Modul 02: Elektronika Dasar Alat Ukur, Rangkaian Thévenin, dan Rangkaian Tapis Reza Rendian Septiawan February 4, 2015 Pada praktikum kali ini kita akan mempelajari tentang beberapa hal mendasar dalam dunia elektronik, yaitu tentang penggunaan alat ukur, pembuatan rangkaian Thévenin, dan tentang tapis pasif sebagai salah satu rangkaian elektronik paling sederhana. Adapun keluaran yang diharapkan dari praktikum kali ini adalah praktikan mengenal berbagai komponen elektronik pasif seperti resistor dan kapasitor; praktikan dapat menggunakan alat ukur (multimeter analog, digital, dan osiloskop), catu daya, dan signal generator untuk mengukur besaran-besaran listrik dan melakukan analisis dasar terhadap rangkaian elektronik; praktikan dapat memahami dan membuat rangkaian Thévenin serta penggunaannya; dan praktikan dapat memahami, membuat, dan melakukan analisis terhadap berbagai rangkaian tapis pasif sederhana. 1.1 Multimeter analog dan digital Secara umum, tiga besaran listrik yang paling penting dan paling sering diukur adalah arus, tegangan, dan hambatan. Ketiga besaran tersebut dapat diukur masing-masing oleh Ammeter, Voltmeter, dan Ohmmeter. Namun seiring dengan berkembangnya teknologi, ketiga alat ukur tersebut saat ini biasanya digabungkan menjadi satu buah alat yang dinamakan multimeter. Selain mengukur arus, tegangan, dan hambatan, biasanya multimeter dapat mengukur besaran listrik lainnya yang terkait, seperti frekuensi. Multimeter terdiri dari dua buah jenis multimeter, yaitu multimeter analog dan digital. Fungsi keduanya sama, yaitu untuk mengukur berbagai besaran listrik. Namun cara penggunaan keduanya sedikit berbeda. 1 Alat Ukur Alat ukur memainkan peran yang sangat penting di dunia elektronik mengingat fungsinya untuk mengukur berbagai besaran listrik dan melakukan analisa terhadap rangkaian elektronik. Mengingat peranannya yang penting, alat ukur harus mengalami proses kalibrasi untuk memastikan akurasi pengukurannya. Alat ukur paling dasar yang sering digunakan adalah multimeter (atau sering dikenal dengan nama AVOmeter). Untuk mengamati bentuk gelombang yang mengalir dalam rangkaian elektronik kita dapat menggunakan osiloskop. Baik multimeter dan osiloskop keduanya memiliki tipe analog maupun digital. Pada praktikum kali ini kita akan mempelajari tentang penggunaan multimeter analog dan digital, serta osiloskop. Gambar 1: Contoh dari multimeter (a) analog, dan (b) digital (diambil dari http://overseas.sanwameter.co.jp/items/index.php). 1.2 Osiloskop Seperti halnya multimeter, osiloskop juga memiliki fungsi untuk mengukur besaran listrik. Na- 1
Modul 02: Elektronika Dasar halaman 2 mun perbedaannya, keluaran utama dari osiloskop adalah dalam bentuk isyarat tegangan terhadap waktu. Dengan menggunakan keterampilan dalam membaca, melakukan setting, dan merangkai alat ukur, osiloskop dapat digunakan untuk melakukan berbagai macam analisis rangkaian listrik, seperti menghitung frekuensi gelombang, beda fasa gelombang, dan analisa bentuk gelombang. Osiloskop biasanya memiliki lebih dari satu buah channel pengukuran, sehingga pengguna bisa melakukan komparasi dari lebih dari satu pengukuran dalam waktu yang bersamaan. Resistor merupakan komponen pasif yang berfungsi untuk membatasi besarnya arus yang mengalir dalam rangkaian. Terdapat beberapa jenis resistor sesuai dengan material pembuatnya, antara lain yang berjenis wirewound, carbon composition, carbon film, metal film, metal oxide, dan foil [2]. Untuk menentukan nilai hambatan dari resistor dapat dilakukan dengan membaca warna gelang yang terdapat di permukaan resistor, atau dengan membaca kode yang tertulis pada resistor bertipe balok (power resistor) dan tipe SMD. Terdapat juga resistor yang dapat diubah-ubah nilai hambatannya. Beberapa jenis dari resistor variabel adalah trimmer dan potensiometer. Gambar 2: Contoh dari osiloskop (diambil dari http://www.gwinstek.com). 2 Komponen Pasif Secara umum komponen dalam dunia elektronik terbagi menjadi dua golongan, yaitu komponen aktif dan komponen pasif. Komponen aktif adalah komponen yang membutuhkan catu daya untuk dapat bekerja, contohnya adalah IC op-amp. Sedangkan komponen pasif adalah komponen yang tidak membutuhkan daya untuk dapat bekerja. Beberapa komponen yang tergolong sebagai komponen pasif adalah resistor, kapasitor, dan induktor. Pada praktikum kali ini kita akan memfokuskan pembahasan kita pada resistor dan kapasitor. 2.1 Resistor Gambar 3: Berbagai jenis resistor, (a) resistor 5 gelang, (b) resistor 4 gelang, (c) resistor balok, (d) potensiometer putar, (e) potensiometer geser, dan (f) resistor SMD (diambil dari http://www.resistorguide.com). 2.2 Kapasitor Kapasitor merupakan komponen elektronik pasif yang berfungsi untuk menyimpan energi listrik [3]. Pada intinya, kapasitor terbuat dari dua buah lempeng pelat konduktor yang dipisahkan oleh material insulator dielektrik. Besarnya kapasitansi dari kapasitor dipengaruhi oleh luas penampang pelat, jarak antara kedua pelat, dan koefisien dielektrik dari material insulator, sesuai persamaan berikut: C = ɛ rɛ 0 A d (1) dengan C adalah nilai kapasitansi, ɛ r adalah permitivitas relatif material dielektrik, ɛ 0 adalah permitivitas dalam kondisi vakum, A adalah luas penampang pelat, dan d adalah jarak antara kedua pelat.
Modul 02: Elektronika Dasar halaman 3 Untuk menghitung tegangan pengganti E th pada rangkaian yang terdapat di Gambar 5 kita dapat menggunakan perhitungan pembagi tegangan, sehingga: R3 E th = R1 + R3 V s (2) Sedangkan untuk menghitung hambatan pengganti R th kita dapat menganggap bahwa V s di-short-kan, sehingga didapat: Gambar 4: Berbagai jenis kapasitor (diambil dari http://www.capacitorguide.com). 3 Rangkaian Thévenin Dalam [1] dinyatakan tentang teorema Thévenin yang berbunyi: Semua rangkaian listrik linear yang hanya terdiri dari sumber arus dan hambatan saja dapat digantikan pada terminal A-B oleh sumber tegangan pengganti V th yang dihubungkan seri dengan hambatan pengganti R th. Untuk mencari tegangan pengganti V th, rangkaian listrik harus dibuat dalam kondisi rangkaian terbuka, dan tegangan tersebut diukur pada titik A-B. Sedangkan untuk mencari hambatan pengganti R th rangkaian listrik dibuat terbuka, dengan sumber tegangan dibuat seolah-olah dalam kondisi short-circuit, dan hambatan pengganti merupakan besarnya hambatan yang terukur pada titik A-B. R th = (R1//R3) + R2 (3) 4 Rangkaian Tapis Rangkaian tapis merupakan rangkaian yang dapat meloloskan gelombang pada rentang frekuensi tertentu. Pada dasarnya terdapat dua jenis rangkaian tapis, yaitu tapis lolos rendah (low-pass filter) dan tapis lolos tinggi (high-pass filter). Dua jenis tapis lainnya (band-pass filter dan band-stop filter) bisa dibuat dengan merangkaikan LPF dan HPF secara seri dan paralel. 4.1 Low-Pass Filter (LPF) Tapis lolos rendah merupakan rangkaian yang dapat meloloskan gelombang yang memiliki frekuensi lebih rendah dari frekuensi potong rangkaian tersebut. Rangkaian LPF sederhana dapat dilihat pada Gambar 6. Gambar 6: Rangkaian LPF sederhana (diambil dari http://en.wikipedia.org/wiki/low-pass filter). Gambar 5: Contoh rangkaian listrik (a) serta rangkaian setara Thévenin-nya (b). Rangkaian LPF yang ideal seharusnya dapat meloloskan sinyal dengan frekuensi dibawah frekuensi potongnya tanpa peredaman sama sekali dan meredam total seluruh sinyal dengan frekuensi diatas frekuensi potongnya. Untuk mengetahui frekuensi potong dari rangkaian tapis kita dapat menghitungnya melalui persamaan berikut ini: ω p = 1 RC (4)
Modul 02: Elektronika Dasar halaman 4 atau f p = 1 (5) 2πRC Karakteristik dari suatu rangkaian tapis dapat dilihat dari tanggapan amplitudonya (G(ω)). Tanggapan amplitudo biasa dinyatakan dalam satuan desibel (db). Perhitungan tanggapan amplitudo dari rangkaian dapat dihitung melalui persamaan: ( ) G(ω) = Ḡ(ω) = 20 log Vo (6) V i Adapun kurva tanggapan amplitudo dan tanggapan fasa dari rangkaian tapis lolos rendah dapat dilihat pada Gambar 7. Gambar 7: Kurva bode plot dari LPF 2.html). 4.2 High-Pass Filter (LPF) Tapis lolos tinggi merupakan rangkaian yang dapat meloloskan gelombang yang memiliki frekuensi lebih tinggi dari frekuensi potong rangkaian tersebut. Rangkaian HPF sederhana dapat dilihat pada Gambar 9. Gambar 9: Rangkaian HPF sederhana (diambil dari http://en.wikipedia.org/wiki/highpass filter). Rangkaian HPF yang ideal seharusnya dapat meloloskan sinyal dengan frekuensi dibawah frekuensi potongnya tanpa peredaman sama sekali dan meredam total seluruh sinyal dengan frekuensi diatas frekuensi potongnya. Untuk menghitung frekuensi potong dan tanggapan amplitudo dari HPF tetap dapat menggunakan 4, 5, dan 6 Adapun kurva tanggapan amplitudo dan tanggapan fasa dari rangkaian tapis lolos rendah dapat dilihat pada Gambar 10. Selain sebagai tapis lolos rendah, rangkaian pada Gambar 6 juga dapat berfungsi sebagai integrator jika diberikan sinyal masukan berupa sinyal kotak. Gambar 10: Kurva bode plot dari HPF 3.html). Gambar 8: Rangkaian LPF sebagai integrator 2.html). Selain sebagai tapis lolos tinggi, rangkaian pada Gambar 9 juga dapat berfungsi sebagai diferensiator jika diberikan sinyal masukan berupa sinyal kotak.
Modul 02: Elektronika Dasar halaman 5 4.4 Band-stop Filter Tapis henti pita merupakan suatu rangkaian tapis yang dapat meloloskan semua sinyal kecuali sinyal yang frekuensinya berada pada rentang tertentu saja. Tapis jenis ini dapat dibuat dengan menggabungkan HPF dan LPF secara paralel. Gambar 11: Rangkaian HPF sebagai diferensiator 3.html). 4.3 Band-pass Filter Tapis lolos pita merupakan suatu rangkaian tapis yang hanya dapat meloloskan sinyal yang frekuensinya berada pada rentang tertentu saja. Tapis jenis ini dapat dibuat dengan menggabungkan HPF dan LPF secara seri. Gambar 14: Skema dari band-stop filter (diambil dari http://www.allaboutcircuits.com/vol 2/chpt 8/ 5.html). Gambar 12: Skema dari band-pass filter (diambil dari http://www.allaboutcircuits.com/vol 2/chpt 8/ 4.html). Gambar 15: Kurva tanggapan amplitudo ideal dari band-pass filter (diambil dari http://en.wikipedia.org/wiki/band-stop filter). 5 Percobaan Gambar 13: Kurva tanggapan amplitudo dari band-pass filter (diambil dari http://en.wikipedia.org/wiki/band-pass filter). 5.1 Pengenalan, kalibrasi, dan penggunaan alat ukur Perhatikan penjelasan dan peragaan asisten mengenai alat ukur. Mohon penjelasan asisten diperhatikan dengan baik karena semua alat ukur tersebut akan sering digunakan. Jika ada pertanyaan atau hal yang kurang jelas, bisa langsung ditanyakan pada asisten. Setelah asisten selesai menjelaskan tentang alat ukur, praktikan dapat mencoba untuk melakukan kalibrasi dan pengukuran sendiri dengan menggunakan alat ukur tersebut.
Modul 02: Elektronika Dasar halaman 6 5.2 Rangkaian Thévenin 1. Buatlah rangkaian seperti yang tampak pada Gambar 5 dengan nilai hambatan 1 kω, 10 kω, dan 4.7 kω lalu ukur tegangan Thévenin dan hambatan Thévenin-nya. Hitunglah juga secara teoritis, dan bandingkan dengan hasil pengukuran. Ulangi percobaan untuk tiga kombinasi resistor yang berbeda. 2. Dengan menggunakan salah satu kombinasi rangkaian Thévenin, cobalah untuk melakukan pembebanan dengan menggunakan hambatan variabel yang disediakan. Pastikan nilai resistansi dari hambatan beban diukur terlebih dahulu sebelum disambungkan ke rangkaian. Ulangi percobaan untuk 10 nilai hambatan beban yang berbeda-beda. 3. Hubungkan pin keluaran signal generator (SG) dengan osiloskop. Setel agar keluaran dari SG terbaca 5 V pp. Hubungkan SG dengan hambatan variabel. Atur besarnya hambatan agar besarnya sinyal yang terbaca menjadi 2.5 V pp. Ukur besranya hambatan dari hambatan variabel tersebut. Ulangi percobaan untuk frekuensi 100 Hz, 1 khz, dan 10 khz. 4. Ukur besarnya hambatan dalam dari SG pada frekuensi 100 Hz, 1 khz, dan 10 khz. Pastikan SG dalam kondisi mati dan tidak tersambung dengan jaringan listrik. 5.3 Rangkaian tapis 5.3.1 LPF 1. Buat sebuah rangkaian LPF seperti tampak pada Gambar 6. Ukur nilai resistansi dan kapasitansi dari masing-masing resistor dan kapasitor. 4. Lakukan langkah yang sama untuk bentuk sinyal masukan kotak. 5.3.2 HPF Lakukan langkah percobaan yang sama seperti untuk rangkaian LPF, namun tentu saja dengan bentuk rangkaian HPF. 5.3.3 BPF Rangkaikan rangkaian LPF dan HPF secara seri. Pilihlah nilai R dan C yang sesuai masing-masing untuk LPF dan HPF yang bisa digunakan untuk rangkaian BPF. Lakukan langkah pengerjaan yang sama seperti sebelumnya. 5.3.4 BSF Rangkaikan rangkaian LPF dan HPF secara paralel. Pilihlah nilai R dan C yang sesuai masingmasing untuk LPF dan HPF yang bisa digunakan untuk rangkaian BSF. Lakukan langkah pengerjaan yang sama seperti sebelumnya. Referensi [1] L. Thévenin, Sur un nouveau théorème d électricité dynamique (On a new theorem of dynamic electricity), Comptes rendus hebdomadaires des séances de l Académie des Sciences, 97(1883), pp. 159-161. [2] Resistor Guide, www.resistorguide.com, diakses pada 3 Februari 2015 pukul 11:20. [3] Capacitor Guide, www.capacitorguide.com, diakses pada 3 Februari 2015 pukul 12:00. 2. Hubungkan probe channel 1 dari osiloskop pada input dari rangkaian LPF dan channel 2 pada output rangkaian LPF. 3. Hubungkan SG pada input dari osiloskop. Setel SG agar dapat memberikan sinyal masukan sinusoidal 500 mv pp. Variasikan frekuensi dari sinyal keluaran SG dari rentang 10 Hz sampai 50 khz. Catat nilai masukan dan keluaran yang terbaca pada osiloskop. Dokumentasikan juga bentuk sinyal keluarannya.