awal yang memiliki impedansi masukan pada ordea. a. Sekitar dua ribuan ohm (sedang) b. Sekitar lima puluh kilo ohm (tinggi) c. Sekitar satu mega ohm (sangat tinggi) d. Sekitar ratusan ohm ( rendah) e. Sekitar tiga ribu ohm (tinggi)
5.
Berdasarkan gambar rangkaian berikut ini, maka titik kerja (ICQ dan VCEQ) adalah:
a. ICQ= 5,01 mA dan VCEQ= 4,29 volt b. ICQ= 4,05 mA dan VCEQ= 0,39 volt c. ICQ= 3,03 mA dan VCEQ= 1,49 volt d. ICQ= 2,06 mA dan VCEQ= 2,59 volt e. ICQ= 1,07 mA dan VCEQ= 3,69 volt 6.
Fungsi lain dari transistor adalah sebagai penguat arus. Karena fungsi ini maka transistor bisa dipakai untuk rangkaian power supply dengan tegangan yang di set. Untuk keperluan ini maka transistor harus: a. Dibias tegangan yang konstan pada basisnya, supaya pada emitor keluar tegangan yang tetap. b. Dibias tegangan yang rendah pada basisnya, supaya pada emitor keluar tegangan yang rendah. 192
c. Dibias tegangan yang konstan pada basisnya, supaya pada kolektor keluar tegangan yang tinggi. d. Dibias tegangan yang konstan pada basisnya, supaya pada kolektor keluar tegangan nol. e. Dibias tegangan yang konstan pada basisnya, supaya pada kolektor keluar tegangan yang rendah. 7.
Pada gambar berikut ini tampak bahwa R15 dan R16 bekerjasama dalam mengatur tegangan bias pada basis transistor. Sinyal input masuk ke penguat melalui kapasitor C8 ke basis transistor. Dan sinyal output diambil pada kaki kolektor dengan melewati kapasitor C7. Konfigurasi seperti ini termasuk jenis penguat:
a. Kelas B b. Kelas C c. Kelas A d. Kelas AB e. Kelas BC 8.
Sebuah penguat inverting mempunyai nilai Rf sebesar 1 Mega ohm, Rin sebesar 100 kilo ohm. Berapakah penguatan yang dihasilkan Op-Amp tersebut a. -10x b. 10x c. -100x d. 100x e. 1000x 193
9.
Sebuah penguat Op- Amp non inverting dengan penguatan 10 kali, jika sumber tegangan Β± 15 volt dan Vin = 2 volt, maka tegangan output yang dihasilkan adalah: a. 20 volt b. -13,5 volt c. 13,5 volt d. Β± 13,5 volt e. β 20 volt
10. Sebuah rangkaian Op-Amp pembalik seperti pada gambar berikut ini, memiliki nilai- nilai sebagai berikut: tahanan feed back 330 kβ¦, tahanan input 1 kβ¦, dan tegangan input 17 mV. Maka penguat tegangan, tegangan output (Vout) dan tegangan catu daya (VCC) dari rangkaian tersebut adalah:
a. AV = -100, Vout = -4,51 volt, dan VCC = Β± 6 volt b. AV = -300, Vout = -5,61 volt, dan VCC = Β± 8 volt c. AV = -200, Vout = -3,71 volt, dan VCC = Β± 7 volt d. AV = -400, Vout = -2,81 volt, dan VCC = Β± 5 volt e. AV = -500, Vout = -1,91 volt, dan VCC = Β± 9 volt
3. Daftar Pustaka A.E. Fitzgerald, David E. Higginbotam, Arvin Grabel, Pantur Silaban, 1985, Dasar-dasar Elektronika, Erlangga, Jakarta. Boylestad and Nashelsky. 1992. Electronic Devices and Circuit Theory, 5th ed. Engelwood Cliffs, NJ: Prentice-Hall, Inc. Denis Roddy, Kamal Idris, JohnCoolen, 1992, Komunikasi Elektronika, Erlangga, Jakarta.
194
Ganti Depari, 1986, Teori Rangkaian Elektronika, Sinar Baru, Bandung. Malvino, Barmawi, 1999, Prinsip-prinsip Elektronik Jilid 1, Edisi Ketiga, Erlangga, Jakarta. ----------------------, 1985, Prinsip-prinsip Elektronik Jilid 2, Edisi Ketiga, Erlangga, Jakarta. Suwarno, 1987, Tehnik Pesawat Penerima Radio Transistor, Bina Aksara, Jakarta. Wasito S., 1974, Penguat Frekwensi Tinggi, Karya Utama, Jakarta. Wasito S., 1978, Tehnik Denyut Op-Amp Thyristor, Karya Utama, Jakarta.
D. Tugas Akhir 1. Coba anda jelaskan tentang daerah kerja transistor bipolar pada a) cut off; b) saturasi; c) aktif
2. Perhatikan gambar rangkaian listrik berikut ini. Nilai tahanan 20 ohm, induktansi 0,1 H, dan kapasitor 100 Β΅F dihubungkan dengan tegangan 240 volt, 60 hertz.
Tentukanlah: a. Impedansi rangkaian b. Arus listrik yang mengalir c. Tegangan listrik pada setiap komponen d. Faktor daya e. Daya listrik 3. Perhatikan gambar rangkaian berikut ini. Dengan menggunakan teorema Thevenin dan Norton, tentukanlah nilai arus listrik mengalir melewati R 2 (IR2) 195
4.
Suatu rangkaian transistor, dengan penguatan arus dc sebesar 100. Hitunglah arus basis (IB), arus kolektor (IC), potensial kolektor-emiter (VCE), dan daya dioda (PD) untuk
pendekatan kedua (potensial
Basis-Emiter = 0,7 V). Jika diketahui potensial sumber basis dan potensial sumber kolektor masing-masing sebesar 10 V, hambatan basis dan kolektor berturut-turut sebesar 1 M ο dan 2 K ο .
E. Tes Sumatif 1. Seperti diketahui bahwa komponen elektronika terdiri dari komponen pasif dan komponen aktif. Berikut ini yang termasuk komponen elektronika dengan jenis komponen pasif adalah⦠a. Power Supply b. Amplifier c. Transistor d. Filters e. Resistor 2. Setiap komponen elektronika memiliki ciri khas dan bentuk fisik yang berbeda- beda. Berikut ini yang menjadi ciri khas sebuah transistor adalah mempunyai 3 buah elektroda yakni : a. Kolektor, basis dan drain b. Emitor, basis dan gate c. Gate, emitor , basis d. Kolektor, emitor,emitor e. Emitor, basis dan kolektor 3. Pada dioda, bila terminal negatif sumber dihubungkan dengan bahan tipe-N, dan terminal positif dengan bahan tipe-P, hubungan ini dikenal dengan sebutan : 196
a. Forward bias b. Bias semu c. Tanpa bias d. Bias nyata e. Reverse bias 4. Transistor efek medan persambungan (junction field effect transistor atau JFET) adalah salah satu contoh transistor unipolar. JFET ini adalah komponen aktif yang dikendalikan: a.
Arus
b.
Tegangan
c.
Tahanan
d.
Daya
e.
Energi
5. Seperti diketahui bahwa begitu banyak komponen elektronika pasif kita jumpai di dalam rangkaian aplikasi sederhana. Menurut anda dari rangkaian amplikasi berikut ini yang di dalamnya terdapat komponen Induktor adalah: a. Rangkaian bel b. Rangkaian lampu darurat c. Rangkaian pesawat radio d. Rangkaian LED e. Rangkaian sirene 6. Pada transistor NPN, pembawa mayoritas pada basis adalah a.
Elektron bebas
b.
Hole
c.
Tidak ada
d.
Kedua-duanya
e.
Muatan
7. Rangkaian aplikasi yang menghasilkan dan memproses sinyal analog, yang membentuk suatu proses penguatan, penjumlahan, pembanding, pengaturan dan pensaklaran disebut juga dengan: a. IC Digital 197
b. Op Amp c. Transistor d. Elektronika linier e. IC Linier 8. Dalam sebuah instalasi listrik sederhana dipasang sebuah lampu dengan daya sebesar 24 watt, kepadanya mengalir arus listrik sebesar 1,5A, maka nilai voltase tegangan yang dibutuhan untuk menyalakan lampu tersebut adalah. a. 5 V b. 10 V c. 15 V d. 16 V e. 18 V 9. Berdasarkan gambar rangkaian berikut ini. Dengan menggunakan teorema Thevenin, maka nilai tahanan Thevenin adalah: a. 2 Ohm b. 3 ohm c. 1 ohm d. 4 ohm e. 5 ohm 10. Dalam suatu rangkaian listrik terdapat beberapa buah kapasitor tersusun secara seri dengan nilai kapasitansinya C1 = 100 ΞΌF, C2 = 150 ΞΌF, dan C3 = 220 ΞΌF. Maka nilai kapasitansi penggantinya adalah: a. 47.20 ΞΌF b. 45,15 ΞΌF c. 47,14 ΞΌF d. 48,50 ΞΌF e. 48,15 ΞΌF 11. Di dalam rangkaian catu daya (power supply) diperlukan sebuah transformator step down dengan data- data sebagai berikut: tegangan
198
primernya sebesar 200 V dan tegangan sekunder sebesar 48 V. Jika besar arus primer 1 ampere, maka nilai arus sekundernya adalah⦠a. 0,2 A b. 0,24 A c. 0,96 A d. 1,52 A e. 2 A 12. Perhatikan Gambar rangkaian seri RLC berikut!
Besar impedansi pada rangkaian tersebut adalah... a.
1600 Ξ©
b.
1500 Ξ©
c.
1300 Ξ©
d.
800 Ξ©
e.
600 Ξ©
13. Sebuah kapasitor dirangkai pada sumber tegangan bolak-balik 250 Volt yang frekuensi 50 Hz, ternyata reaktansi kapasitifnya 5000/Ο ohm, maka nilai kapasitas dari kapasitor itu adalahβ¦ a. 2 ΞΌF b. 5 ΞΌF c. 10 ΞΌF d. 20 ΞΌF e. 50 ΞΌF 14. Sebuah rangkaian dengan hambatan yang diabaikan mengandung induktansi 60 mH dan kapasitansi 600 pF, maka frekuensi resonansinya adalah: a. f0 = 20 kHz 199
b. f0 = 30,1 kHz c. f0 = 26,5 kHz d. f0 = 23,4 kHz e. f0 = 27,5 kHz 15. Sebuah transistor mempunyai Ξ²dc sebesar 100. Jika arus basis 9,3 uA, maka besarnya arus colector adalahβ¦ a. 0,93 mA b. 930 mA c. 3,71 mA d. 371 mA e. 370 mA 16. Diketahui PD =VCE. IC, jika suatu transistor 2N3904 mempunyai VCE = 25 V, dan IC = 5 mA, maka besarnya disipasi daya dari transistor tersebut adalah: a. 5 A b. 50 A c. 5 mA d. 125 A e. 0,125 A 17. Perhatikanlah soal berikut ini. Diketahui sebuah rangkaian bias pembagi tegangan, dengan R1 = 6 kβ¦, R2 = 2 kβ¦, RC =1,5 kβ¦, RE = 200 β¦ dan VCC = 30 volt. Maka besarnya arus kolektor adalah: a. 0,034 mA b. 34 A c. 0,34 mA d. 35 A e. 34 mA 18. Penambahan tahanan dan kapasitor pada rangkaian aplikasi rangkaian differensiator Op- Amp berfungsi untuk: a.
Memfilter sinyal keluaran
b.
Menguatkan tegangan masukan 200
c.
Menguatkan tegangan keluaran
d.
Memfilter sinyal masukan
e.
Menstabilkan sunyal keluaran
19. Begitu banyak rangkaian aplikasi dari sebuah transistor kita jumpai. Gambar berikut ini merupakan rangkaian transistor dengan penguat:
a.
Penguat op-amp inverting
b.
Penguat op-amp non inverting
c.
Penguat diferensial
d.
Penjumlah
e.
Komparator
20. Gain arus sebuah transistor ditetapkan sebagai rasio arus kolektor terhadap : a.
Arus basis
b.
Arus emiter
c.
Arus catu daya
d.
Arus kolektor
e.
Arus penguat
21. Untuk dapat bekerja, sebuah transistor membutuhkan tegangan bias pada basisnya. Kebutuhan tegangan bias ini bergantung pada jenis dan bahan semikonduktor yang digunakan, nilainya berkisar antara: a.
0.5 sampai 0.7 volt
b.
0,4 sampai 0,6 volt
c.
0,3 sampai 0,5 volt
d.
0,3 sampai 0,8 volt
e.
0,4 sampai 0,9 volt
22. Jika hambatan emiter naik dua kali lipat pada rangkaian bias pembagi tegangan, arus kolektor akan: a.
Naik dua kali lipat 201
b.
Turun setengahnya
c.
Tetap sama
d.
Bertambah
23. Berapakah tegangan beban puncak dalam sebuah rectifier gelombang penuh jika tegangan sekunder adalah 20 Vrms a.
0V
b.
0,7 V
c.
14,1 V
d.
28,3 V
e.
17,5 V
24. Untuk merancang sebuah rangkaian CC (Common Collector) yang sesuai dengan spesifikasi berikut : VEE = 5 V, VBB = 10 V, IE = 20 mA, VEC = 0,7 V, dan RB = 0,1 kβ¦, maka dibutuhkan nilai RE dan VBC secara berturutturut sebagai berikut: a.
RE = 115 ohm, dan VBC = 7 volt
b.
RE = 315 ohm, dan VBC = 6 volt
c.
RE = 215 ohm, dan VBC = 8 volt
d.
RE = 415 ohm, dan VBC = 5 volt
e.
RE = 515 ohm, dan VBC = 9 volt
25. Untuk merancang sebuah rangkaian CB (common base) yang sesuai dengan spesifikasi berikut : VEE = 5 V, VCC = 10 V, IC = 20 mA, VCB = 7,5 V, dan RE = 0,1 kβ¦, maka diperlukan nilai RC dan VEB sebagai berikut:
a.
RC = 100 ohm, dan VEB = 1 volt
b.
RC = 115 ohm, dan VEB = 2 volt
c.
RC = 120 ohm, dan VEB = 4 volt
d.
RC = 125 ohm, dan VEB = 3 volt 202
e.
RC = 135 ohm, dan VEB = 5 volt
26. Begitu banyak bentuk rangkaian transistor yang sudah kita pelajari, namun setiap rangkaian mempunyai ciri khas tersendiri. Menurut anda gambar rangkaian berikut ini merupakan rangkaian transistor:
a.
Common emitter
b.
Common base
c.
Common colector
d.
Common drain
e.
Common gate
27. Berdasarkan gambar rangkaian berikut ini. Jika diketahui :VCC = 12 Volt, VEE = 6,4 Volt dan pada titik kerja Q nilai IE = 2 mA dan VCB = 6 Volt. Maka nilai RC dan RE adalah:
a.
RC = 1 kβ¦, dan RE = 5,4 kβ¦
b.
RC = 1,5 kβ¦, dan RE = 4,2 kβ¦
c.
RC = 2 kβ¦, dan RE = 1,3 kβ¦
d.
RC = 2,5 kβ¦, dan RE = 2,2 kβ¦
e.
RC = 3 kβ¦, dan RE = 3,2 kβ¦
28. Berdasarkan gambar rangkaian berikut ini, maka nilai titik operasi Q yaitu Arus Basis, dan Arus Collector dengan pendekatan ideal adalah: 203
a.
IB = 10 Β΅A, IC = 1,25 mA
b.
IB = 13 Β΅A, IC = 1,35 mA
c.
IB = 15 Β΅A, IC = 1,5 mA
d.
IB = 17 Β΅A, IC = 1,65 mA
e.
IB = 19 Β΅A, IC = 1,75 mA
29. Pada rangkaian dasar Op- Amp, jika besar tegangan input sama dengan tegangan output, tetapi gelombang sinyal input berbeda fase dengan gelombang sinyal ouput. Op- Amp ini disebut: a.
Inverting amplifier
b.
Non inverting amplifier
c.
Op- Amp sebagai penjumlah
d.
Differensial amplifier
e.
Integrator amplifier
30. Fungsi lain dari transistor adalah sebagai penguat arus. Karena fungsi ini maka transistor bisa dipakai untuk rangkaian power supply dengan tegangan yang di set. Untuk keperluan ini transistor harus dibias tegangan yang konstan pada basisnya, supaya pada emitor keluar tegangan yang tetap. Biasanya untuk mengatur tegangan basis supaya tetap digunakan: a.
Sebuah dioda zener
b.
Sebuah resistor variable
c.
Sebuah capasitor
d.
Sebuah trasformator
e.
Sebuah op-amp
204
F. Kunci Jawaban Tes Formatif KB 1
KB 2
KB 3
KB 4
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10.
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10.
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10.
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10.
A B C A A D B A E A
D C C B A E B E B D
A E C B D E D B C A
A D C D E A C A A B
G. Kunci Jawaban Tes Sumatif 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10.
E E A B C B D D C C
11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. 19. 20.
B C A C A E E D A A
21. 22. 23. 24. 25. 26. 27. 28. 29. 30.
A B C C D B E C A A
11. E 12. A 13. A 14. C 15. B 16. C 17. D 18. C 19. C
205
