Praktikum Rangkaian Elektronika MODUL PRAKTIKUM RANGKAIAN ELEKRONIKA

Transkripsi

1 MODUL PRAKTIKUM RANGKAIAN ELEKRONIKA DEPARTEMEN ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS INDONESIA DEPOK 2010

2 MODUL I DIODA SEMIKONDUKTOR DAN APLIKASINYA 1. RANGKAIAN PENYEARAH & FILTER A. TUJUAN PERCOBAAN Mengamati dan memahami cara kerja beberapa rangkaian dioda sebagai penyearah. B. TEORI Penyearah setengah gelombang adalah rangkaian yang mengubah tegangan AC menjadi tegangan DC berdenyut. Sumber tegangan AC yang biasa digunakan adalah transformator penurun tegangan (step down). Pada siklus positif dari tegangan masukan, dioda akan dibias maju (forward bias) dan pada siklus negatif dari tegangan masukan, dioda akan dibias mundur (reverse bias). Gambar 1.1. Rangkaian penyearah setengah gelombang Tegangan yang muncul di R1 merupakan tegangan DC berdenyut yang memiliki nilai efektif V rms = V M 2 untuk V M = tegangan maksimum. Gambar 1.2 menunjukkan rangkaian penyearah gelombang penuh. Pada siklus positif tegangan masukan, D2 dan D3 dibias maju dan selama siklus negatif, dioda D1 dan D4 dibias maju. Arus yang mengalir melalui tahanan beban memiliki arah yang sama kedua setengah siklus tersebut.

3 Gambar 1.2. Rangkaian penyearah gelombang penuh. Rangkaian filter digunakan untuk mengubah sinyal keluaran penyearah setengah gelombang dan gelombang penuh menjadi tegangan DC yang memiliki ripple kecil. Hal ini dapat diterapkan pada rangkaian sebelumnya dengan menambahkan komponen berupa kapasitor yang dapat menyimpan muatan ketika potensial naik dan melepaskan muatan pada saat potensial turun. Gambar 1.3. Rangkaian penyearah dengan filter C C. Percobaan 1A. Penyearah Setengah Gelombang Alat dan Bahan : 1 buah transformator step down 1 buah dioda (1N4002 / 1N4007 / 1N4148) 1 buah resistor (10K) 1 unit osiloskop Hameg HM probe Unjuk Kerja : 1. Ukur tegangan puncak-ke-puncak (peak-to-peak) dari kumparan sekunder transformator dengan cara menghubungkan probe negatif dari osiloskop ke terminal 0 Volt dan probe positif ke terminal 12 Volt. Atur terlebih dahulu tombol input coupling dari osiloskop (gambar 1.4 tombol no. 29) ke posisi AC.

4 Gambar 1.4 Tombol input coupling dari osiloskop Hameg HM303-6 Bandingkanlah hasil pembacaan osiloskop dengan rating yang tertera pada transformator. Apakah keduanya menunjukkan perbedaan? Mengapa hal itu dapat terjadi? Lalu jenis tegangan apakah yang dibaca oleh osiloskop dan jenis tegangan apakah yang tertera pada transformator? 2. Susun dioda dan resistor seperti gambar 1.1 lalu hubungkan rangkaian tersebut ke terminal transformator yang terdapat pada panel praktikum. 3. Ukurlah tegangan maksimum dari output rangkaian penyearah, yakni tegangan antara titik 2 dan 3 pada gambar 1.1 dengan input coupling dari osiloskop pada posisi DC. Percobaan 1B. Penyearah Gelombang Penuh Alat dan Bahan : 1 buah transformator step down 4 buah dioda (1N4002 / 1N4007 / 1N4148) 1 buah resistor (10K) 1 unit osiloskop Hameg HM probe Unjuk Kerja : 1. Ulangi langkah 1 dari percobaan 1A. 2. Susun keempat dioda dan resistor seperti gambar 1.2 lalu hubungkan rangkaian tersebut ke terminal transformator yang terdapat pada panel praktikum. 3. Ukurlah tegangan maksimum dari output rangkaian penyearah, yakni tegangan antara titik 2 dan 0 pada gambar 1.2 dengan input coupling dari osiloskop pada posisi DC. Percobaan 1C. Penyearah Gelombang Penuh dengan Filter Kapasitor Alat dan Bahan :

5 1 buah transformator step down 4 buah dioda (1N4002 / 1N4007 / 1N4148) 1 buah resistor (10K) 2 buah kapasitor berorde mikrofarad 1 unit osiloskop Hameg HM probe Unjuk Kerja : 1. Ulangi langkah 1 dari percobaan 1A. 2. Susun keempat dioda, resistor, dan kapasitor berorde mikrofarad ( yang lebih rendah nilai kapasitansinya ) seperti gambar 1.3 lalu hubungkan rangkaian tersebut ke terminal transformator yang terdapat pada panel praktikum. Biasanya kapasitor yang dipakai merupakan kapasitor elektrolit. Perhatikan polaritas dari kapasitor yang bersangkutan. Jangan sampai terbalik polaritasnya!!! 3. Ukurlah tegangan maksimum dari output rangkaian penyearah, yakni tegangan antara titik 2 dan 0 pada gambar 1.3 dengan input coupling dari osiloskop pada posisi DC. 4. Ubahlah input coupling dari osiloskop menjadi AC, lalu ukurlah tegangan peak-to-peak dari output rangkaian penyearah. Tegangan yang terukur disini adalah tegangan ripple dari rangkaian penyearah yang bersangkutan. 5. Ulangi langkah 2 dengan menggunakan kapasitor berorde mikrofarad ( yang lebih tinggi nilai kapasitansinya ). 6. Ulangi langkah 3 dan PENJEPIT TEGANGAN (CLAMPING CIRCUIT) TUJUAN PERCOBAAN tegangan. Mengamati dan memahami cara kerja beberapa rangkaian dioda sebagai penjepit TEORI Penjepit tegangan adalah rangkaian yang inputnya berupa gelombang dan bentukvoutputnya sama dengan input namun tegangannya dijepit pada polaritas yang ditentukan. Gambar 2.1 menunjukkan gelombang pada ujung negatif dijepit menjadi nol sehingga

6 menghasilkan output yang positif murni dan gambar 2.2 menunjukkan gelombang pada ujung positif dijepit menjadi nol sehingga menghasilkan output yang negatif murni. JALAN PERCOBAAN 1. Susun rangkaian seperti gambar Ukur tegangan peak-to peak V A dan V B dengan osiloskop dan gambar bentuk gelombangnya. 3. Ulangi prosedur 1 dan 2 untuk rangkaian gambar 2.2 dan RANGKAIAN PEMOTONG TEGANGAN (CLIPPER CIRCUIT) TUJUAN PERCOBAAN Mengamati dan memahami cara kerja beberapa rangkaian dioda sebagai pemotong tegangan. TEORI Pemotong tegangan adalah rangkaian yang inputnya berupa gelombang dan bentuk sinyal outputnya sama dengan sinyal input namun tegangannya dipotong, dimana sinyalnya berada diatas atau dibawah suatu level tegangan yang dijadikan referensi. Gambar 3.1. menunjukkan

7 gelombang pada bagian atas level tegangan yang dijadikan referensi dipotong sehingga outputnya hanya gelombang yang berada di bagian bawah level tegangan referensi. Sedangkan pada gambar 3.2. menunjukkan gelombang pada bagian bawah level tegangan yang dijadikan referensi dipotong sehingga outputnya hanya gelombang yang berada di bagian atas level tegangan referensi. Gambar 3.1. Clipping Sinyal di Atas Level Tegangan Referensi Gambar 3.2. Clipping Sinyal di Bawah Level Tegangan Referensi

8 3.3. Rangkaian Clipping Jalan Percobaan 1. Hubungkan power supply sesuai dengan rangkaian pada gambar Ukur tegangan peak-to peak V A dan V B dengan osiloskop dan gambar bentuk gelombangnya. 3. Ulangi prosedur 1 dan 2 untuk nilai V AC yang berbeda-beda. Peralatan Percobaan 1. AC/DC Power Supply 2. Oscilloscope 3. Protoboard Modul 1: Rangkaian Dioda 4. Kabel Penghubung

9 4. PENGATURAN TEGANGAN (REGULATOR) TUJUAN PERCOBAAN Mengetahui cara kerja suatu pengaturan tegangan. TEORI Pengaturan tegangan dapat dilakukan dengan menggunakan komponen dioda zener yang bekerja pada daerah breakdown dengan karakteristik sebagai berikut: V IN < V breakdown menghasilkan V OUT = V IN V IN > V breakdown menghasilkan V OUT = V breakdown Untuk menetapkan daerah breakdown, dioda zener harus dipasang pada posisi reverse. Gambar 4.1. Rangkaian pengaturan tegangan dengan zener. JALAN PERCOBAAN 1. Susun rangkaian seperti pada gambar Ukur tegangan pada dioda zener (V Z) dengan voltmeter untuk setiap kenaikan tegangan pada catu daya (V IN). 3. Bandingkan tegangan yang diukur tersebut. BAHAN BACAAN Sutanto, Rangkaian Elektronika Analog dan Terpadu. Millman, Jacob & Arvin Grabel, Microelectronics. Millman, Jacob & Christos Halkias, Integrated Electronics.

10 MODUL II BIPOLAR JUNCTION TRANSISTOR TUJUAN PERCOBAAN 1. Memahami prinsip kerja bipolar junction transistor. 2. Mengamati dan memahami DC bias pada transistor. 3. Mengamati dan memahami prinsip kerja transistor bipolar sebagai penguat. 4. Memahami prinsip rangkaian logika melalui BJT TEORI UMUM Transistor merupakan suatu komponen aktif karena dapat melakukan penguatan terhadap sinyal yang masuk. Pada dasarnya penguat transistor bipolar terdiri dari tiga konfigurasi dasar, yaitu common emitter, common collector, dan common base, seperti terlihat pada gambar 1, 2, dan 3. Gambar 1. (a) Rangkaian common-emitor, (b) Rangkaian ekivalen Gambar 2. (a) Rangkaian common-collector, (b) Rangkaian ekivalen

11 Gambar 3. (a) Rangkaian common-base, (b) Rangkaian ekivalen Common Emitter Langkah Percobaan 1. Hubungkan rangkaian penguat CE dengan generator fungsi seperti Gambar 4. Atur agar harga V 1 = 10 volt dan frekuensinya = 1 khz. rg 10k A B VA CE Vg 1k V1 Gambar 4. Rangkaian perubahan CE-1 2. Ulangi langkah 1 di atas dengan frekuensi yang berbeda-beda. Rangkaian logika Selain untuk rangkaian amplifier, transistor juga biasa dalam proses switching. Proses switching digunakan pada aplikasi digital, yaitu unutk merangkai gerbang-gerbang logika, seperti:

12 1. Gerbang NOT 2. Gerbang AND

13 3. Gerbang OR 4. Gerbang NAND

14 5. Gerbang NOR ALAT YANG DIGUNAKAN Power supply DC, multimeter, oscilloscope, bread board, LED, resistor (10K, 1K, 220 Ohm), IC741, IC4558.

15 MODUL III OPERATIONAL AMPLIFIER PERCOBAAN 1 : Op-Amp Sebagai Pembanding (Komparator) TUJUAN PERCOBAAN 1. Mempelajari kerja op-amp sebagai pembanding 2. Mengamati fenomena saturasi pada op-amp saat bekerja tanpa umpan-balik TEORI UMUM Op-amp yang ideal memiliki karakteristik sebagai berikut : 1. resistansi input, Ri = tak hingga 2. resistansi output, Ro = 0 3. selisih tegangan antara masukan membalik dan tak membalik, Vd = 0 4. arus input, Ii = 0 5. penguatan tegangan open-loop, Av = tak hingga Di zaman modern ini, op-amp sudah dikemas dalam bentuk kepingan IC. Salah satu IC op-amp paling legendaris di dunia adalah keluarga IC 741 yang sudah diproduksi oleh banyak perusahaan dengan kode nomor seri yang bervariasi. Tegangan keluaran op-amp dapat dinyatakan dengan persamaan (1) yaitu : Vo = Vd.AOL.(1) dimana : Vo = tegangan output. Vd = selisih tegangan masukan non-inverting dan masukan inverting AOL = penguatan tegangan rangkaian terbuka (tanpa umpan balik) Secara praktis nilai AOL sangat besar sehingga nilai Vd yang sangat kecil dapat menghasilkan Vo yang sangat besar. Namun tegangan yang sangat tinggi tersebut tidak mungkin dicapai karena sudah melebihi nilai tegangan suplai untuk menghidupkan opamp tersebut. Akibatnya, tegangan output yang mungkin muncul pada sebuah op-amp hanya berayun di antara nilai suplai tegangan positif (+VCC) dan negatifnya (-VCC). Suatu keadaan dimana tegangan output dari op-amp hampir sama dengan tegangan suplainya dinamakan kondisi saturasi. Pada saat terjadi saturasi, tegangan output cenderung tetap dan tidak akan bisa bertambah lagi meskipun tegangan input dinaikkan.

16 ALAT YANG DIGUNAKAN Op-Amp Motorola MC1741CP1 (2 buah), Osiloskop, Function Generator, Catu daya DC, Resistor 1K (2 buah), 220R (2 buah), LED (2 buah). LANGKAH PERCOBAAN 1. Susun rangkaian seperti Gambar Aturlah Vi dengan cara mengatur catu daya DC sebesar 1 Volt. Amati LED mana yang menyala dan padam. 3. Ulangi langkah 2 diatas untuk nilai Vi = 2, 3, 4, dan 5 Volt. Gambar 4.1 Rangkaian Pembanding PERCOBAAN 2 : Op-Amp Sebagai Penguat TUJUAN PERCOBAAN

17 1. Mempelajari kerja op-amp sebagai penguat. 2. Memodelkan op-amp sebagai sebuah voltage-controlled voltage source (VCCS) TEORI UMUM Secara umum, ada dua jenis konfigurasi penguat yang menggunakan op-amp yaitu penguat membalik (inverting amplifier) dan penguat tak-membalik (non-inverting amplifier). Gambar 4.2 menunjukkan rangkaian inverting amplifier dan gambar 4.3 menunjukkan rangkaian non-inverting amplifier. Besarnya penguatan yang terjadi, ditentukan oleh nilai dan konfigurasi rangkaian umpan-balik yang dipasang antara output dan input op-amp tersebut. ALAT YANG DIGUNAKAN Op-Amp Motorola MC1741CP1, Osiloskop, Function Generator, Resistor. LANGKAH PERCOBAAN A. Percobaan penguat pembalik 1. Susun rangkaian seperti Gambar Aturlah tegangan V1 yang berasal dari function generator hingga menghasilkan gelombang sinusoid dengan amplitudo 1 Vpp dan frekuensi 100 Hz. Nilai R1 dan R2 ditentukan oleh asisten. 3. Lihat Vo pada oscilloscope. Catat amplitudo dari tegangan output dan amati juga pergeseran fasa yang mungkin terjadi pada output. 4. Ulangi langkah 2 dan 3 dengan nilai R2 yang berbeda. B. Percobaan penguat tak membalik 1. Susun rangkaian seperti pada Gambar Lakukan langkah 2-4 seperti pada percobaan A.

18 Gambar 4.2 Penguat pembalik Gambar 4.3 Penguat tak membalik PERCOBAAN 3 : INTEGRATOR TUJUAN PERCOBAAN 1. Mempelajari arti fisis dari proses integarasi gelombang sinusoid dan non-sinusoid serta pengaruh proses integrasi terhadap amplitudo dan sudut fasanya. TEORI UMUM Integrator merupakan sebuah rangkaian yang digunakan untuk mengimplementasikan proses pengintegralan dari suatu sinyal yang dinyatakan dengan fungsi matematis tertentu. Output dari sebuah integrator merupakan integral dari inputnya tehadap waktu. Integrator seperti pada gambar 1 biasa dipakai untuk pengubahan bentuk gelombang, misalnya membentuk gelombang segitiga dari gelombang persegi dan sebaliknya.

19 Gambar 4.4 Rangkaian integrator sederhana Secara matematis, hubungan antara tegangan output dan tegangan input dari rangkaian pada gambar 4.4 tersebut adalah : Gambar 4.5 menunjukkan rangkaian integrator yang akan digunakan pada praktikum. Peralihan fungsi dari penguat membalik ke integrator terjadi pada saat XC = R2 dengan frekuensi transisi : Pembuktian persamaan 3 tersebut dapat dilakukan dengan analisa rangkaian pada domain frekuensi (domain s) untuk mendapatkan transfer function dari integrator tersebut. Frekuensi transisi dapat dicari dengan membaca bode plot dari transfer function tersebut. Bode plot dapat dibuat dengan bantuan software MATLAB. Berikut adalah tabel sinyal output ideal yang dihasilkan oleh integrator tersebut.

20 Gambar 4.5 Rangkaian percobaan integrator ALAT YANG DIGUNAKAN Op-Amp Motorola MC1741CP1, Osiloskop, Function Generator, Resistor (2 buah), Kapasitor.

21 LANGKAH PERCOBAAN 1. Susun rangkaian integrator seperti pada gambar 4.5 dengan nilai R, R1, dan C yang ditentukan oleh asisten. Tegangan suplai op-amp = 15 Volt. 2. Atur generator untuk gelombang sinusoid dengan amplitudo 1 Vpp dan frekuensi yang ditentukan oleh asisten. 3. Amati gelombang input dan outputnya, seperti pada tabel 1. Bagaimana amplitudo dan fasanya? Catat hasilnya pada lembar data. 4. Ulangi langkah 2 dan 3 untuk frekuensi yang berbeda. 5. Ulangi langkah 2 sampai 4 untuk gelombang segitiga dan persegi. 6. Ubah nilai resistor R1 sesuai petunjuk asisten. 7. Ulangi langkah 2 sampai 5. PERCOBAAN 4 : DIFFERENSIATOR TEORI UMUM Differensiator pada gambar 4.6 adalah rangkaian yang menghasilkan sinyal keluaran yang berupa turunan dari sinyal masukannya. Sinyal keluaran yang dihasilkan sangat bergantung pada frekuensi sinyal masukan. Gambar 4.6 Rangkaian differensiator sederhana

22 Hubungan matematis antara tegangan output dan input dari rangkaian tersebut adalah Frekuensi transisinya adalah

23 Gambar 4.7 Rangkaian differensiator percobaan ALAT YANG DIGUNAKAN Op-Amp Motorola MC1741CP1, Osiloskop, Function Generator, Resistor (2 buah), Kapasitor. LANGKAH PERCOBAAN 1. Susun rangkaian differensiator seperti pada gambar 4.7 dengan nilai R, R1, dan C yang ditentukan oleh asisten. Tegangan suplai op-amp = 15 Volt. Praktikum Rangkaian Elektronika Modul IV 2. Atur generator untuk gelombang sinusoid dengan amplitudo 1 Vpp dan frekuensi yang ditentukan oleh asisten. 3. Amati gelombang input dan outputnya, seperti pada tabel 2. Bagaimana amplitudo dan fasanya? Catat hasilnya pada lembar data. 4. Ulangi langkah 2 dan 3 untuk frekuensi yang berbeda. 5. Ulangi langkah 2 sampai 4 untuk gelombang segitiga dan persegi. 6. Ubah nilai resistor R1 sesuai petunjuk asisten. 7. Ulangi langkah 2 sampai 5.

24 BAHAN BACAAN Kissel, Thomas E., Industrial Electronics, Applications for Programmable Controllers, Instrumentation and Process Control, and Electrical Machines and Motor Controls, 3rd edition, Chapter 8. Sutanto, Rangkaian Elektronika Analog dan Terpadu. Millman, Jacob & Arvin Grabel, Microelectronics. Millman, Jacob & Christos Halkias, Integrated Electronics. Chapter 15, 16 Malvino, Albert Paul, Electronic Principles, 7th edition, Chapter 17, 18, 20, 22