RINGKASAN MATERI

 Sub chapter 10 Operational Amplifier


Biasa disebut dengan op-amp, merupakan penguat elektronika yang banyak digunakan untuk membuat rangkaian detektor, komparator, penguat audio, video, pembangkit sinyal, multivibrator, filter, ADC, DAC, rangkaian penggerak dan berbagai macam rangkaian analog lainnya.

Op-amp memiliki karakteristik mendekati karakteristik penguat operasional ideal tanpa memperhatikan yang ada di dalamnya.

Tiga karakteristik utama op-amp ideal, ialah:
1. Gain sangat besar (Aᴏʟ >>).
Penguatan open loop adalah sangat besar karena feedback-nya tidak ada atau RF = tak terhingga.
2. Impedansi input sangat besar (Zi >>).
Impedansi input adalah sangat besar sehingga arus input ke rangkaian dalam op-amp sangat kecil mengakibatkan tegangan input sepenuhnya dapat dikuatkan.
3. Impedansi output sangat kecil (Zᴏ <<).
Impedansi output adalah sangat kecil akibatnya tegangan output stabil karena tahanan beban lebih besar yang diparalelkan dengan Zᴏ <<.

simbol op-amp :


Vᴏ = Aᴏʟ.Eᴅ
Adapun tegangan output maksimum yang dihasilkan:
Vᴏ ᴍᴀᴋꜱ = Aᴏʟ(V𝟣-V𝟤) , -> Eᴅ = V𝟣-V𝟤

Tegangan output maksimum Volt dibawah tegangan sumber -> ±Vꜱᴀᴛ =  ±Vꜱ ± 2. Input op-amp yaitu apabila input dimasukkan ke kaki non inverting (+) yang artinya tidak membalik maka tegangan output yang dihasilkan adalah sefasa dengan tegangan input dan sebaliknya. 

Rumus Tegangan diferensial maksimum antara input non-inverting dan inverting op-amp yang memungkinkan operasi linear
Ket:
Eᴅ (ᴍᴀᴋꜱ) = Tegangan diferensial maksimum antara input non-inverting dan inverting op-amp yang memungkinkan operasi linear
Vꜱᴀᴛ = Tegangan saturasi = nilai maksimum yang bisa dicapai oleh output op-amp 
Aᴏʟ = Open loop-gain = penguat op amp(+/-) tanpa umpan balik (Nilainya sangat besar)

Detektor

Rangkaian detektor berfungsi untuk mendeteksi keberadaan atau perubahan suatu fenomena / sinyal. Gambar rangkaian detektor:

Rangkain detektor terdiri 2 macam, yaitu:

1.Detektor inverting 
a. Vʀᴇꜰ = 0 Volt




b. Vʀᴇꜰ = + Volt ( > 0 Volt )

c. Vʀᴇꜰ = - Volt ( < 0 Volt )

2.Detektor noninverting

a. Vʀᴇꜰ = 0 Volt

b. Vʀᴇꜰ = + Volt ( > 0 Volt )


c. Vʀᴇꜰ = - Volt ( < 0 Volt )

Komparator

Ketika rangkaian detektor dengan input Vi ditumpangi oleh noise Vn yang berfrekuensi tinggi akibatnya frekuensi output menjadi tidak sama dengan frekuensi input. Contoh gambar rangkaiannya : 

Untuk menghindari tegangan noise (V𝙣) ang membuat frekuensi output tidak sama dengan frekuensi inputnya maka digunakan rangkaian komparator dengan feedback positif lalu menjadi frekuensi output sama dengan frekuensi input walaupun ada terjadi pergeseran fasa. 

Rangkaian komparator ada 2 macam, yaitu:

1.Komparator inverting 
a. Vʀᴇꜰ = 0 Volt
Untuk menghitung tegangan ambang Vᴜᴛ (Upper Threshold Voltage) atau Vʟᴛ (Lower Threshold Voltage) maka lakukan pemisalan kondisi tegangan output Vᴏ = ±Vꜱᴀᴛ
Misal Vᴏ = +Vꜱᴀᴛ, hitung Vᴜᴛ:
Gambar rangkaian Vo=+Vsat
Misal Vᴏ = -Vꜱᴀᴛ , hitung Vʟᴛ:

b. Vʀᴇꜰ ≠ 0 Volt
Misal Vᴏ = -Vꜱᴀᴛ , hitung Vʟᴛ:





2. Komparator noninverting
a. Vʀᴇꜰ = 0 Volt
Misal Vᴏ = +Vꜱᴀᴛ, hitung Vᴜᴛ:


Misal Vᴏ = -Vꜱᴀᴛ , hitung Vʟᴛ:


b. Vʀᴇꜰ ≠ 0 Volt
Misal Vᴏ = +Vꜱᴀᴛ, hitung Vᴜᴛ:


Misal Vᴏ = -Vꜱᴀᴛ , hitung Vʟᴛ:




Amplifier

kurva Karakteristik I-O amplifier bekerja pada karakteristik yang membentuk hubungan linear artinya semakin besar Vi maka semakin besar juga VO dan sebaliknya. Operasi amplifier menghindari output dalam kondisi saturasi karena akan membuat cacat keluaran outputnya.

Ciri-ciri rangkaian amplifier adalah adanya feedback (umpan balik)
negatif dari output ke input inverting (-) op-amp. Rangkaian amplifier ada 3 macam, yaitu:

1. Amplifier inverting 

input dimasukkan ke kaki inverting (pembalik) sehingga output akan dibalik atau beda fasa sebesar 180 derajat.
Untuk mencari turunan penguatan tegangan ACL maka rangkaian dimisalkan dahulu dengan input dc positif, seperti gambar 114. Dalam analisa rangkaian amplifier disyaratkan op-amp bekerja ideal sehingga tegangan differensial (selisih tegangan di kaki non inverting terhadap tegangan di kaki inverting) Eᴅ = 0 , artinya V𝘈 = 0 akibatnya  arus yang melewati Ri sama dengan arus yang melewati R𝘧 karena arus yang masuk ke kaki inverting sangat kecil karena sifat op-amp dimana impendasi (Zi) inputnya sangat besar.
Eᴅ = 0 , V𝘈 = 0 sehingga rangkaian dapt disederhanakan

2.Inverting Amplifier (Pembalik)
memakai hukum Kirchoff, Syarat op-amp ideal Eᴅ = 0 sehingga V𝘈 = 0



3.Nonverting Amplifier (tidak membalik)
Syarat op-amp ideal Eᴅ = 0 sehingga V𝘈 = Vi




4.Noninverting Adder Amplifier (pembalik)
dengan memakai metoda loop tertutup untuk mencari arus loop sehingga bisa dicari tegangan input Vi. Syarat op-amp ideal Eᴅ = 0 , V𝘈 = 0


3.Voltage Followers atau buffer
Aᴄʟ = 1 , gambar
Bentuk gelombang tegangan input dan output sama karena Aᴄʟ = 1 dan sefasa karena Vi diinputkan ke kaki non inverting
 
3.Differential Amplifier 
Rangkaian Differential Amplifier adalah menghasilkan selisih Vᴏ = Vᴏ(ɴᴏɴ.ɪɴᴠ.ᴀᴍᴘ)-Vᴏ(ɪɴᴠ.ᴀᴍᴘ).

Pembangkit Sinyal
1.Ramp Generator
berdasarkan respon outputnya ada dua macam yaitu ramp-up dan ramp-down



2.Triangle Generator
Rangkaian pembangkit gelombang segitiga (Triangle Generator) dapat
dibuat dari rangkaian ramp generator diseri dengan komparator dan output komparator di-feedback-kan ke input ramp generator


3.Sawtooth Generator atau pembangkit gelombang gigigergaji


4.Sinus Generator 
Memanfaatkan osilator jembatan Wein. Dioda Zener berfungsi untuk membuat output tidak saturasi karena akan ada satu dioda zener yang aktif dan menguragi penguatan bila tegangan keluaran melampaui tegangan saturasi.

5.Astable Multivibrator
Rangkaian pembangkit gelombang persegi tanpa sumber input. Prinsip kerjanya hampir sama seperti rangkaian pembangkit gelombang segitiga dengan memakai rangkaian ramp dan komparator. Rangkaian ini gabungan dua rangkaian dalam satu op-amp yaitu rangkaian penguat yang menggunakan sebuah kapasitor sebagai pengganti Ri dan rangkaian komparator

prinsip 
1.pengisian (Charge): 


2. pengosongan (discharge) kapasitor adalah: 

6.One shoot Multivibrator
rangkaian astable
multivibrator yang mempunyai satu kondisi stabil dan akan kembali ke kondisi stabil kembali sesudah ditriger. Untuk membuat kondisi output VO menjadi tidak stabil dapat diberikan sinyal input trigger positif maupun negatif sesuai rancangan

Sub chapter 13 Linear-Digital ICs

1. Pengertian
IC (Integrated Circuit) adalah rangkaian elektronik miniatur dalam satu chip.
- IC Linear: bekerja dengan sinyal analog (kontinu), seperti penguat, filter, osilator.
- IC Digital: bekerja dengan sinyal diskrit (0 dan 1), seperti gerbang logika, flip-flop, counter.

2. IC Linear
Contoh: Op-Amp, Voltage Regulator, Comparator.
Ciri Op-Amp ideal:
- Impedansi input besar, output kecil
- Penguatan open-loop sangat besar
- Respon frekuensi lebar

3. Konfigurasi Dasar Op-Amp dan Rumus
a) Inverting Amplifier: Vo = -(Rf/Rin) * Vin
b) Non-Inverting Amplifier: Vo = (1 + Rf/Rin) * Vin
c) Buffer: Vo = Vin
d) Summing Amplifier: Vo = -(Rf/R1)*V1 - (Rf/R2)*V2 ...
e) Differential Amplifier: Vo = (Rf/R1)(V2 - V1)

4. IC Digital
Contoh: Gerbang logika, Flip-Flop, Counter, Multiplexer.
Gerbang logika dasar:
- AND: A . B
- OR: A + B
- NOT: NOT A
- NAND, NOR, XOR sesuai kombinasi logika.
Flip-Flop: menyimpan bit data, contoh D, SR, JK, T.

5. Rumus Penting
CMRR = Ad / Acm atau dalam dB: 20 log10(CMRR)
Slew Rate = dVo/dt (V/us)
Gain Bandwidth Product: Av * f = konstan

6. Contoh Soal dan Jawaban Singkat
1) Hitung Vo untuk op-amp inverting dengan Vin = 0.2V, Rf = 100kOhm, Rin = 10kOhm.
Jawab: Vo = -(100k/10k)*0.2 = -2V
2) Hitung Vo untuk non-inverting op-amp, Vin = 0.5V, Rf = 200kOhm, Rin = 10kOhm.
Jawab: Vo = (1 + 200k/10k)*0.5 = 11*0.5 = 5.5V
3) Buat tabel kebenaran gerbang XOR:
A B | A XOR B
00| 0
01| 1
10| 1
11| 0

Sub chapter 14 Feedback & Oscillastor Circuits

1. Feedback Circuits

adalah proses pengembalian sebagian output kembali ke input rangkaian untuk mempengaruhi perilaku rangkaiannya. Rangkaian punya karakteristik tergantung pada feedback yang digunakan, berikut jenis feedback yang digunakan:

•Feedback positif->output yang diumpan kembali ke input dalam fase yang sama dengan input, amplitudo sinyal meningkat dan mengakibatkan osilasi. Ciri-ciri : digunakan pada rangkaian osilator dan untuk menghasilkan penguatan
•Feedback negatif-> output yang diumpan kembali ke input dalam fase yang berlawanan, mengurangi gain dan meningkatkan kestabilan. Ciri-ciri : digunakan pada penguatan untuk menurunkan distorsi dan meningkatkan kestabilan

2.Oscillator Circuits
adalah rangkaian yang menghasilkan sinyal periodik tanpa ada sinyal input dan eksternal yang berkelanjutan. Ia mengandalkan umpan balik positifbuntuk menjaga gelombang sinyal.

Jenis-jenis Osilastor:
a.Osilastor Sinusoidal:
•Osilastor RC: Menggunakan Resistor dan kapasitor
•Osilastor LC: Menggunakan induktor dan Capasitor
b.Osilastor Non-sinusoidal
•Osilastor Schmitt Triggler : Menggunakan umpan balik positif untuk menghasilkan sinyal persegi
•Osilastor Multivibrator : untuk menghasilkan pulsa

Persyaratan Osilastor
•Kondisi 1 : produk penguapan loop = 1
•Kondisi 2 : Fase total dalam loop harus 0 derajat atau kelipatan 360 derajat.

Contoh Soal

Pada rangkaian osilator LC, sebuah induktor L=1HL = 1 \, H dan kapasitor C=1μFC = 1 \, \mu F digunakan. Jika rangkaian ini harus menghasilkan osilasi, tentukan penguatan loop minimal yang dibutuhkan!

Penyelesaian:
Untuk osilator LC, penguatan loop minimum yang diperlukan adalah 1 (sesuai dengan kriteria Barkhausen).

Frekuensi osilasi untuk osilator LC dihitung dengan rumus:

rumus:

f=12πRCf = \frac{1}{2 \pi R C}

Substitusikan nilai R=10kΩ dan C=100nFC = 100 \, nF:

f=12π(10×103)(100×109)f = \frac{1}{2 \pi (10 \times 10^3) (100 \times 10^{-9})} f159.15Hzf \approx 159.15 \, \text{Hz}

Jadi, frekuensi osilasi adalah sekitar 159.15 Hz.

Soal 2: Menentukan Penguatan Loop dalam Osilator LC

Pada rangkaian osilator LC, sebuah induktor L=1H dan kapasitor C=1μFC = 1 \, \mu F digunakan. Jika rangkaian ini harus menghasilkan osilasi, tentukan penguatan loop minimal yang dibutuhkan!

Penyelesaian:
Untuk osilator LC, penguatan loop minimum yang diperlukan adalah 1 (sesuai dengan kriteria Barkhausen).

Frekuensi osilasi untuk osilator LC dihitung dengan rumus:

f=12πLC​

Substitusikan L=1HL = 1 \, H dan C=1μF:



f \approx 159.15 \, \text{Hz}

Penguatan loop harus memenuhi syarat untuk menghasilkan sinyal yang cukup kuat agar osilasi dapat dipertahankan.

Soal 3: Analisis Pengaruh Feedback Positif dalam Rangkaian Osilator

Sebuah rangkaian osilator menggunakan feedback positif dengan penguatan 

A=10A = 10. Jika feedback negatif pada sistem tersebut terlalu tinggi, jelaskan apa yang akan terjadi terhadap osilasi!

Penyelesaian:
Jika feedback negatif terlalu tinggi, maka amplitudo osilasi akan berkurang dan akhirnya osilasi bisa terhenti. Pada osilator, feedback positif sangat penting untuk mempertahankan osilasi. Feedback negatif yang terlalu kuat akan merusak kondisi yang diperlukan untuk menghasilkan sinyal periodik yang stabil.

Untuk mempertahankan osilasi, penguatan dan feedback harus diatur sedemikian rupa agar sistem tetap berada dalam keadaan osilasi yang stabil.

Jadi, Feedback dapat digunakan untuk meningkatkan atau menstabilkan performa rangkaian elektronik.Osilator bergantung pada umpan balik positif untuk menghasilkan sinyal periodik tanpa input eksternal.Pemahaman tentang kondisi osilasi (misalnya kriteria Barkhausen) dan pengaruh feedback sangat penting dalam desain rangkaian osilator.

Sub chapter 14 PNPN and Other Devices

1. PNPN Devices 

komponen semikonduktor yang terdiri dari empat lapisan material semikonduktor: P-N-P-N. Biasanya, komponen ini dikenal dengan nama Thyristor atau Silicon Controlled Rectifier (SCR).

Karakteristik PNPN:

Bentuk: Struktur terdiri dari dua dioda yang saling terhubung, yaitu: P-N-P-N.

Pengendalian Aliran Arus: Arus hanya dapat mengalir dalam satu arah (seperti dioda), tetapi dapat dikendalikan dengan memberi sinyal pada terminal gate.

Fungsi Utama: Digunakan sebagai saklar elektronik untuk mengalirkan atau menghentikan arus dalam rangkaian.

Aplikasi: Pengendalian arus dalam rangkaian daya AC, konversi energi, dan sistem proteksi.

2. Other Devices:

Selain PNPN, ada beberapa komponen lain yang serupa atau digunakan dalam aplikasi elektronik dan kelistrikan, seperti:

2.1 Diode (Dioda):

  • Karakteristik: Sebuah dioda adalah perangkat semikonduktor dua terminal yang hanya memungkinkan arus mengalir dalam satu arah.

  • Aplikasi: Rectifier, pengaturan tegangan.

2.2 Triac:

  • Karakteristik: Triac adalah device semikonduktor yang mengontrol arus AC dengan dua arah aliran (positif dan negatif). Triac bekerja dengan prinsip yang mirip dengan SCR, tetapi dapat mengalirkan arus dalam dua arah.

  • Aplikasi: Pengendalian daya AC, dimmer lampu, pengaturan kecepatan motor.

2.3 Diode Light Emitting (LED):

  • Karakteristik: Sebuah dioda khusus yang mengemisi cahaya saat arus listrik mengalir melaluinya.

  • Aplikasi: Penerangan, indikator, layar digital.

2.4 Zener Diode:

  • Karakteristik: Dioda dengan karakteristik tegangan breakdown yang stabil (tegangan Zener), digunakan untuk pengaturan tegangan.

  • Aplikasi: Regulator tegangan, perlindungan rangkaian.

Contoh Soal dan Pembahasan

Soal 1: Menjelaskan Cara Kerja PNPN (Thyristor)

Sebuah rangkaian menggunakan Thyristor dengan tegangan anoda 100V dan tegangan gate sebesar 10V. Jika sinyal pemicu diberikan pada terminal gate, jelaskan bagaimana aliran arus terjadi.

Penyelesaian:

  • Pada awalnya, ketika tidak ada tegangan pemicu pada gate, thyristor dalam keadaan OFF dan tidak ada arus yang mengalir.

  • Ketika tegangan pemicu diberikan pada gate, thyristor berubah menjadi ON dan arus mulai mengalir dari anoda ke katoda.

  • Setelah arus mulai mengalir, thyristor tetap ON bahkan jika tegangan pada gate dilepas. Ini terjadi karena efek dari struktur feedback positif antara lapisan P dan N.

  • Untuk mematikan thyristor, dibutuhkan kondisi tertentu (misalnya, menurunkan tegangan anoda atau menggunakan pulse reverse voltage).

Soal 2: Menghitung Arus pada Rangkaian SCR (Thyristor)

Sebuah rangkaian menggunakan SCR dengan tegangan anoda 120V dan beban resistor R=10ΩR = 10 \, \Omega. Jika SCR dalam keadaan ON, berapa besar arus yang mengalir pada beban?

Penyelesaian:
Jika SCR sudah dalam keadaan ON (terkait dengan prinsip kerja dan karakteristik Thyristor), maka rangkaian ini bertindak seperti sirkuit sederhana dengan resistor.

Menggunakan hukum Ohm:

Sebuah rangkaian menggunakan SCR dengan tegangan anoda 120V dan beban resistor R=10ΩR = 10 \, \Omega. Jika SCR dalam keadaan ON, berapa besar arus yang mengalir pada beban?

Penyelesaian:
Jika SCR sudah dalam keadaan ON (terkait dengan prinsip kerja dan karakteristik Thyristor), maka rangkaian ini bertindak seperti sirkuit sederhana dengan resistor.

Menggunakan hukum Ohm

I=VR

Substitusikan nilai-nilai:

I=120V10Ω=12AI = \frac{120V}{10 \, \Omega} = 12 \, A

Jadi, arus yang mengalir pada beban adalah 12 A.

Soal 3: Perbedaan Antara Triac dan SCR

Sebuah rangkaian pengendalian daya AC menggunakan Triac dan SCR. Jelaskan perbedaan utama antara kedua perangkat tersebut!

Penyelesaian:

  • SCR (Silicon Controlled Rectifier): SCR hanya dapat mengalirkan arus dalam satu arah (dari anoda ke katoda) setelah dipicu. SCR tidak dapat mengendalikan arus dalam kedua arah.

    • Aplikasi: Pengendalian daya DC atau satu arah.

  • Triac: Triac adalah perangkat dua arah yang dapat mengalirkan arus baik dalam arah positif maupun negatif setelah dipicu. Triac sering digunakan untuk mengendalikan aliran arus AC.

    • Aplikasi: Pengendalian daya AC seperti dimmer lampu, kontrol motor AC.

Kesimpulan

  • PNPN devices (Thyristor) adalah perangkat semikonduktor yang digunakan untuk pengendalian arus dalam rangkaian daya. Ini sangat penting dalam pengaturan sistem daya, perlindungan, dan aplikasi pengendalian.

  • SCR dan Triac keduanya digunakan untuk mengendalikan aliran arus, namun Triac lebih fleksibel karena dapat mengalirkan arus dalam dua arah (AC), sementara SCR hanya dalam satu arah (DC atau AC dengan kontrol satu arah).

  • Perbedaan utama antara perangkat ini terletak pada arah aliran arus dan aplikasi penggunaannya.

Komentar

Postingan populer dari blog ini

Tubes

Fig 10.63

Fig 14.43