Elektronika Tak Linier. Yuliman Purwanto 2017

Transkripsi

1 Elektronika Tak Linier Yuliman Purwanto 2017

2 Silabi 1. Pendahuluan : komponen tak linier. 2. Teorema Dioda : dioda penyearah, dioda zener, dioda terobos (tunnel dioda), varactor, LED. 3. Teorema transistor : pra-tegangan, titik kerja, penguat tak linier 4. Rangkaian tak linier : RL, RC, RLC, tanggapan frekuensi, untai resonansi. 5. Rangkaian operasional : penunda, pemotong, pembatas, pembanding. 6. Multivibrator : monostabil, bistabil, astabil, penyulut Schmitt (Schmitt trigger) 7. Osilator : sinusoidal, non-sinusoidal.

3 Pustaka J. Millman and C. C. Halkias, Electronic Devices and Circuits, McGraw-Hill, J. Millman and C. C. Halkias, Integrated Electronics, McGraw-Hill, J. Millman and H.Taub, Pulse, Digital and Switching Waveforms, McGraw-Hill, Leonard Strauss, Wave Generationg and Shaping, McGraw-Hill, Adel S. Sedra dan Kenneth C. Smith, Microelectronics Circuit, 5th ed., Oxford University Press, 2011.

4 PENDAHULUAN Komponen Elektronik tak Linier Induktor Kapasitor Semikonduktor : dioda, transistor, FET

5 Induktor (kumparan, koil) Induktor : komponen pasif elektronika yang tersusun dari lilitan kawat (dengan inti besi maupun tanpa inti) yang bisa menghasilkan medan magnet bila dialiri arus listrik dan sebaliknya bisa menghasilkan listrik bila diberi medan magnet. Sifat : Bereaksi terhadap sinyal AC, yakni nilai impedansi/ reaktansi akan meningkat dengan meningkatnya frekuensi sinyal Z L = jwl Fungsi : Komponen pembentuk tapis (filter) Komponen pembentuk resonator Penaik dan penurun tegangan AC Penghasil medan magnetik

6 Karakteristik Induktor

7 Contoh Induktor

8 Kapasitor (kondensator) Kondensator : komponen pasif elektronika yang tersusun dari 2 lempengan logam (baik dengan dielektrik maupun tidak) yang bisa menyimpan medan listrik. Sifat : Bereaksi terhadap sinyal AC, yakni nilai impedansi/ reaktansi akan menurun dengan meningkatnya frekuensi sinyal Z C = 1/jwC Fungsi : Komponen pembentuk tapis (filter) Komponen pembentuk resonator Komponen pengeblok sinyal DC Penghasil medan listrik

9 Karakteristik Kapasitor

10 Contoh Kapasitor

11 Semikonduktor Struktur Atom Silikon (Si) dan Germanium (Ge) Ikatan kovalen

12 Semikonduktor (Si) jenis N Semikonduktor (Si) jenis P

13 P-N Junction

14 Dioda Dioda : komponen pasif elektronika yang terbentuk dari bahan semikonduktor p-n yang mampu mengalirkan arus pada satu arah. Sifat : Mengalirkan arus listrik pada satu arah dan menahan arus listrik pada arah sebaliknya. Fungsi : Penyearah arus AC Pembatas arus DC Pendeteksi sinyal radio termodulasi Sebagai kapasitor variabel (varactor)

15 Karakteristik dioda Dioda standar : Dioda terowongan (tunnel diode) : Dioda zener : SCR :

16 Karakteristik dioda SCR :

17 Jenis Dioda Dioda sinyal kecil Dioda penyearah Dioda zener Dioda terowongan/esaki Dioda varactor/varicap Dioda foto Dioda kontak titik/kristal Dioda penyearah terkendali silikon (SCR) Dioda pancar cahaya (LED, LASER) Dioda Gunn Dioda PIN Dioda Schottky Dioda Shockley Dioda Peltier Thyristor : Diac, Triac

18 Contoh Dioda

19 Rangkaian dioda Pendeteksi sinyal

20 Rangkaian dioda Penyearah ½ gelombang

21 Penyearah gelombang penuh

22 Penyearah gelombang penuh dengan tapis kapasitor

23 Rangkaian pemantap tegangan dengan dioda

24 Dioda varactor Karakteristik : Kapasitansi :

25 Aplikasi dioda varactor : FM modulator Tegangan dari sumber informasi (modulating signal) akan mengubah nilai kapasitansi varactor C D yang terpasang paralel dengan tank circuit (rangkaian tertala) pada rangkaian osilator. Perubahan nilai kapasitansi akan langsung mengubah nilai frekuensi resonansi sesuai rumus :

26 Dioda terowongan

27 Aplikasi SCR : pengendali putaran motor

28 Aplikasi diode PIN : saklar elektronik tegangan tinggi

29 Aplikasi dioda foto : pendeteksi gelap

30 Tugas! Buatlah film pendek tentang bahan pembentuk, karakteristik dan contoh aplikasi dari beberapa jenis dioda (lihat materi di pembagian kelompok). Panjang film minimum 5 menit dan diunggah di Youtube. Beri nama file : Kelompok... Tugas Elektronika tak Linier Fakultas Teknik UDINUS Batas waktu pengunggahan : 5 April Film akan diputar di kelas (on line) dan didiskusikan.

31 Pembagian Kelompok 1. Kelompok 1 : Revaldi, Yullyandre, Angga Indrias, Guntur. Materi : dioda sinyal kecil, dioda penyearah dan dioda zener. 2. Kelompok 2 : Yuda Agustanto, Eki Yuni, Iskandar Wibowo, Nurul Wafa. Materi : dioda terowongan/esaki, dioda varactor/varicap, dioda foto. 3. Kelompok 3 : Qodri Andrian, Herdian Fajar, Satria Yoda, Andriyanto. Materi : dioda kontak titik/kristal, dioda penyearah terkendali silikon (SCR), dioda pancar cahaya LED. 4. Kelompok 4 : Rahmat S., Agung Budi H, Rois M, Gilang Ardi. Materi : dioda LASER, dioda Gunn, dioda PIN 5. Kelompok 5 : Dicky Setya, Bagas F, Agung Dwiyanto, Nova Andriawan. Materi : dioda Schottky, dioda Shockley, dioda Peltier 6. Kelompok 6 : Veronica Tia P, Ariefi Putri Herlino, Nindi Devi. Materi : dioda thyristor jenis Diac, jenis Triac, dioda super barrier.

32 Transistor Transistor : komponen aktif elektronika yang terbentuk dari bahan semikonduktor p-n-p, n-p-n, atau efek medan (p atau n) yang mampu menguatkan sinyal masukan, atau berfungsi sebagai saklar. Sifat : Menguatkan sinyal masukan Memutus-sambung arus listrik Fungsi : Penguat sinyal Penyangga sinyal Saklar arus Jenis : Bipolar Junction Transistor : PNP, NPN Field Effect Transistor (FET) : N-type, P-type

33 Transistor IGFET MOSFET

34 Simbol

35 Contoh transistor

36 Jenis casing transistor

37 Karakteristik Transistor Bipolar

38 Karakteristik Transistor JFET

39 Karakteristik Transistor MOSFET

40 Pra-tegangan (bias) Transistor Tujuan : Menentukan garis beban (titik kerja). Menentukan kategori kelas penguat menentukan daerah kerja (garis beban) transistor. Garis beban : perbandingan arus kolektor I C dan besarnya tegangan kolektor-emiter V CE. Garis beban dibedakan atas : garis beban DC dan garis beban AC. Cara memberikan pra-tegangan : 1. Pra-tegangan Basis. 2. Pra-tegangan Pembagi Tegangan. 3. Pra-tegangan Umpan Balik Emitter. 4. Pra-tegangan Umpan Balik Kolektor. 5. Pra-tegangan Emiter.

41 Besaran Properti Transistor V CEO : tegangan maksimal kolektor-emiter dalam keadaan basis terbuka Tegangan kerja antara kolektor dan emitor harus berada di bawah nilai V CEO. I C : arus maksimal yang mengalir pada kolektor Besar arus maksimal ini tidak boleh dilampaui. P d max : disipasi daya maksimal transistor Daya yang dibebankan kepada transistor harus berada di bawah nilai P d. f T : frekuensi maksimal dari sinyal yang bisa ditangani transistor Transistor tidak bisa bekerja dengan sinyal berfrekuensi di atas f T. h FE : nilai penguatan (gain) arus DC. Arus basis akan mempengaruhi besar arus pada kolektor, karena I C = I B x h FE. h fe : nilai penguatan (gain) arus AC (sinyal yang diproses). Nilai h FE dan h fe bisa tidak sama.

42 Contoh Datasheet Transistor 2N2222

43 Contoh Datasheet Transistor 2N2222 (lanjut)

44 Contoh Datasheet Transistor 2N2222 (lanjut)

45 Pra-tegangan Basis Sumber Luar : Di mana b = h FE transistor. Maka garis beban DC-nya : Basis diberi tegangan buka dari sumber luar yang akan menghasilkan arus basis I B. Arus basis akan menentukan besarnya arus kolektor I C dan besarnya tegangan kolektoremiter V CE.

46 Pra-tegangan Pembagi Tegangan : Tegangan basis : Tegangan emiter : Arus emiter : Menentukan arus kolektor : Transistor jenuh V CE = 0, I C = I E ; Transistor cutoff I C = 0

47 Pra-tegangan Umpan Balik Emiter : Menentukan arus kolektor : Garis beban DC :

48 Pra-tegangan Umpan Balik Kolektor : Menentukan arus kolektor : Garis beban DC :

49 Pra-tegangan Emiter : Pada emiter diberikan tegangan dari sumber luar. Menentukan arus emiter : Garis beban DC :

50 Contoh : Gambarkan garis beban DC untuk rangkaian transistor di bawah ini. Jawab : Maka garis beban DC-nya :

51 Klasifikasi Penguat Berdasarkan konfigurasi transistornya : 1. Penguat emiter bersama (common emitter/ce amplifier) 2. Penguat kolektor bersama (common collector/cc amplifier) 3. Penguat basis bersama (common base/cb amplifier) Berdasarkan sinyal masukannya : 1. Penguat sinyal kecil (small signal amplifier) 2. Penguat sinyal besar (large signal amplifier) Berdasarkan jenis keluarannya 1. Penguat tegangan (voltage amplifier) 2. Penguat arus (current amplifier) 3. Penguat daya (power amplifier) Berdasarkan komponen aktifnya : 1. Penguat transistor bipolar 2. Penguat efek medan (FET) Berdasarkan jumlah tingkatnya : 1. Penguat satu tingkat (single stage amplifier) 2. Penguat bertingkat banyak (multistage amplifier)

52 Klasifikasi Penguat (lanjut) Berdasarkan kondisi pengoperasiannya : 1. Penguat kelas A 5. Penguat kelas D 2. Penguat kelas B 6. Penguat kelas E, F 3. Penguat kelas AB 7. Penguat kelas G, H 4. Penguat kelas C 8. Penguat kelas S Berdasarkan frekuensi kerjanya : 1. Penguat frekuensi audio (audio frequency/af amplifier) 2. Penguat frekuensi menengah (intermediate frequency/if amplifier) 3. Penguat frekuensi radio (radio frequency/rf amplifier) Berdasarkan metoda kopling/penyambungan antar tingkatnya : 1. Penguat kopling langsung (direct coupling/dc amplifier) 2. Penguat kopling kapasitor 3. Penguat kopling transformator Berdasarkan lebar pita frekuensinya : 1. Penguat berpita sempit (narrow band amplifier) 2. Penguat berpita lebar (wide band amplifier)

53 Karakteristik : Konfigurasi basis bersama : menghasilkan penguatan tegangan namun tidak menghasilkan penguatan pada arus. Konfigurasi kolektor bersama (disebut juga sebagai pengikut emiter (emitter follower) menghasilkan penguatan tegangan mendekati 1. Konfigurasi emiter bersama merupakan konfigurasi penguat transistor yang paling sering digunakan karena menghasilkan penguatan tegangan dan arus secara bersamaan.

54 Penguat tegangan : Penguat arus : Penguat daya :

55 Penguat frekuensi audio : Penguat frekuensi menengah : Penguat frekuensi radio :

56 Penguat kopling langsung: Penguat kopling kapasitor : Penguat kopling transformator :

57 Penguat pita sempit : Penguat pita lebar : Aplikasi : penguat RF pada stasiun pemancar radio. Aplikasi : penguat/booster penerima radio/tv.

58 Kelas Penguat Transistor Berdasarkan titik kerjanya secara prinsip penguat transistor dibagi menjadi tiga kelas : 1. Penguat Kelas A : garis beban ada di daerah aktif (di tengahtengah) dengan V CE = setengah V CC. 2. Penguat Kelas B : garis beban ada di daerah cut off sehingga untuk mengaktifkan transistor diperlukan tegangan buka yang cukup dari sinyal masukan. 3. Penguat AB : garis beban ada di daerah cut off tetapi mendekati daerah aktif sehingga untuk mengaktifkan transistor hanya diperlukan tegangan buka yang kecil dari sinyal masukan. 4. Penguat Kelas C : garis beban ada di daerah di bawah cut off sehingga untuk mengaktifkan transistor diperlukan tegangan buka dari sinyal yang lebih besar dibanding dengan Kelas B.

59 Penguat Kelas A : Rangkaian dasar : Transistor diberi pra-tegangan maju sehingga selalu siap untuk memperkuat sinyal masukan. Walau tanpa sinyal masukan, daya (DC) tetap terdisipasi efisiensi rendah.

60 Penentuan titik kerja : Garis beban dan titik kerja : Misalkan : V CC = 15 V, R 1 = R 2 = 33k, R C = 1k, R E = 100 ohm Maka : I C sat = 15V/1k+100 = 0.013A = 13mA, V B = 15V.33k/(33k+33k) = 7.5V, R B = R 1.R 2 /R1+R2 = 33k.33k/(33k+33k) = ohm = 16k5, I B = V B /R B = 7.5V/16500 = A = 0.45mA

61 Sifat dan karakteristik penguat Kelas A : Dirangkai secara emiter bersama (common emiter). Menghasilkan sinyal keluaran sesuai dengan masukannya, tanpa distorsi. Sinyal masukan dan sinyal keluaran berbeda fasa 180 o. Hampir tidak memiliki distorsi. Penguatan daya rendah, penguatan tegangan tinggi. Efisiensi daya rendah (max 50%). Digunakan untuk daya rendah (beberapa miliwatt). Aplikasi : penguat awal (pre-amplifier), penguat sangga (buffer amplifier), pembangkit sinyal (oscillator), penguat linier, pencampur sinyal (mixer), penguat pemodulasi (modulator) dan pendemodulasi (demodulator), dlsb.

62 Penguat Kelas B : Rangkaian dasar : Penguat Kelas B menghasilkan cacat pada keluarannya (hanya setengah gelombang, mirip dengan penyearah setengah gelombang). Untuk mengatasinya digunakan penguat Kelas B push-pull agar dicapai keluaran sinyal gelombang penuh.

63 Penguat Kelas B push-pull: Rangkaian dasar : Garis beban dan titik kerja : Digunakan 2 buah transistor yang bekerja secara komplementer (NPN- PNP), di mana masing-masing transistor memperkuat setengah gelombang yang bersesuaian. Misalkan : V CC = 15V, R B = 15K, β = 10. Maka : I B = V CC /R B = 15V/15k = 1mA, β = I C /I B, I C = β.i B, I C = 10.1mA = 10mA, V CE cutoff = V out = ½ V CC = ½.15V= 7.5V

64 Sifat dan karakteristik penguat Kelas B : Menghasilkan sinyal keluaran yang terdistorsi pada sekitar daerah perlintasan nol (cross over distortion). Penguatan daya rendah hingga tinggi. Efisiensi daya lebih besar dibanding Kelas A, yakni 78,5%. Digunakan untuk daya kecil hingga tinggi (ratusan watt). Aplikasi : penguat daya audio sederhana, penguat instrumentasi, penguat switching, penguat daya frekuensi radio jenis FM, dlsb.

65 Penguat Kelas AB push-pull : Rangkaian dasar : Garis beban dan titik kerja : Mirip dengan Kelas B, hanya titik kerjanya ada di daerah antara Kelas A dan Kelas B transistor dalam kondisi hampir aktif. Misalkan V CC = 12V, R B = 10k, dan β = 10, maka I C = β.i B I B = V CC /R B = 12V/10k = 1.2mA, I C = mA = 12mA dan V CE = ½ V CC = ½.12V = 6V

66 Sifat dan karakteristik penguat Kelas AB : Menghasilkan sinyal keluaran dengan sedikit distorsi pada sekitar daerah perlintasan nol (cross over distortion). Penguatan daya rendah hingga tinggi. Efisiensi daya sedikit lebih kecil dibanding Kelas B, yakni sekitar 60%. Digunakan untuk daya kecil hingga tinggi (ratusan watt). Aplikasi : penguat daya audio, penguat instrumentasi, penguat daya frekuensi radio jenis AM dan FM, dlsb.

67 Penguat Kelas C : Rangkaian dasar : Garis beban dan titik kerja : Mirip dengan Kelas B, hanya titik kerjanya ada di daerah bawah Kelas B sehingga transistor membutuhkan sinyal masukan yang lebih besar untuk bekerja keluaran hanya terdiri dari kurang dari setengah gelombang hanya cocok untuk penguat frekuensi tinggi (radio). Gelombang yang cacat diperbaiki oleh rangkaian penala LC yang berfungsi sebagai tapis lolos bawah.

68 Sifat dan karakteristik penguat Kelas C : Menghasilkan sinyal keluaran dengan distorsi maksimum namun bisa diatasi dengan rangkaian penala LC. Penguatan daya rendah hingga menengah. Efisiensi daya paling besar, mendekati 100%. Digunakan sebagai penguat daya menengah (beberapa puluh watt) hingga sangat tinggi (ribuan watt). Aplikasi : penguat daya RF, penguat instrumentasi.

69 Penguat Kelas D : Bekerja sebagai switching amplifier : penguat transistor/mosfet bekerja seperti saklar (tidak seperti penguat yang memiliki bati). Sinyal yang akan diperkuat berupa pulsa-pulsa yang akan memberi prategangan pada penguat sehingga penguat ON dan OFF sesuai dengan pulsanya. Sinyal analog yang akan diperkuat dimodulasikan menjadi PWM atau jenis modulasi pulsa lainnya sebelum diumpankan ke penguat. Setelah dikuatkan, pulsa keluaran bisa diubah kembali menjadi sinyal analog menggunakan LPF. Keuntungan : efisiensi daya lebih tinggi, idealnya bisa 100%.

70 Contoh penguat Kelas D pada alat bantu dengar :

71 Sifat dan karakteristik penguat Kelas D : Bekerja sangat efisien, tidak menghasilkan panas hemat daya. Kerugian : menghasilkan derau elektromagnetik. Relatif lebih murah, rangkaiannya kompak, ukuran dan berat rendah karena tidak memerlukan sirip pendingin. Bisa beroperasi dengan sumber sinyal digital tanpa perlu DAC (digital analog converter) untuk mengubah sinyal ke bentuk sinyal analog. Aplikasi : sistem audio home theatre, sistem audio pada telepon mobil (menghemat baterai), alat bantu dengar (hearing aids) untuk menghemat baterai, speaker aktiv (sub woofer), penguat nada bass pada tata suara modern, dlsb.

72 Penguat Kelas E : Penguat kelas E ditemukan oleh Nathan O. Sokal dan Alan D. Sokal, Seperti Kelas D, penguat Kelas E bekerja sebagai switching amplifier efisiensi mendekati 100%. Yang membedakan dengan Kelas D adalah adanya kapasitor yang dipasang pada keluaran transistor ke ground. Prinsip kerjanya sbb.: Pulsa keluaran hasil penguatan sinyal masukan diumpankan ke beban lewat rangkaian LC LC membentuk resonator paralel dan L 0 C 0 membentuk resonator serial sinyal keluaran ke R L menjadi sinus. Aplikasi : penguat yang memerlukan efisiensi tinggi.

73 Penguat Kelas F : Penguat kelas F dibuat untuk memperbaiki efisiensi penguat frekuensi radio (RF) Caranya dengan memberikan rangkaian resonansi tambahan pada bagian pra-tegangan. Penguat kelas F banyak diaplikasikan pada penguat daya radio berdaya tinggi.

74 Penguat Kelas G, H : Penguat Kelas G dan H dibuat untuk memperbaiki efisiensi penguat Kelas AB dengan distorsi yang rendah dan tanpa efek radiasi elektromagnetik. Penguat Kelas G memiliki garis beban yang mirip dengan Kelas AB tetapi sistem catu daya lebih dari 1 pasang, mulai dari catu daya tegangan rendah hingga tinggi. Tujuannya : meningkatkan efisiensi. Penguat Kelas H mirip dengan Kelas G, hanya catu dayanya dibuat lebih kontinyu dan linier sesuai dengan kebutuhan keluarannya sehingga semakin efisien. Contoh penguat Kelas G : Aplikasi : penguat daya audio.

75 Contoh rangkaian penguat Kelas G

76 Prinsip penguat Kelas H : Pendeteksi sinyal akan menghasilkan informasi besarnya tegangan yang diperlukan untuk memberi catu daya. Tracking supply akan menghasilkan tegangan catu daya yang sesuai dengan kebutuhan.

77 Penguat Kelas I : Penguat Kelas I menggunakan 2 set peralatan switching yang bekerja secara komplementer (push-pull) yang dipasang paralel, masing-masing mencuplik untuk setengah gelombang yang bersesuian (plus dan minus, seperti Kelas B). Saat tak ada sinyal masukan, atau saat sinyal sedang mencapai titik simpang nol, peralatan switching akan ON dan OFF secara simultan dengan duty cycle 50%. Saat sinyal mencapai setengah gelombang positip, maka peralatan switching positip akan menaikkan duty cycle dan peralatan switching negatif akan menurunkan duty cycle dengan nilai yang sama PWM disebut penguat PWM bersisipan.

78 Contoh Penguat Kelas I : penguat daya audio

79 Penguat Kelas S : Penguat Kelas S merupakan penguat dengan mode pensaklaran (switching) seperti pada Kelas D. Cara kerja : penguat kelas S mengubah sinyal masukan analog ke pulsa digital dengan menggunakan modulator delta-sigma, memperkuatnya, dan didemodulasi dengan sebuah BPF. Karena kondisi sinyal hanya ada ON dan OFF maka efisiensi penguat bisa mencapai 100%. Aplikasi : penguat daya audio, penguat daya radio HF. Contoh :

80 Penguat Kelas T : Sering disebut sebagai penguat digital. Prinsip kerja : penguat Kelas T mengubah sinyal analog ke sinyal PWM switching transistor serta filter seperti pada Kelas D. Keuntungannya : aras distorsi yang rendah (seperti Kelas AB) dan efisiensi daya (seperti pada Kelas D). Aplikasi : digunakan pada sistem penguat audio digital yang diproses dengan DSP (digital signal processing). Contoh :

81 Perbandingan karakteristik konduksi penguat :

82 Penguat linier : Memperkuat sinyal masukan tanpa distorsi. Jenis penguat kelas A dan kelas AB. Efisiensi rendah (<50%) Aplikasi : penguat awal, penguat penyangga, penguat kendali, penguat daya linier pemancar AM (AM-FC, DSB-SC, SSB, VSB)