Job Sheet Matching Impedance Elkakom [PDF]

Citation preview

UNIT 4



IMPEDANCE MATCHING CIRCUIT 4.1 Tujuan :







Mengetahui desain Impedance matching Circuit Tipe L,T, π







Menghitung daya sumber IMC tipe L, T, π







Menghitung daya beban IMC tipe L, T, π



4.2 Alat dan Bahan Papan PCB ukuran 12 x 17



3 buah



Resistor 100 Ω, 1000 Ω, 2200 Ω



3 buah



Induktor 100 µH, 330 µH



3 buah



Kapasitor 100 pF, 39 pF, 10 nF, 33 nF



3 buah



Banana socket



Secukupnya



Osciloskop



1 buah



Generator Fungsi



1 buah



2.2 Landasan Teori Dalam upaya pembuatan sistem ini, didukung oleh beberapa teori dasar yang menunjang pokok bahasan mengenai perencanaan dari sistem yang akan di buat. 2.2.1 Impedansi Impedansi listrik atau secara singkat sering disebut dengan impedansi adalah ukuran hambatan listrik pada sumber arus bolak-balik (AC atau alternating current). Impedansi listrik juga sering disebutkan sebagai jumlah hambatan listrik sebuah komponen elektronik terhadap aliran arus dalam rangkaian pada frekuensi tertentu. Sedangkan di wikipedia, impedansi listrik atau electrical impedance didefinisikan sebagai ukuran penolakan terhadap arus bolak-balik sinusoid. impedansi atau dalam bahasa Inggris disebut dengan impedance ini biasanya dilambangkan dengan huruf Z.



1



Seperti yang disebutkan sebelumnya, impedansi adalah ukuran hambatan listrik pada sumber arus bolak-balik sedangkan yang dimaksud dengan resistansi adalah kemampuan suatu bahan benda untuk menghambat atau mencegah aliran arus listrik. Impedansi pada dasarnya lebih kompleks daripada resistansi karena adanya efek kapasitansi dan induktansi yang bervariasi dengan frekuensi arus yang melewati rangkaian. Singkatnya, impedansi adalah bentuk resistansi yang tergantung pada frekuensi. Impedansi dan resistansi memiliki persamaan yaitu hambatan listrik yang dimiliki oleh sebuah komponen terhadap arus listrik dan sama-sama menggunakan ohm (Ω) sebagai satuan unit pengukurannya. Namun berbeda dengan resistansi, jumlah hambatan listrik pada impendansi akan berubah seiring dengan perubahan frekuensi sinyal. Ini menandakan bahwa tahanan atau hambatan suatu komponen akan bervariasi tergantung pada frekuensi sinyal yang masuk ke komponen tersebut. Jadi sangat jelas bahwa resistansi adalah nilai dan ukuran yang tidak tergantung pada frekuensi. Resistansi tidak memperhitungkan frekuensi sinyal yang melewatinya, karena pada dasarnya frekuensi tidak akan mempengaruhi ketahanan komponen yang tidak reaktif. Berbeda dengan komponen reaktif yang jumlah hambatan listriknya dapat berubah tergantung pada frekuensi inputnya. Impedansi akan bervariasi sesuai dengan frekuensi sinyal yang masuk. Inilah letak perbedaan antara resistansi (resistance) dan impedansi (impedance).[2] 2.2.2 PCB PCB adalah singkatan dari Printed Circuit Board yang dalam bahasa Indonesia sering diterjemahkan menjadi papan rangkaian cetak atau papan sirkuit cetak. Seperti namanya yaitu papan rangkaian tercetak (Printed Circuit Board), PCB adalah papan yang digunakan untuk menghubungkan komponen-komponen elektronika dengan lapisan jalur konduktornya. PCB ditemukan oleh seorang ilmuwan Austria yang bernama Paul Eisler pada tahun 1936. Paul Eisler menggunakan PCB pertama kalinya di sebuah rangkaian radio. Kemudian pada tahun 1943, Amerika Serikat



mulai



memanfaatkan teknologi PCB ini pada radio militer dalam skala yang lebih besar. Tiga tahun setelah perang dunia kedua yaitu pada tahun 1948, PCB mulai



2



digunakan untuk produk-produk komersil oleh perusahaan-perusahaan Amerika Serikat. Secara struktur, PCB terdiri dari beberapa lapisan dan dilaminasi menjadi satu kesatuan yang disebut dengan PCB. Ada PCB yang berlapis satu lapisan tembaga (single sided), ada juga yang berlapis dua lapisan tembaga (double sided) dan ada juga PCB yang memiliki beberapa lapisan tembaga atau sering disebut dengan multilayer PCB.[3] 2.2.3 Resistor Resistor digunakan dalam rangkaian elektronik komponennya terbuat dari bahan isolator yang didalamnya terdapat nilai seseuai nilai hambatan yang dibutuhkan bentuknya dapat ditunjukan pada gambar 2. resistor tetap. Resistor ini didesain dengan dua kutub yang berguna dalam menahan arus listrik jika dialiri oleh tegangan listrik diantara kedua kutubnya. Nilai tegangannya berbanding dengan arus listrik yang mengalir sesuai dengan hukum ohm yaitu V=IR. Satuan dari resistensi sebuah resistor bersifat resistif dilambangkan dengan Ohm dengan simbol Ω (Omega).



Gambar 2. 1 Resistor Tetap [4] Fungsi Resistor: Adapun fungsi resistor yang sering diketahui adalah sebagai penghambat arus listrik yang mengalir suatu rangkaian elektronik. Adanya resistor ini dapat menyebabkan arus listrik tersalurkan sesuai kebutuhan. Fungsi resistor antara lain: 



Membagi, membatasi dan mengatur arus dalam suatu rangkaian







Menurunkan tegangan sesuai kebutuhan yang diperlukan oleh rangkaian elektronika.







Membagi tegangan.



2.2.4 Kapasitor Kapasitor (capacitor) atau disebut juga dengan kondensator (condensator) adalah komponen elektronika pasif yang dapat menyimpan muatan listrik dalam waktu sementara dengan satuan kapasitansinya adalah farad. Satuan kapasitor



3



tersebut diambil dari nama penemunya yaitu Michael Faraday (1791 ~ 1867) yang berasal dari Inggris. Namun farad adalah satuan yang sangat besar, oleh karena itu pada umumnya kapasitor yang digunakan dalam peralatan elektronika adalah satuan farad yang dikecilkan menjadi pikofarad, nanofarad dan microfarad. Konversi Satuan Farad adalah sebagai berikut : 1 Farad = 1.000.000µf (mikro Farad) 1µf = 1.000nf (nano Farad) 1µf = 1.000.000pf (piko Farad) 1nf = 1.000pf (piko Farad) Kapasitor merupakan komponen elektronika yang terdiri dari 2 pelat konduktor yang pada umumnya adalah terbuat dari logam dan sebuah Isolator diantaranya sebagai pemisah. Dalam rangkaian elektronika, kapasitor disingkat dengan huruf “C”.[5] 2.2.5 Induktor Induktor merupakan komponen elektronika pasif yang sering ditemukan dalam rangkaian elektronika, terutama pada rangkaian yang berkaitan dengan frekuensi radio. Induktor atau dikenal juga dengan coil adalah komponen elektronika pasif yang terdiri dari susunan lilitan kawat yang membentuk sebuah kumparan. Pada dasarnya, induktor dapat menimbulkan medan magnet jika dialiri oleh arus listrik. Medan magnet yang ditimbulkan tersebut dapat menyimpan energi dalam waktu yang relatif singkat. Dasar dari sebuah induktor adalah berdasarkan hukum induksi faraday. Kemampuan induktor atau coil dalam menyimpan energi magnet disebut dengan induktansi yang satuan unitnya adalah Henry (H). Satuan henry pada umumnya terlalu besar untuk komponen induktor yang terdapat di rangkaian elektronika. Oleh karena itu, satuan-satuan yang merupakan turunan dari henry digunakan untuk menyatakan kemampuan induktansi sebuah induktor atau coil. Satuan-satuan turunan dari henry tersebut diantaranya adalah milihenry (mH) dan microhenry (µH). Simbol yang digunakan untuk melambangkan induktor dalam rangkaian elektronika adalah huruf “L”. [6]



4



2.2.6 Teori Transfer Daya Maksimum Transfer daya maksimum terjadi jika nilai resistansi beban sama dengan nilai resistansi sumber, baik dipasang seri dengan sumber tegangan ataupun dipasang paralel dengan sumber arus dan nilai reaktansi sumber adalah negatif dari nilai reaktansi beban. Daya listrik ditransfer dari satu tempat ke tempat lainnya melalui saluran transmisi. Saluran transmisi meliputi impedansi, oleh sebab itu arus listrik yang mengalir akan menimbulkan rugi daya yang sepanjang saluran. Pada umumnya dikehendaki meminimalkan rugi daya tersebut, sehingga daya yang sampai ke tujuan semaksimal mungkin. Perhatikan gambar rangkaian yang merupakan suatu model sistem transfer daya maksimum.



Gambar 2. 2 Rangkaian Elektronika [7] ZS adalah impedansi saluran yang sudah ada jadi tetap. Hendak ditentukan beban ZB supaya daya yang diterimanya maksimum. Biarkan ZS = RS+jXS dan ZB = RB+jXB . RS dan XS sudah ada, jadi dianggap tetap, RB dan XB dapat diubah secara bebas. Daya aktif beban adalah :



Supaya PB maksimum, penyebut suku terakhir haruslah minimum yaitu salah satu persyaratan haruslah XB = -XS. Persoalan menjadi : maksimumkan PB dengan merubah-rubah RB. Haruslah dipenuhi persyaratan : dPB/dRB = 0.



5



Jadi persyaratan yang harus dipenuhi supaya daya yang ditransfer maksimum adalah ZB = ZS* Yaitu impedansi beban dan impedansi saluran transmisi (termasuk impedansi sumber) saling berkonjugasi. [7] 2.1.7 Penyesuai Impedansi Bentuk L a. Impendansi hanya komponen resistif Rumus yang digunakan : QS  Q P 



RP -1 RS



QS 



XS RS



QP 



RP XP



Gambar 2. 3 Rangkaian Penyesuai Impedansi Bentuk L[8] Keterangan : Qs = Faktor kualitas seri



Rp = Resistansi paralel



Xs = Reaktansi Seri = Xc



Rs = Resistansi seri = Rc



Xp = Reaktansi Pararel Qp = Faktor kualitas paralel



6



b. Bila impendansi sumber atau beban bilangan kompleks: Terdapat 2 prinsip dasar yaitu absorpsi dan resonansi. Dasar perhitungan masih menggunakan sumber atau beban bilangan riil (resistif saja). Pertama adalah absorbsi, langkah-langkah : 1. Menganggap impendansi beban dan impendansi sumber hanya komponen resistif. 2. Menghitung Xc-total (atau Xseri total) dan Xp-total 3. Melakukan absorbsi sehingga: j(XS + XC’) = jXseri total (untuk komponen induktif) j(XL // XP’) = jXparalel total (untuk komponen kapasitif) XC’ dan XP’ adalah hasil yang dihitung. Kedua adalah resonansi, langkah-langkah : 1. Menghitung harga Xrl dan Xrs agar pada beban dan sumber terjadi resonansi (menghilangkan komponen imajiner pada beban dan sumber). 2. Setelah terjadi resonansi pada beban dan sumber, menghitung Xp’ dan Xc’. (menggunakan: impendansi beban = Rl dan impendansi sumber = Rs) 3. Menghitung Xc’ seri-dengan Xrs maupun Xp’ paralel-dengan Xrl. [8] 2.2.8 Penyesuai Impedansi Bentuk T



Gambar 2. 4 Rangkaian Penyesuai Bentuk T [8] Q 



Rv - 1 Rv (Rvirtual) ditentukan harus lebih besar dari Rs maupun R kecil



Rl dan dihitung berdasarkan Q yang diinginkan.



Rkecil = Pilih



yang kecil [Rs, Rl]. Q 



Rv -1 R kecil



Xc1 dan Xp1 menyepadankan Rs dengan Rv;



Xc2 dan Xp2 menyepadankan Rv



dengan Rl. Xp1 dan Xp2 dapat digabungkan menjadi satu komponen. [8]



7



2.2.9 Penyesuai Impedansi Bentuk π



Gambar 2. 5 Penyesuai Impedansi Benrtuk π [8]



Q 



R besar -1 Rv



Langkah langkah; Rv (Rvirtual) ditentukan harus lebih kecil



dari Rs maupun Rl dan dihitung berdasarkan Q yang diinginkan. Rbesar = Pilih yang besar [Rs, Rl]. Xc1 dan Xp1 menyepadankan Rs dengan Rv. Xc2 dan Xp2 menyepadankan Rv dengan Rl. Xc1 dan Xc2 dapat digabungkan menjadi satu komponen. [8] 4.3 Prosedur Percobaan A. Impedance Matching Circuit Tipe L 1. Buat rangkaian seperti berikut :



Spesifikasi: - frekuensi 5 MHz - Rsumber 100 Ω, - Rbeban = 1000 Ω. 2. Hitung Nilai komponen L1 dan C1 ? 3. Rangkai rangkaian yang diperoleh dari prosedur 1 dan 2 4. Atur Generator Fungsi dengan frekuensi 1 MHz tegangan 10 Vpp 5. Lihat dan catat hasil tegangan sumber dan beban



8



6. Ubah nilai frekuensi dengan 2 MHz, 3 MHz, 4 Mhz, dan 5 MHz. 7. Lihat dan catat setiap perubahan frekuensi untuk nilai tegangan sumber dan beban pada Tabel 4.1 6. Hitung nilai daya sumber dan beban dengan rumus P = V 2/Z 7. Bandingkan nilai daya sumber dan beban



Tabel 4. 1 Hasil Perhitungan Daya IMC Tipe L No.



Frekuensi GF (MHz)



1. 2. 3. 4. 5.



1 2 3 4 5



Tegangan Sumber (V)



Tegangan Beban (V)



Daya Sumber (Watt)



Daya Beban (Watt)



Transfer Daya (%)



B. Impedance Matching Circuit Tipe T 1. Buat rangkaian seperti berikut :



Gambar 4.2Impedance Matching Circuit Tipe T Spesifikasi: Q = 10, Rsumber 100 Ω, Rbeban = 1000 Ω, frekuensi 5 MHz. 2.Hitung nilai komponen L1 dan L2 dan C1 3. Rangkai rangkaian yang diperoleh dari prosedur 1 dan 2 4. Atur Generator Fungsi dengan frekuensi 1 MHz tegangan 10 Vpp 5. Lihat dan catat hasil tegangan sumber dan beban 6. Ubah nilai frekuensi dengan 2 MHz, 3 MHz, 4 Mhz, dan 5 MHz. 7. Lihat dan catat setiap perubahan frekuensi untuk nilai tegangan sumber dan beban pada Tabel 4.1 6. Hitung nilai daya sumber dan beban dengan rumus P = V 2/Z 9



7. Bandingkan nilai daya sumber dan beban



Tabel 4. 1 Hasil Perhitungan Daya IMC Tipe T No.



Frekuensi GF (MHz)



1. 2. 3. 4. 5.



1 2 3 4 5



Tegangan Sumber (V)



Tegangan Beban (V)



Daya Sumber (Watt)



Daya Beban (Watt)



Transfer Daya (%)



B. Impedance Matching Circuit Tipe 1. Buat rangkaian seperti berikut :



Gambar 4.3 Impedance Matching Circuit Tipe π Spesifikasi: Q = 10, Rsumber 100 Ω, Rbeban = 1000 Ω, frekuensi 5 MHz.



2.Hitung nilai komponen L1 dan C1 dan C2 3. Rangkai rangkaian yang diperoleh dari prosedur 1 dan 2 4. Atur Generator Fungsi dengan frekuensi 1 MHz tegangan 10 Vpp 5. Lihat dan catat hasil tegangan sumber dan beban 6. Ubah nilai frekuensi dengan 2 MHz, 3 MHz, 4 Mhz, dan 5 MHz. 7. Lihat dan catat setiap perubahan frekuensi untuk nilai tegangan sumber dan beban pada Tabel 4.1 6. Hitung nilai daya sumber dan beban dengan rumus P = V 2/Z 7. Bandingkan nilai daya sumber dan beban



10



Tabel 4. 1 Hasil Perhitungan Daya IMC Tipe π No.



Frekuensi GF (MHz)



1. 2. 3. 4. 5.



1 2 3 4 5



Tegangan Sumber (V)



Tegangan Beban (V)



11



Daya Sumber (Watt)



Daya Beban (Watt)



Transfer Daya (%)