MODUL ELEKTRONIKA DASAR 1. Resistor Resistor adalah hambatan yang mempunyai nilai hambat tertentu. Resistor biasanya dinyatakan dengan huruf R. Resistor berfungsi untuk membatasi arus. Nilai resistor berbanding terbalik dengan nilai arus. Semakin besar resistor yang digunakan maka semakin kecil arus yang mengalir. Satuan resistor adalah ohm (Ω).
2. Kapasitor Kapasitor merupakan komponen yang berfungsi untuk menyimpan muatan. Kapasitas kapasitor tergantung pada nilai kapasitor itu. Semakin besar kapasitas kapasitor maka akan semakin banyak pula muatan yang dapat ditampungnya. Kapasitor dinyatakan dengan huruf C dengan satuan farad (F). 3. Dioda Fungsi umum dioda adalah sebagai penyearah arus bolak-balik. Dioda merupakan komponen semikonduktor yang hanya menghantarkan arus listrik dalam satu arah (anoda katoda).
4. Transistor Transistor merupakan komponen semikonduktor yang dapat difungsikan sebagai saklar dan dapat juga difungsikan sebagai penguat. Dengan sifat semikonduktor itu maka transistor dapat dijadikan sebagai konduktor dan dapat pula bersifat sebagai isolator. Jika pada kondisi tertentu transistor diberi arus pada basis maka transistor akan dapat menghantar (konduktor), tetapi jika tidak ada arus yang mengalir pada basis maka transistor tidak akan dapat menghantar (isolator). 5. Induktor Induktor adalah komponen dinamik yang berbasis pada variasi medan magnet yang ditimbulkan oleh arus listrik. Induktor dibuat dari bahan kawat konduktor yang dililitkan pada suatu inti yang terbuat dari bahan magnetik atau tanpa inti (berinti udara). 6. Catu Daya Catu daya merupakan bagian yang sangat penting karena tanpa adanya catu daya maka semua rangkaian tidak akan bekerja. Kebanyakan catu daya yang digunakan sekarang didayai oleh sumber arus bolak-balik 110volt atau 220volt dengan frekuensi berkisar antara 50hertz sampai dengan 60hertz.
Sumber AC ini dimasukkan ke bagian input transformator sehingga menghasilkan tegangan output AC yang besarnya tergantung jumlah lilitan sekunder, jumlah lilitan primer dan besarnya tegangan primer trafo. Tegangan output dari trafo sekunder akan menentukan tegangan output DC akhir dari catu daya setelah penyearah dan filter dipasang. Suplai daya atau tegangan catu suatu rangkaian elektronik yang berubah-ubah besarnya (naik/turun) dapat menyebabkan rusaknya fungsi kerja rangkaian elektronik yang dicatunya. Oleh sebab itu agar suatu rangkaian elektronik dapat menampilkan unjuk kerja yang prima dan tahan lama, salah satu syaratnya adalah harus menggunakan catu daya yang stabil dan mampu menekan kerut atau ripple semaksimal mungkin. 7. Analisis Dioda Beban yang diberikan pada rangkaian secara normal mempunyai implikasi pada daerah kerja (operasi) dan piranti elektronik. Bila analisis disajikan dalam bentuk grafik, sebuah garis dapat digambarkan sebagai karakteristik dioda yang mewakili efek dari beban. Perpotongan antara karakteristik dan garis beban akan menggambarkan titik operasi dari sistem. 7.1. Menurut Hukum Kirchoff Tegangan : E-VD-VR=0 E=VD+IDR Selanjutnya kita atur ID=0, maka kita dapat memperoleh magnitude VD pada sumbu horizontal. E=VD+IDR E=VD+(0)RD VD=E
VDQ=0,7V, sehingga diperoleh : E=VD+IDR E-0,7V=IDR I DQ = E 0,7V R Contoh Soal : 1. Tentukan VD, VR dan ID dari rangkaian dioda dibawah ini?
-E+VD+VR=0-8V+0,7V+VR=0 VR=8V-0,7V=7,3V IR= V R R IR= 7,3V 2,2kΩ IR=3,32mA ID=IR=3,32mA
2. Tentukan garis beban dioda tersebut? IDQ=ID=3,32mA VDQ=0,7V 7.2. Clipper
Clipper merupakan rangkaian dioda yang memiliki kemampuan memotong sebagian sinyal input tanpa menimbulkan efek pada bagian lain dari sinyal tersebut. Analisis : Dioda ON : Dioda OFF :
Hasil Outputnya : 7.3. Clamper Rangkaian clamper adalah rangkaian yang akan melempar (clamp) sinyal ke level DC yang berbeda. Clamper tersusun atas kapasitor, dioda dan komponen resitif. Sumber DC juga dapat ditambahkan untuk memperoleh pergeseran tegangan tambahan. Nilai R dan C harus dipilih sedemikian rupa agar konstanta waktu τ=rc cukup besar. Hal ini berguna agar kapasitor tidak membuang tegangan (discharge) pada saat dioda mengalami perioda non konduksi (OFF). Dalam menganalisis, kapasitor kita anggap mengisi dan membuang semua dalam 5 kali konstanta waktu.
Selama interval 0 s/d T rangkaian dapat digambarkan sebagai berikut : 2 Pada interval ini, kapasitor akan mengisi dengan cepat sampai V=VI (tegangan input), sedangkan VO=0 volt.
Ketika polaritas input berbalik, rangkaian dapat digambarkan sebagai berikut : Jika digambarkan secara keseluruhan sinyal input dan output dari rangkaian diatas adalah sebagai berikut : 7.4. Dioda Zener Dalam menganalisis zener, kita dapat menggunakan cara menganalisis dioda pada bagian sebelumnya. Ketika zener diindikasikan ON, rangkaian penggantinya adalah sumber tegangan VZ, sedangkan jika zener OFF rangkaian penggantinya adalah saklar terbuka.
Tentukan VL, VR, IZ dan PZ?
Zener dalam kondisi OFF : VL= R LV I R+R L = 1,2k(16V) 1k+1,2k =8,73V VR=VI-VL=16V-8,73V=7,27V IZ=0 ampere PZ=VZIZ=0 watt Zener dalam kondisi ON : VL=VZ=10V VR=VI-VL=16V-10V=6V IL= V L = 10V =3,33mA R L 3k
IR= V R R =6V=6mA 1k IZ=IR-IL=6mA-3,33mA=2,67mA PZ=VZIZ=(10V)(2,67mA)=26,7mW 7.5. Pengali Tegangan Rangkaian ini digunakan untuk menaikkan tegangan puncak dari trafo hingga 2X, 3X atau lebih kecil. Tegangan pada output : -VC2+VC1+VIN=0 -VC2+VIN+VIN=0 VC2=2VIN 8. Analisis Transistor Transistor berasal dari kata transfer resistor yang dikembangkan oleh Berdeen, Schokley dan Brittam pada tahun 1948 di perusahaan elektronik Bell Telephone Laboratories. Penaman tersebut berdasarkan prinsip kerjanya, yaitu mentransfer atau memindahkan arus. Dalam dunia elektronika transistor disimbolkan sebagai berikut :
C C B NPN B PNP E Transistor merupakan komponen elektronika yang mempunyai tiga buah kaki, yaitu Basis (B), Collector (C) dan Emitor (E). Pada transistor NPN, memberikan tegangan positif dari basis ke emitor, menyebabkan kolektor dan emitor terhubung singkat, yang menyebabkan transistor aktif (ON), berbeda dengan transistor PNP, yang mengakibatkan transistor tersebut mati (OFF). Besarnya penguatan arus pada transistor adalah arus kolektor dibagi dengan arus basis, ini dikenal dengan simbol hfe (β). 8.1. Mode Operasi Transistor hfe = β = I C I B E Mode Aktif, murapakan mode transistor yang digunakan sebagai penguat. Mode Cut Off dan Saturasi, merupakan mode yang digunakan oleh transistor sebagai switching (saklar).
Aktif Cut Off Saturasi VCE = VCC-ICRC VCE = VCC VCE = 0 IC = V CC V CE R C, IC = βib IB = IC = IE = 0 IC = V CC R C, IC = βib IE = IC+IB, IE = (1+β)IB IE IC IE IC, IE = (1+β)IB Transistor merupakan jenis komponen semikonduktor yang banyak digunakan di berbagai elektronika, seperti : Penguat (Amplifier), transistor digunakan untuk menguatkan tegangan, arus atau daya, baik itu bolak-balik (AC) maupun searah (DC). Penyearah, tarnsistor digunakan untuk mengubah tegangan AC menjadi tegangan DC. Pencampur (Mixer), transistor digunakan untuk mencampur dua macam tegangan AC atau lebih yang mempunyai frekuensi berbeda. Osilator, transistor digunakan untuk membangkitkan getaran-getaran listrik. Switching, transistor digunakan untuk menghidup-matikan rangkaian elektronik (saklar elektronik)
8.2. Rangkaian Bias Tetap 12V RB 240k RC 2k2 Sinyal Input C1 10uF C2 10uF Sinyal Output Suatu rangkaian penguat menggunakan bias tetap seperti gambar diatas. Tentukan titik kerja IBQ, ICQ dan VCEQ serta gambarkan garis beban DC-nya? Penyelesaian : Titik Kerja : IBQ = V CC V BE IBQ = R B 12 volt 0,7 volt 240 kω IBQ = 47,08 µa ICQ = βibq ICQ = (50)(47,08 µa) ICQ = 2,35 ma VCEQ = VCC-ICRC VCEQ = 12 volt-(2,35 ma)(2,2 kω) VCEQ = 6,83 volt Garis Beban : IC-MAKS = V CC R C IC-MAKS = 12 volt 2,2 kω IC-MAKS = 5,45 ma VCE-MAKS = VCC
VCE-MAKS = 12 volt β IB (µa) IC (ma) VCE (volt) 50 47,08 2,35 6,83 100 47,08 4,70 1,64 Terlihat apabila β dinaikan 100%, maka arus kolektor IC naik 100%. Jadi arus IC sangat tergantung pada besarnya β. Karena β sangat peka terhadap temperatur, maka rangkaian diatas sangat peka terhadap perubahan temperatur. Akibatnya titik Q yang telah kita tetapkan semula akan bergeser-geser seiring dengan berubahnya temperatur.
12V RB 240k RC 2k2 Sinyal Input C1 10uF C2 10uF Sinyal Output RE 1k 10uF Penyelesaian : Titik Kerja : IBQ = IBQ = V CC V BE R B +(β+1)r E 20 volt 0,7 volt 430 kω+(50+1)(1 kω) IBQ = 40,1 µa ICQ = βibq ICQ = (50)(40,1 µa) ICQ = 2,01 ma VCEQ = VCC IC(RC + RE) VCEQ = 20 volt (2,01 ma)(2 kω + 1 kω) VCEQ = 13,97 volt Garis Beban : IC-MAKS = IC-MAKS = V CC R C + R E 20 volt 2,2 kω+1 kω IC-MAKS = 6,67 ma VCE-MAKS = VCC VCE-MAKS = 20 volt
β IB (µa) IC (ma) VCE (volt) 50 40,1 2,01 13,97 100 36,3 3,63 9,11 Terlihat bahwa apabila β dinaikan 100%, maka arus IC naik ±81%. Perubahan ini lebih kecil dari contoh sebelumnya. Dari dua contoh tersebut dapat disimpulkan bahwa rangkaian bias dengan stabilitas RE ternyata lebih stabil terhadap perubahan β dari pada rangkaian bias tanpa stabilitas RE.
8.3. Rangkaian Bias Pembagi Tegangan Penyelesaian : RB = R 1R 2 R 1 +R 2 (39 kω)(3,9 kω) RB = 39 kω+3,9 kω RB = 3,55 kω VBB = R 2V CC R 1 +R 2 (3,9 kω)(22 volt) VBB = 39 kω+3,9 kω VBB = 2 volt V BB V BE ICQ = R B β +[1+1 β ]R E ICQ = 2 volt 0,7 volt 3,55 kω 140 +[1+ 1 140 ICQ = 0,85 ma ][1,5 kω] VCEQ = VCC ICRC [1 + 1 β ] [I CR E ]
VCEQ = 22 volt (0,85 ma)(10 kω) [1 + 1 ] [0,85 ma][1,5 kω] VCEQ = 22 volt (8,5n volt) (1,28 volt) VCEQ = 12,22 volt Perhitungan Pendekatan : ICQ = V BB V BE R B β +R E 2 volt 0,7 volt ICQ = 2 kω 140 +1,5 kω 140 ICQ = 0,86 ma VCE = VCC IC(RC+RE) VCE = 22 volt (0,86 ma)[(10 kω)+(1,5 kω)] VCE = 22 volt 9,8 volt VCE = 12,14 volt HasilAnalisis HasilPendekatan ICQ 0,85 ma 0,86 ma VCE 12,22 volt 12,14 volt Terlihat bahwa perbedaannya sangatkecil. Semakin besar harga β semakin kecil perbedaannya. β ICQ (ma) VCEQ (volt) 140 0,85 12,22 70 0,83 12,46 Hasil tersebut menunjukan bahwa meskipun harga β turun setengahnya, ternyata titik kerja transistor hampir sama. Hal ini terbukti bahwa stabilitas rangkaian dengan stabilisasi emitor terhadap perubahan β sangat baik.
Perhatikan rangkaian penguat di atas. Bila diinginkan harga VCEQ = 5 volt, RE = 680 Ω, RL = 5 kω, β = 150, VBE-AKTIF = 0,7 volt dan VCC = 15 volt. Tentukanharga R1, R2, garis beban DC, garis beban AC dan tegangan output maksimum (VP-P)? Penyelesaian : Analisis DC : VE = VCC-VCEQ VE = 15 volt 5 volt VE = 10 volt ICQ = V E R E 10 volt ICQ = 680 Ω ICQ = 14,71 ma I CQ IBQ = β 14,71 ma IBQ = 150 IBQ = 98,07 µa V2 = VBE-AKTIF+VRE V2 = 0,7 volt+10 volt V2 = 10,7 volt V1 = VCC VR2 V1 = 15 volt 10,7 volt
V1 = 4,3 volt I1 I2 IBQ 98,07 µa 4,3 volt R1 = (98,07)(10 6 ) A R1 = 43,85 Ω 10,7 volt R2 = (98,07(10 6 )A R2 = 109,11 Ω IC-MAKS = V CC R E 15 volt IC-MAKS = 680 Ω IC-MAKS = 22,06 ma VCE-MAKS = VCC VCE-MAKS = 15 volt Analisis AC : Re = R ER L R E +R L (680 Ω)(5000 Ω) Re = (680 Ω)+(5000 Ω) Re = 598,60 Ω IC-MAKS =ICQ + V CEQ R C +R e IC-MAKS = 14,71 ma + 5 volt 0 + 598,60 Ω IC-MAKS = 14,71 ma+8,35 ma IC-MAKS = 23,06 ma VCE-MAKS = VCEQ+ICQ(RC + Re) VCE-MAKS = 5 volt+(14,71 ma)(0 + 598,60 Ω) VCE-MAKS = 5 volt+8,81 volt VCE-MAKS = 13,81 volt Ayunan tegangan maksimum positif = ICQRe ICQRe = (14,71 ma)(598,60 Ω) ICQRe = 8,81 volt Ayunan negatif = VCEQ VCEQ = -5 volt VCEQ = (2)(5) volt Untuk VP-P diambil harga terkecil, yaitu 5 volt, sehingga VP-P = 10 volt
Analisis DC Analisis AC RE = 680 Ω Re = 598,60 Ω VCEQ = 5 volt - IBQ = 98,07 µa - ICQ = 14,71 ma - Ic-MAKS = 22,06 ma IC-MAKS = 23,06 ma VCE-MAKS = 15 volt VCE-MAKS = 13,81 volt
Soal-soal latihan : 1. Diberikan ICQ = 4 ma dan VCEQ = 10 volt, tentukan nilai R1 dan RC untuk rangkaian dibawah ini? 2. Jika β = 100, hitung RC? 8.4. Bias Dengan Umpan Balik Untuk meningkatkan stabilitas bias dilakukan dengan memberikan umpan balik dari kolektor rmenuju basis.
Loop Basis-Emitor : VCC I`CRC IBRB VBE IERE = 0 Perhatikan bahwa arus IC yang masuk ke kaki kolektor berbeda dengan I`C, dimana I`C = IB+IC, tetapi nilai IB yang jauh lebih kecil bias diabaikan untuk memperoleh persamaan yang lebih sederhana (asumsi I`C IC βib dan IC IE) : VCC-βIBRC IBRB VBE βibre = 0 VCC VBE βib(rc+re) IBRB = 0 Sehingga : IB = V CC V BE R B +β(r C +R E ) Loop Kolektor-Emitor :
IERE+VCE+I`CRC = VCC, dengan I`C ICdan IC IE, maka : VCC = IC(RC+RE)+VCE VCE = VCC IC(RC+RE)
Untuk rangkaian di atas hitung ICQ, VCEQ, VB, VC, VE dan VBC? Solusi : IB = V CC V BE R B +βr C 20 volt 0,7 volt IB = IB = IB = 680000 Ω+(120)(4700 Ω) 19,3 volt 680000 Ω+564000 Ω 19,3 volt 1244000 Ω IB = 15,51 µa ICQ = βib = (120)(15,51 µa) ICQ = 1,86 ma VCEQ = VCC-ICRC VCEQ = 20 volt (1,86 ma)(4,7 kω) VCEQ = 11,26 volt VE = 0 volt VB = VBE VB= 0,7 volt VC = VCE VC= 11,26 volt VBC = VB-VC
VBC = 0,7 volt-11,26 volt VBC = - 10,56 volt 8.5. Penguat Satu Transistor Jika tegangan masukan mempunyai tegangan puncak sebesar 1 volt, tentukan tegangan keluarannya? Analisis DC : VB = (VCC) R 2 R 1 +R 2 10 kω VB = (10 volt) 10kΩ+10 kω VB= 5 volt VE = VB VBE VE= 5 volt 0,7 volt VE= 4,3 volt VC = VCC VC= 10 volt IE = V E 4,3 volt = R E 4300 Ω IE= 1 ma
Analisis AC : 25 mv 25 mv re = = I E 1 ma re= 25 Ω R E A = R E +r e 4300 Ω A = 4300 Ω+25 Ω A = 0,994 ( 1) Hasil Akhir : VOUT = AVVIN = (1)(1 volt) VOUT= 1 volt
Hitunglah besarnya VOUT? Analisa DC : VB = (2k2)(10V) 2k2+10k VB = 1,8 volt VE = VB-VBE VE = 1,8 volt 0,7 volt VE = 1,1 volt IE = V E R E 1,1 volt IE = 1k IE = 1,1 ma Analisa AC : re = re = 25 mv I E 25 mv 1,1 ma re = 22,7 Ω A = R C r e A = 3600 Ω 22,7 Ω
A = -159 1 Kohm 3,6 Kohm 1-mV puncak 1,18 Kohm V in 1,5 Kohm -159 V in V out (b) Hasil Akhir : Zin-basis = βre Zin-basis = (150)(22,7 Ω) Zin-basis = 3,4 kω Zin = R1 R2 Zin-basis Zin = 10 kω 2,2 kω 3,4 kω Zin = 1,18 kω (1,18 kω)(1 mv) Vin = 2,18 kω Vin = 0,541 mv AVin = (-159)(0,541 mv) AVin = -86 mv ( 86 mv)(1,5 kω) Vout = 5,1 kω Vout = -25 mv(vpp = 12,5 mv) AV = V OUT V S 12,5 mv AV = 1 mv AV = 12,5
8.6. Penguat kaskade +V CC R 1 R C R 1 R C R S R 2 R E R 2 R E R L (a) R S V in Z out V out V in Z out V out Z in AV in Z in AV in (b)
Contoh : +10 V 10 Kohm 3,6 Kohm 10 Kohm 3,6 Kohm 1 Kohm 1 Kohm 1 Kohm 1,5 Kohm 2,2 Kohm 2,2 Kohm (a) 1 Kohm V in(1) V out(1) 3,6 Kohm V in(2) 3,6 Kohm 1-mV puncak 1,18 Kohm -159V in(1) 1,18 Kohm -159V in(2) 1,5 Kohm V out (b) Penyelesaian : Penguat 1 : Analisa DC : VB = (2k2)(10V) 2k2+10k VB = 1,8 volt VE = VB-VBE VE = 1,8 volt 0,7 volt VE = 1,1 volt IE = V E R E 1,1 volt IE = 1k IE = 1,1 ma
Analisa AC : re = re = 25 mv I E 25 mv 1,1 ma re = 22,7 Ω A = R C r e A = 3600 Ω 22,7 Ω A = -159 Hasil Akhir : Zin-basis = βre Zin-basis = (150)(22,7 Ω) Zin-basis = 3,4 kω Zin = R1 R2 Zin-basis Zin = 10 kω 2,2 kω 3,4 kω Zin = 1,18 kω (1,18 kω)(1 mv) Vin = 2,18 kω Vin = 0,541 mv AVin = (-159)(0,541 mv) AVin = -86 mv Vout = AVin = -86 mv Penguat 2 : Vin = (1,18 kω)( 86 mv) 4,78 kω Vin = 21,23 mv AVin = (-159)(21,23 mv) AVin = 3375,57 mv (3375,57 mv)(1,5 kω) Vout = 5,1 kω Vout = 992,81 mv
8.7. Analisis Frekuensi Hitung frekuensi fin, fout dan fe jika CIN = 0,47µF, COUT = 2,2µF dan CE = 10µF. fin = fin = 1 2π(R S +R IN )(C IN ) 1 (6,28)(1kΩ+1,18kΩ)(0,47μF) fin = 155Hz 1 fout = fout = 2π(R OUT +R L )(C OUT ) 1 (6,28)(3,6kΩ+1,5kΩ)(2,2μF) fout = 14,2Hz ROUT = re+ R S R 1 R 2 β ROUT = 22,7+ (1kΩ) 10kΩ (2,2kΩ) 150 ROUT = 27Ω 1 fe = fe = (2π)(R OUT )(C OUT ) 1 (6,28)(27Ω)(10µF) fe = 589Hz