Elektronika Tak Linier. Yuliman Purwanto 2017

(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)

(3)

Pustaka

• J. Millman and C. C. Halkias, “Electronic Devices and

Circuits”, McGraw-Hill, 1967.

• J. Millman and C. C. Halkias, “Integrated Electronics”,

McGraw-Hill, 1972.

• J. Millman and H.Taub, “Pulse, Digital and Switching

Waveforms”, McGraw-Hill, 1965.

• Leonard Strauss, “Wave Generationg and Shaping”,

McGraw-Hill, 1960.

• Adel S. Sedra dan Kenneth C. Smith, “

Microelectro-nics Circuit”, 5th ed., Oxford University Press, 2011.

(4)

PENDAHULUAN

Komponen Elektronik tak Linier

• Induktor

• Kapasitor

(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

= j

w

L

• Fungsi :

• Komponen pembentuk tapis (filter)

• Komponen pembentuk resonator

• Penaik dan penurun tegangan AC

• Penghasil medan magnetik

(6)

(7)

(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/j

w

C

• Fungsi :

• Komponen pembentuk tapis (filter)

• Komponen pembentuk resonator

• Komponen pengeblok sinyal DC

• Penghasil medan listrik

(9)

(10)

(11)

Semikonduktor

• Struktur Atom Silikon (Si) dan Germanium (Ge)

(12)

• Semikonduktor (Si) jenis N



(13)

(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) :

(16)

Karakteristik dioda

(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

(18)

(19)

Rangkaian dioda

(20)

Rangkaian dioda

(21)

(22)

(23)

(24)

• Dioda varactor

Kapasitansi :

Karakteristik :

(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

(26)

(27)

(28)

(29)

(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 2017.

• Batas waktu pengunggahan : 5 April 2017. Film akan diputar di kelas

(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.

(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

(33)

Transistor

MOSFET IGFET

(34)

(35)

(36)

(37)

(38)

(39)

(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

(42)

(43)

(44)

(45)

Pra-tegangan Basis Sumber Luar :

• 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 kolektor-emiter V_CE.

• Di mana b = h_FE transistor. • Maka garis beban DC-nya :

(46)

Pra-tegangan Pembagi Tegangan :

• Tegangan basis :

• Tegangan emiter :

• Arus emiter :

• Menentukan arus kolektor :

(47)

Pra-tegangan Umpan Balik Emiter :

(48)

Pra-tegangan Umpan Balik Kolektor :

(49)

Pra-tegangan Emiter :

_• _{Pada emiter diberikan}

tegangan dari sumber luar.

• Menentukan arus emiter :

(50)

Contoh :

Gambarkan garis beban DC untuk rangkaian transistor di bawah ini. Jawab :

(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)

(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 :

(55)

• Penguat frekuensi audio : • Penguat frekuensi menengah :

(56)

• Penguat kopling langsung: • Penguat kopling kapasitor :

(57)

• Penguat pita sempit :

• Aplikasi : penguat RF pada stasiun

pemancar radio.

• Penguat pita lebar :

• Aplikasi : penguat/booster

(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

tengah-tengah) 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

(60)

• Penentuan titik kerja :

• Garis beban dan titik kerja :

• Misalkan : V_CC = 15 V, R₁ = R₂ = 33k, R_C = 1k, R_E = 100 ohm

• Maka : I_Csat = 15V/1k+100 = 0.013A = 13mA, V_B = 15V.33k/(33k+33k)

= 7.5V, R_B = R₁.R₂/R1+R2 = 33k.33k/(33k+33k) = 16500 ohm = 16k5, I_B = V_B/R_B = 7.5V/16500 = 0.00045A = 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 :

• 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

(63)

Penguat Kelas B push-pull:

• 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_CEcutoff = 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,

(65)

Penguat Kelas AB push-pull :

• 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

(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

(67)

Penguat Kelas C :

• 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

(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).

(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

pra-tegangan 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.

(70)

(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, 1972. • 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 L₀C₀

membentuk resonator serial  sinyal keluaran ke R_L menjadi sinus.

(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

(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 :

(75)

(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

(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)

(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).