Elektronika Tak Linier Yuliman Purwanto 2017

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

Rangkaian Peka Frekuensi Merupakan rangkaian elektronika (baik pasif maupun aktif) yang bereaksi terhadap perubahan frekuensi. Termasuk di dalamnya : Rangkaian Tapis (filter) : LPF, HPF, BPF, BSF yang tersusun dari RC, RL, RLC, LC. Rangkaian Penala (tuned circuit, resonator) : LC- seri, LC-paralel

Tapis Lolos Bawah (Low Pass Filter) Rangkaian R-C: Tanggapan frekuensi (Bode plot):

LPF Rangkaian R-L: Rangkaian L-C:

Tapis Lolos Atas (High Pass Filter) Rangkaian R-C: Tanggapan frekuensi (Bode plot):

HPF Rangkaian R-L: Rangkaian L-C:

Tapis Lolos Pita (Band Pass Filter) Rangkaian R-C: fL = fC1 fH = fC2 Tanggapan frekuensi (Bode plot):

BPF Rangkaian R-L: fL = fC1 fH = fC2 Rangkaian L-C:

Tapis Stop Pita (Band Stop Filter/Band Reject Filter) Prinsip : Tanggapan frekuensi :

BSF Jika pitanya sempit  tapis takik (notch filter) Contoh : Saat resonansi  impedansi rendah  sinyal dibuang  melewatkan sinyal lainnya. Saat resonansi  impedansi tinggi  sinyal ditahan  melewatkan sinyal lainnya.

Contoh : Twin “T” BSF Contoh : LC seri BSF

Rangkaian Tertala (Tuned Circuit) Disebut juga  resonant circuit atau tank circuit: tersusun atas komponen induktor (L) dan kapasitor (C). Penggunaan : Pembangkitan sinyal (osilator) Tapis BPF atau BSF Merupakan komponen kunci dari peralatan elektronik khususnya di bidang komunikasi elektronik : perangkat radio, osilator, tapis, penala, dan pencampur frekuensi. Jenis : LC seri LC paralel

Rangkaian Tertala LC paralel Rangkaian Tertala LC seri

Rangkaian Operasional Rangkaian Penunda Waktu Berfungsi menunda waktu keluar/masuknya sinyal pada suatu proses. Prinsip dasar : memanfaatkan sifat konstanta waktu RC atau L/R sebagai komponen penunda, baik untuk saat pengisian maupun pengosongan C atau L.

Kegunaan : Menyerempakkan 2 buah sinyal atau lebih untuk diproses Menghapus sinyal yang tidak diinginkan Pengaman pada rangkaian berdaya tinggi Contoh : penunda waktu analog menggunakan rangkaian RC dengan memanfaatkan konstanta waktu pembuangan muatan kapasitor.

Aplikasi penunda waktu : pengaman speaker pada penguat daya audio. Bisa digunakan untuk menghidupkan sistem pemancar berdaya besar (radio/tv) yang memerlukan pensaklaran berbasis waktu (penundaan waktu) untuk menghidupkan tingkat-tingkat penguat RF.

Contoh : Rangkaian Non-Linear Delay Line Aplikasi : sistem antena jamak, sistem duplexer, dlsb.

Penunda waktu digital Contoh : Rangkaian penunda waktu untuk menghasilkan keluaran pulsa sempit.

Rangkaian Pemotong Prinsip : memanfaatkan sifat satu arah dari bahan semikonduktor (dioda, transistor) Jenis : Pemotong positif seri Pemotong negatif seri Pemotong positif paralel Pemotong negatif paralel Pemotong kombinasi Pemotong positif seri :

Pemotong positif seri dengan pra-tegangan : Pemotong negatif seri :

Pemotong negatif seri dengan pra-tegangan : Pemotong positif paralel :

Pemotong positif paralel dengan pra-tegangan : Pemotong negatif paralel :

Pemotong positif paralel dengan pra-tegangan : Pemotong dioda ganda (kombinasi):

Penjepit (clamper) Penjepit sinyal menggeser seluruh sinyal AC naik atau turun dengan menggunakan tegangan DC dan sebuah dioda  tidak mengubah nilai sinyal, hanya “menggeser” sumbu nolnya saja  berbeda dengan pemotong (clipper) yang mengubah nilai sinyal. Penjepit positif : menggeser seluruh sinyal di atas sumbu nol sehingga nilainya selalu positif. Contoh penjepit positif : Penjepit negatif : menggeser seluruh sinyal di bawah sumbu nol sehingga nilainya selalu negatif. Contoh penjepit negatif :

Penjepit positif dengan pra-tegangan : Penjepit negatif dengan pra-tegangan:

Pengganda tegangan (voltage doubler) Prinsip dasar : Cara kerja : saat puncak setengah perioda negatif, D1 terbias maju dan D2 terbias balik  C1 dimuati setinggi tegangan puncak Vin dengan polaritas positif di sebelah kanan. Saat puncak setengah perioda positif, D1 terbias balik dan D2 terbias maju  Karena Vin dan C1 terpasang seri, maka C2 akan diisi hingga 2xVin  C2 diisi tegangan sebesar Vin+VC1. Setelah beberapa siklus, tegangan pada C2 akan sama dengan 2xVin.

Pelipat tegangan (voltage multiplier) Contoh praktis : Terdiri dari beberapa tingkat pengganda tegangan yang tersusun secara seri.

DC-DCvoltage doubler Prinsip : membangkitkan tegangan AC dengan berbagai metoda, kemudian dilakukan penggandaan tegangan dengan dioda. Contoh praktis :

Pembatas Ada 2 jenis : pembatas tegangan dan pembatas arus. Pembatas tegangan : membatasi tegangan yang secara umum memanfaatkan sifat komponen dioda zener. Keluaran sesuai dengan karakteristik dioda zener.

Pencatu daya terregulasi (regulated power supply) Prinsip dasar : Cara kerja : dioda DZ membatasi tegangan patokan pada basis Tr1 sebesar VZ. Tegangan VBE adalah 0.7V sehingga tegangan keluaran adalah sebesar VOUT = VZ - VBE. Jika tegangan VOUT naik (karena efek pembebanan),  tegangan VBE akan naik  arus IB naik  arus kolektor-emitter naik. Maka ada tambahan arus ke beban yang akan mengembalikan tegangan VOUT ke besaran semula  stabil. Jika VOUT cenderung turun (karena efek pembebanan) maka akan tegangan VBE turun  arus IB turun  arus kolektor-emitter turun  tegangan VOUT naik ke besaran semula  stabil. Jika tegangan masukan VIN naik/turun, maka dioda DZ akan membatasi tegangan VBE sehingga tegangan VOUT stabil.

Pencatu daya terregulasi seri dengan umpan balik : Cara kerja : tegangan patokan VZ dibandingkan dengan tegangan umpan- balik VF  menghasilkan tegangan kesalahan  digunakan untuk mengendalikan elemen kendali  mengoreksi kesalahan pada VOUT. Tegangan keluaran VOUT = (VZ + VBE2) + (VOUT - VF). Jika VF diubah dengan mengubah VR1  VF dan VZ berubah  VOUT berubah  VR1 menghasilkan tegangan VOUT yang berubah  stabil di tegangan itu. Jika VOUT cenderung naik  VF - VZ naik  arus kolektor TR2 naik  teg. VBE1 turun  arus IB1 turun  arus kolektor TR1 turun  teg. VOUT turun ke titik yang direncanakan. Demikian pula sebaliknya.

Pembatas arus Pembatas arus dengan dioda : Cara kerja : saat arus ke beban normal atau kurang  kedua dioda tidak aktif  pasokan arus tidak dibatasi. Saat arus ke beban melebihi normal (terlalu besar)  kedua dioda aktif  arus IB turun  arus kolektor ke beban juga turun. Pembatas arus dengan transistor : Cara kerja : saat arus ke beban normal atau kurang  transistor peraba tidak aktif  pasokan arus tidak dibatasi. Saat arus ke beban melebihi normal (terlalu besar)  transistor peraba aktif  arus IB turun  arus kolektor ke beban juga turun.

Operational Amplifier (Op-Amp) Merupakan rangkaian terintegrasi yang berfungsi sebagai penguat yang memiliki 2 terminal masukan dan 1 terminal keluaran. Masukan 1 : masukan tak membalik V+ (non-inverting)  menghasilkan keluaran yang sefasa. (0o) Masukan 2 : masukan membalik V- (inverting)  menghasilkan keluaran yang berbalikan fasa (180o). Secara umum bati (gain) op-amp adalah : Op-amp bisa difungsikan untuk berbagai keperluan dengan cara merangkai komponen yang sesuai dengan tujuan  sangat luas aplikasinya. Contoh aplikasi : penguat tegangan, penjumlah, pengurang, pengintegrasi, pendiferensiasi, pembanding, osilator, tapis, penyangga, dlsb.

Penguatan Tak-Membalik (Non-Inverting Amplification) Rangkaian dasar dan bati : Jika masukan R2 = 0 dan R1 = ~ maka :  berfungsi sebagai penyangga (buffer)

Penguatan Membalik (Inverting Amplification) Rangkaian dasar dan bati : Jika masukan Rf = ~ dan Ri = 0 maka : vo/vs = ~  op-amp bisa memiliki bati tak berhingga !

Penguat Penjumlah Rangkaian dasar : dari rumus penguatan membalik diperoleh : Maka untuk n masukan vs diperoleh : Jika Rf = R1 = R2 = ....... = Rn maka :

Contoh perhitungan Hitung berapa besar tegangan keluaran dari rangkaian penjumlah di bawah ini !

Contoh aplikasi rangkaian penjumlah Rangkaian kontrol nada (tone control) pada sistem penguat audio : Mengatur nada frekuensi rendah (bass), frekuensi menengah (mid-range), dan frekuensi tinggi audio (treeble). Keluaran penguat merupakan penjumlahan dari ketiga sinyal masukan.

Penguat Pengurang (Penguat Diferensial) Rangkaian dasar : Jika kita memasang R3 = R3’ dan R4 = R4’ maka : besarnya penguatan dari “pengurangan” hanya tergantung pada nisbah/perbandingan resistor yang dipasang.

Penguat Integrasi (Integrator) Rangkaian dasar : Maka : tegangan keluaran merupakan integral dari sinyal masukan.

Contoh aplikasi : Penguat Pengendali Proporsional Integral (PI) Analog Keluaran dari penguat ini merupakan hasil integrasi sinyal masukan dengan bati yang proporsional. Sinyal keluaran merupakan sinyal kendali yang bisa diaplikasikan ke rangkaian pengendali motor.

Contoh aplikasi : Penguat Pengendali Proporsional Integral Diferensial (PID) Analog Keluaran dari penguat ini merupakan hasil integrasi sinyal masukan yang sudah dibandingkan (selisih) dengan suatu sinyal acuan. Sinyal keluaran merupakan sinyal kendali yang bisa diaplikasikan ke rangkaian pengendali motor.

Pembanding (comparator) Pada dasarnya, sebuah op-amp tanpa komponen tambahan sduah membentuk rangkaian pembanding sederhana. Jika salah satu masukannya diberikan tegangan patokan maka keluaran akan menyesuaikan dengan tegangan patokan tersebut  jika tegangan patokan = 0V maka disebut pembanding lintas nol (zero crossing comparator).

Contoh aplikasi : pengendali suhu Masukan tak membalik merupakan hasil keluaran pembagi tegangan R1 dan R2  R2 merupakan sensor suhu (misalnya thermistor). Saat nilai R2 = R1 maka keluaran tidak menghasilkan tegangan karena masukan pembalik diberi tegangan 0V dan selisih antara terminal 2 dan 3 = 0V. Saat R2 berubah nilainya maka keluaran akan menghasilkan sebuah tegangan (+6V atau - 6V) yang bisa digunakan untuk mengendalikan peralatan pendingin ruangan (kipas angin atau AC).