MAKALAH ELEKTRONIKA
DISUSUN OLEH SYALSA NABILA
22350034
TEKNOLOGI REKAYASA SISTEM ELEKTRONIKA DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRONIKA
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS NEGERI PADANG 2024
BAB I PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Komponen-komponen elektronika seperti dioda, transistor (BJT), FET dan MOSFET, OP-AMP, filter, dan osilator memegang peranan penting dalam dunia teknologi modern. Mereka menjadi dasar dalam rancang bangun berbagai sistem elektronik, mulai dari perangkat portabel hingga sistem komunikasi yang kompleks.
Oleh karena itu, pemahaman yang mendalam tentang karakteristik, fungsi, dan aplikasi dari setiap komponen tersebut sangatlah penting.
Dalam era teknologi yang terus berkembang pesat, komponen-komponen elektronika telah menjadi tulang punggung dari berbagai perangkat dan sistem yang kita gunakan sehari-hari. Dari smartphone hingga jaringan komunikasi global, penggunaan dioda, transistor, FET dan MOSFET, OP-AMP, filter, dan osilator sangatlah luas dan meluas.
Dengan pemahaman yang mendalam tentang cara kerja dan aplikasi dari setiap komponen ini, insinyur dan ahli teknologi dapat merancang solusi yang lebih efektif, efisien, dan inovatif. Selain itu, pemahaman yang kuat tentang komponen- komponen ini juga penting bagi para pemula dan pelajar yang ingin memasuki dunia teknologi elektronika, membantu mereka membangun dasar yang kokoh untuk pemahaman yang lebih mendalam di masa depan.
Oleh karena itu, penelitian ini bertujuan untuk membahas karakteristik, fungsi, dan aplikasi dari berbagai komponen elektronika utama, memberikan wawasan yang luas dan mendalam kepada pembaca tentang dunia yang menarik dan penting dari teknologi elektronika.
1.2 Rumusan Masalah
Dalam rangka memahami dan mengaplikasikan komponen-komponen elektronika tersebut, beberapa pertanyaan pokok dapat dirumuskan:
Apa pengertian dan fungsi utama dari masing-masing komponen elektronika tersebut?
Bagaimana karakteristik dan prinsip kerja dari dioda, transistor (BJT), FET dan MOSFET, OP-AMP, filter, dan osilator?
Apa saja aplikasi umum dari setiap komponen tersebut dalam sirkuit elektronik?
Bagaimana cara merancang dan menganalisis sirkuit elektronik sederhana menggunakan komponen-komponen tersebut?
1.3 Tujuan
Adapun tujuan dari penulisan ini adalah sebagai berikut:
Untuk memberikan pemahaman yang komprehensif tentang karakteristik, fungsi, dan aplikasi dari komponen-komponen elektronika seperti dioda, transistor (BJT), FET dan MOSFET, OP-AMP, filter, dan osilator.
Untuk menjelaskan prinsip kerja masing-masing komponen dan bagaimana mereka berinteraksi dalam sebuah rangkaian elektronik.
Untuk memberikan panduan praktis dalam merancang dan menganalisis sirkuit elektronik sederhana menggunakan komponen-komponen tersebut.
Untuk meningkatkan pemahaman pembaca tentang teknologi elektronika dan menginspirasi mereka untuk mengembangkan aplikasi baru yang inovatif.
BAB II PEMBAHASAN 2.1 Dioda
A. Pengertian Dioda
Dioda merupakan komponen semikonduktor yang bertujuan untuk mengalirkan arus listrik hanya dalam satu arah. Sama seperti yang telah dijelaskan, semikonduktor dinamakan demikian karena karakteristiknya. Meskipun transistor termasuk dalam kategori semikonduktor, dioda secara spesifik dirancang untuk mengatur arus listrik yang mengalir hanya dalam satu arah.
Selain untuk menyearahkan arus, dioda banyak digunakan untuk fungsi lainnya sebagai berikut :
Digunakan sebagai pendeteksi untuk menangkap signal frequency radio.
Digunakan pada switch pengatur arus listrik ON/OFF
Melindungi sirkuit.
Gambar 1 Simbol Dioda
Gambar 2 Bentuk Fisik Dioda 1. Dioda Arah Maju
Dioda tipe ini dibuat dengan dua terminal pada kedua sisinya, yang merupakan junction P-N pada semikonduktor dengan karakteristik mengizinkan arus listrik mengalir hanya dalam satu arah. Ketika tegangan positif (+) diterapkan pada semikonduktor tipe P dan tegangan negatif (-) diterapkan pada semikonduktor tipe N seperti yang diperlihatkan dalam
gambar di bawah, maka hole dan elektron akan bergerak berlawanan arah menuju sumber listrik. Akibatnya, perbedaan potensial listrik antara keduanya akan menurun, dan lapisan deplesi akan menyusut. Hal ini memungkinkan hole dan elektron untuk bergerak melintasi junction. Sebagai hasilnya, arus listrik akan mengalir seiring dengan pergerakan hole dan elektron.
Gambar 3 Konsep Dioda Arah Maju
Lampu dapat menyala karena dioda dihubungkan sesuai dengan arah arus listrik.
Gambar 4 Aplikasi Dioda Arah Maju
2. Dioda Arah Mundur
Jika tegangan negatif (-) diterapkan pada semikonduktor tipe P dan tegangan positif (+) diterapkan pada semikonduktor tipe N, serta semikonduktor P dihubungkan ke sumber tegangan negatif (-) dan semikonduktor N dihubungkan ke sumber tegangan positif (+), maka pembatas potensial akan meningkat dan lapisan deplesi secara bersamaan akan melebar. Ini mengakibatkan elektron tidak dapat bergerak melintasi antara kedua jenis semikonduktor, sehingga arus listrik tidak dapat mengalir.
Gambar 5 Konsep dioda arah mundur
Lampu tidak menyala karena dioda dihubungkan berlawanan arah arus listrik sepert pada gambar dibawah ini.
Gambar 6 Aplikasi dioda arah mundur
3. Karakteristik Dioda
Karakteristik dioda dapat diidentifikasi dengan cara berikut. Saat tegangan bertahap meningkat dari 0 V, arus listrik akan tiba-tiba mulai mengalir, menghasilkan tegangan spesifik. Arus listrik hanya dapat mengalir ketika tegangan mencapai sekitar 0.6~0.7 V ke atas. Jika tegangan diterapkan secara berlawanan, arus listrik tidak akan mengalir pada tegangan tertentu yang lebih tinggi, tetapi akan tiba-tiba mengalir pada tegangan breakdown. Tegangan pada titik ini disebut sebagai tegangan breakdown.
Dioda dapat mengalami kerusakan jika diberi tegangan berlawanan dan mencapai tegangan breakdown.
Gambar 7 Karakteristik Dioda
2.2 Bipolar Junction Transistor (BJT)
Bipolar Junction Transistor merupakan komponen elektronika yang memiliki tiga terminal yaitu Emitter, Base dan Collector. BJT umunya digunakan sebagai penguat arus listrik atau sakelar yang dikendalikan oleh arus masukan (input) pada BJT.
A. Tipe BJT
BJT memiliki dua tipe yaitu NPN dan PNP yang ditunjukan pada Gambar 1.
PNP ditandai dengan simbol tanda panah pada terminal Collector dengan arah menuju terminal Base, sedangkan NPN memiliki tanda panah pada terminal Emitter dengan arah keluar terminal Emitter.
Gambar 8 Simbol Bipolar Junction Transistor
B. Prinsip Dasar Kerja BJT
BJT dapat bekerja atau aktif apabila terdapat tegangan minimal sebesar 0,7 Volt pada Base-Emitter atau Collector-Base tergantung dari tipe BJT, kemudian terdapat arus yang mengalir pada Base dengan arah tergantung dari tipe BJT sehingga akan mempengaruhi besarnya arus yang mengalir pada terminal lainnya.
BJT tipe NPN, transistor dapat bekerja jika terdapat arus yang mengalir pada Base-Emitter dengan syarat minimum tegangan Base-Emitter 0,7 Volt. Bekerjanya
transistor NPN ditandai dengan adanya arus listrik mengalir dari termintal Collector menuju ke Emitter. Prinsip dasar kerja BJT ditunjukan pada Gambar 9.
Gambar 9. Prinsip kerja transistor PNP
C. Konstruksi BJT
1. Konstruksi Dasar BJT NPN
Pada BJT tipe NPN memiliki dua P-N Junction yaitu pada Emitter-Base dan Base-Collector dengan konstruksi dasar ditunjukan pada Gambar 4. Emitter dibuat dari bahan semikonduktor tipe N yang memiliki pembawa mayoritas (majority carrier) elektron dengan konsentrasi tinggi, Collector juga dibuat dari bahan semikonduktor tipe N, akan tetapi memiliki konsentrasi lebih rendah dibanding Emitter. Sedangkan Base dibuat dari bahan semikonduktor tipe P dengan pembawa mayoritas hole.
Gambar 10. Konstruksi BJT tipe NPN 2. Depletion Layer BJT NPN
Dengan adanya konstruksi BJT yang disusun sedemikianrupa seperti ditunjukan Gambar 4 bahwa elektron dapat melewati atau berpindah dari derah N ke P melalui junction karena terdapat perbedaan konsentrasi elektron pada masing- masing daerah. Proses perpindahan elektron melalui junction disebut sebagai difusi.
Proses difusi akan terus terjadi hingga terjadi kesetimbangan, saat kesetimbangan terjadi maka disekitar junction akan terbentuk ion positif dan negatif yang menyebabkan elektron tidak dapat melewati junction lebih lanjut. Daerah yang ditempati ion positif dan ion negatif itulah yang disebut sebagai Depletion Layer atau juga lebih dikenal dengan Depletion Region.
Depletion Layer dapat berubah menjadi lebih lebar jika diberi reverse bias sehingga arus listrik semakin sulit mengalir.
3. Depletion Layer Emitter-Base NPN
Pada Gambar 11 menunjukan Depletion Layer pada Bipolar Junction Transistor tipe NPN.
Gambar 11. Depletion layer pada BJT NPN
Asumsikan setiap atom pada Emitter memiliki tiga elektron dan setiap atom pada Base memiliki satu hole. Elektron pada Emitter akan selalu berusaha berpindah ke Base karena Base memiliki elektron jauh lebih dedikit dan terjadi proses difusi.
Saat proses difusi atom pada Emitter mendonorkan tiga elektron pada Base, sehingga atom pada Emitter yang kehilangan elektron tadi berubah menjadi satu ion positif. Pada sisi Base setiap atom yang mendapatkan satu elektron sehingga atom tersebut kelebihan elektron berubah menjadi satu ion negatif, karena ada tiga elektron donor dari Emitte maka pada Base terdapat tiga ion negatif. Maka pada daerah dekat junction terdapat ion positif dan ion negatif yang menghalangi perpindahan elektron lebih lanjut. Daerah yang memiliki ion positif dan ion negatif inilah disebut sebagai Depletion Layer atau juga sering disebut sebagai Depletion Region.
2.3 FET dan MOSFET 1. Pengertian FET
Transistor Efek Medan (FET) adalah sebuah komponen elektronika aktif yang menggunakan medan listrik untuk mengatur konduktivitasnya. Operasi FET bergantung pada tegangan (medan listrik) yang diterapkan pada terminal inputnya.
Seperti transistor biasa, FET memiliki tiga terminal: Gerbang (G), Drain (D), dan Source (S).
Fungsi FET mirip dengan transistor bipolar, tetapi pengendalian arus outputnya berbeda. Pada transistor bipolar, arus output (IC) dikendalikan oleh arus input (IB), sedangkan pada FET, arus output (ID) dikendalikan oleh tegangan input (VG).
Perbedaan utama antara transistor bipolar (NPN & PNP) dan Field Effect Transistor (FET) terletak pada pengendaliannya; transistor bipolar menggunakan arus, sedangkan FET menggunakan tegangan.
FET sering disebut sebagai Unipolar Transistor atau Transistor Eka Kutup karena bergantung pada satu pembawa muatan (baik elektron maupun hole), sementara transistor bipolar biasanya memiliki dua pembawa muatan: elektron (negatif) dan hole (positif).
Julius Edgar Lilienfeld menciptakan dan mematenkan FET pada tahun 1926, dan Oscar Hell juga melakukannya pada tahun 1934.
A. Jenis-jenis Field Effect Transistor (FET) dan Cara Kerjanya
Pada dasarnya terdapat dua jenis klasifikasi utama pada Field Effect Transistor atau FET ini, kedua jenis tersebut diantaranya adalah JFET (Junction Field Effect Transistor) dan MOSFET (Metal Oxide Semiconduction Field Effect Transistor).
B. Junction FET (JFET)
Cara Kerja JFET pada prinsipnya seperti kran air yang mengatur aliran air pada pipa. Elektron atau Hole akan mengalir dari Terminal Source (S) ke Terminal Drain (D). Arus pada Outputnya yaitu Arus Drain (ID) akan sama dengan Arus Inputnya yaitu Arus Source (IS). Prinsip kerja tersebut sama dengan prinsip kerja sebuah pipa air di rumah kita dengan asumsi tidak ada kebocoran pada pipa air kita.
Besarnya arus listrik tergantung pada tinggi rendahnya Tegangan yang diberikan pada Terminal Gerbangnya (GATE (G)). Fluktuasi Tegangan pada Terminal Gate (VG) akan menyebabkan perubahan pada arus listrik yang melalui saluran IS atau ID. Fluktuasi yang kecil dapat menyebabkan variasi yang cukup besar pada arus aliran pembawa muatan yang melalui JFET tersebut. Dengan demikian terjadi penguatan Tegangan pada sebuah rangkaian Elektronika.
Junction FET atau sering disingkat dengan JFET memiliki 2 tipe berdasarkan tipe bahan semikonduktor yang digunakan pada saluran atau kanalnya. JFET tipe N- Channel (Kanal N) terbuat dari bahan Semikonduktor tipe N dan P-Channel (Kanal P) yang terbuat dari Semikonduktor tipe P.
C. JFET Kanal-N
Berikut di bawah ini adalah gambar struktur dasar JFET jenis Kanal-N.
Saluran pada JFET jenis Kanal-P terbuat dari Semikonduktor tipe P.
Mayoritas pembawa muatannya adalah Hole. Bagian Gate atau Gerbang (G) dan Subtrate-nya terbuat dari bahan Semikonduktor tipe N.
Di JFET Kanal-P, semakin Positifnya VG, semakin sempit pula salurannya yang akhirnya mengakibatkan semakin kecilnya arus pada Output JFET (ID).
Dari Simbolnya, kita dapat mengetahui mana yang JFET Kanal-N dan JFET Kanal-P. Anak Panah pada simbol JFET Kanal-N adalah menghadap ke dalam sedangkan anak panah pada simbol JFET Kanal-P menghadap keluar.
D. JFET Kanal-P
Berikut di bawah ini adalah gambar struktur dasar JFET jenis Kanal-P.
Saluran pada JFET jenis Kanal-P terbuat dari Semikonduktor tipe P.
Mayoritas pembawa muatannya adalah Hole. Bagian Gate atau Gerbang (G) dan Subtrate-nya terbuat dari bahan Semikonduktor tipe N.
Di JFET Kanal-P, semakin Positifnya VG, semakin sempit pula salurannya yang akhirnya mengakibatkan semakin kecilnya arus pada Output JFET (ID).
Dari Simbolnya, kita dapat mengetahui mana yang JFET Kanal-N dan JFET Kanal-P. Anak Panah pada simbol JFET Kanal-N adalah menghadap ke dalam sedangkan anak panah pada simbol JFET Kanal-P menghadap keluar.
2. Metal Oxide Semiconduction Field Effect Transistor (MOSFET)
Seperti halnya JFET, Saluran pada MOSFET juga dapat berupa semikonduktor tipe-N ataupun tipe-P. Terminal atau Elektroda Gerbangnya adalah sepotong logam yang permukaannya dioksidasi. Lapisan Oksidasi ini berfungsi untuk menghambat hubungan listrik antara Terminal Gerbang dengan Salurannya.
Oleh karena itu, MOSFET sering juga disebut dengan nama Insulated-Gate FET (IGFET). Karena lapisan Oksidasi ini bertindak sebagai dielektrik, maka pada dasarnya tidak akan terjadi aliran arus antara Gerbang dan Saluran.
Dengan demikian, Impedansi Input pada MOSFET menjadi sangat tinggi dan jauh melebihi Impedansi Input pada JFET. Pada beberapa jenis MOSFET Impedansi dapat mencapai Triliunan Ohm (1012 Ohm). Dalam bahasa Indonesia, MOSFET disebut juga dengan Transistor Efek Medan Semikonduktor Logam-Oksida.
Salah kelemahan pada MOSFET adalah tipisnya lapisan Oksidasi sehingga sangat rentan rusak karena adanya pembuangan elektrostatik (Electrostatic Discharge). Seperti yang disebut sebelumnya, bahwa MOSFET pada dasarnya terdiri dari 2 tipe yaitu MOSFET tipe N dan MOSFET tipe P.
1. MOSFET tipe N
MOSFET tipe N biasanya disebut dengan NMOSFET atau nMOS. Berikut dibawah ini adalah bentuk struktur dan Simbol MOSFET tipe N.
MOSFET tipe P
3. Kelebihan dan Kelemahan FET
Jika dibandingkan dengan Transistor Bipolar, FET memiliki beberapa kelebihan dan kelemahan. Salah satu kelebihan FET adalah dapat bekerja dengan baik di rangkaian elektronika yang bersinyal rendah seperti pada perangkat komunikasi dan alat-alat penerima (receiver). FET juga sering digunakan pada rangkaian-rangkaian elektronika yang memerlukan Impedansi yang tinggi. Namun pada umumnya, FET tidak dapat digunakan pada perangkat atau rangkaian Elektronika yang bekerja untuk penguatan daya tinggi seperti pada perangkat Komunikasi berdaya tinggi dan alat-alat Pemancar (Transmitter).
2.4 OP dan AMP
1. Dasar-Dasar OP dan AMP
OP dan AMP merupakan singkatan dari Operational Amplifier (OP) dan Amplifier (AMP). Berikut adalah dasar-dasar dari kedua komponen tersebut:
1. Operational Amplifier (OP): OP adalah komponen elektronik yang digunakan untuk mengamplifikasi dan menganalisis tegangan listrik. OP memiliki beberapa keunggulan, seperti kemampuan mengamplifikasi tegangan dengan skala yang sangat besar, kemampuan menganalisis tegangan dengan tingkat keputusan yang tinggi, dan kemampuan mengatur tegangan dengan tingkat ketelitian yang tinggi. OP dapat digunakan dalam berbagai aplikasi, seperti pengukuran tegangan, pengaturan tegangan, dan pengamplifikasi tegangan.
2. Amplifier (AMP): AMP adalah komponen elektronik yang digunakan untuk mengamplifikasi tegangan listrik. AMP memiliki beberapa keunggulan, seperti kemampuan mengamplifikasi tegangan dengan skala yang besar, kemampuan menganalisis tegangan dengan tingkat keputusan yang tinggi, dan kemampuan mengatur tegangan dengan tingkat ketelitian yang tinggi. AMP dapat digunakan dalam berbagai aplikasi, seperti pengukuran tegangan, pengaturan tegangan, dan pengamplifikasi tegangan.
Dalam konteks ini, OP dan AMP merupakan komponen elektronik yang sangat penting dalam pengembangan sistem elektronik, seperti pengukuran tegangan, pengaturan tegangan, dan pengamplifikasi tegangan.
2. Karakteristik Op-Amp (Operational Amplifier)
Karakteristik gain atau faktor penguat pada sebuah Op-Amp dipengaruhi oleh resistor eksternal, yang terhubung di antara input pembalik atau inverting input dan output.
Konfigurasi Op-Amp dengan negatif feedback atau umpan balik negatif disebut dengan istilah closed-loop configuration. Umpan balik negatif akan menghasilkan gain yang bisa dikendalikan dan diukur serta menyebabkan berkurangnya gain.
Gain tersebut memang sengaja dikurangi untuk meminimalisir noise berlebihan serta mencegah reaksi yang tidak dibutuhkan.
Open-loop configuration memiliki sifat yang berbanding terbalik dengan closed-loop configuration. Besarnya tegangan output mendekati tegangan VCC karena gainnya tak terhingga (∞).
Berikut ini merupakan karakteristik Op-Amp yang ideal:
Av = ∞. Menghasilkan gain open loop atau tak terhingga
Voo = 0. Output offset voltage atau tegangan offset keluaran adalah nol
Zin = ∞. Input impedance atau impedansi input tak terhingga
Zout = 0. Output impedance atau impedansi output nol
BW = ∞. Bandwidth atau lebar pita tak terhingga
Suhu tidak menyebabkan perubahan karakteristik.
3. Penguat Inverting dan Non-Inverting
Penguat inverting dan non-inverting adalah dua jenis penguat yang umum digunakan dalam sistem elektronik. Berikut adalah karakteristik dari kedua jenis penguat tersebut:
1. Penguat Inverting: Penguat inverting adalah suatu rangkaian penguat yang berfungsi menguatkaan sinyal, tetapi sinyal yang dikuatkan akan berbanding dengan masukan non-inverting. Penguat inverting dapat digunakan dalam berbagai aplikasi, seperti pengamplifikasi tegangan, pengukuran tegangan, dan pengaturan tegangan.
2. Penguat Non-inverting: Penguat non-inverting adalah suatu rangkaian penguat yang berfungsi menguatkaan sinyal dan hasil sinyal yang dikuatkan tetap sefasa dengan masukan non-inverting. Penguat non-inverting dapat digunakan dalam berbagai aplikasi, seperti pengamplifikasi tegangan, pengukuran tegangan, dan pengaturan tegangan.
Dalam konteks ini, penguat inverting dan non-inverting dapat digunakan berdasarkan kebutuhan aplikasi kita. Penguat inverting akan memungkinkan sinyal yang dikuatkan berbanding dengan masukan non-inverting, sedangkan penguat non- inverting akan memungkinkan hasil sinyal yang dikuatkan tetap sefasa dengan masukan non-inverting.
4. Penguat Differential
Penguat diferensial atau Differential Amplifier adalah penguat yang berfungsi untuk menguatkan selisih dua tegangan input. Penguat diferensial ini mempunyai beberapa keunggulan, seperti:
1. Menguatkan Selisih Tegangan: Penguat diferensial menguatkan selisih antara dua tegangan input. Ini menjadikan penguat diferensial sangat cocok untuk aplikasi yang membutuhkan pengamplifikasi tegangan dengan mempertimbangkan selisih antara dua tegangan input.
2. Mengurangi Efek Noise: Penguat diferensial dapat mengurangi efek noise, yaitu gerakan tegangan yang tidak terkendali yang terdapat pada penguat. Ini memungkinkan hasil yang lebih akurat dalam mengamplifikasi tegangan.
3. Mengurangi Efek Offset: Penguat diferensial dapat mengurangi efek offset, yaitu tegangan tetap yang terdapat pada kutub masukan penguat. Ini memungkinkan hasil yang lebih akurat dalam mengamplifikasi tegangan.
Penguat diferensial dapat digunakan dalam berbagai aplikasi, seperti pengukuran tegangan, pengamplifikasi tegangan, dan pengaturan tegangan. Dalam konteks ini, penguat diferensial dapat membantu dalam membuat sistem elektronik yang lebih akurat dan efektif.
5. Penguat Integral
Penguat integral atau Integrator adalah rangkaian penguat yang berfungsi untuk mengintegrasikan tegangan input dengan waktu. Penguat integral dapat digunakan dalam berbagai aplikasi, seperti pengukuran tegangan, pengamplifikasi tegangan, dan pengaturan tegangan. Berikut adalah beberapa keunggulan dari penguat integral:
1. Mengintegrasikan Tegangan Input: Penguat integral mengintegrasikan tegangan input dengan waktu. Ini memungkinkan pengukuran tegangan dengan waktu sebagai parameter.
2. Mengurangi Efek Noise: Penguat integral dapat mengurangi efek noise, yaitu gerakan tegangan yang tidak terkendali yang terdapat pada penguat. Ini memungkinkan hasil yang lebih akurat dalam mengamplifikasi tegangan.
3. Mengurangi Efek Offset: Penguat integral dapat mengurangi efek offset, yaitu tegangan tetap yang terdapat pada kutub masukan penguat . Ini memungkinkan hasil yang lebih akurat dalam mengamplifikasi tegangan.
Penguat integral dapat dibuat dengan menggunakan rangkaian penguat inverting yang mempunyai resistor umpan. Dalam konteks ini, penguat integral dapat membantu dalam membuat sistem elektronik yang lebih akurat dan efektif.
6. Penguat Intrumentasi
Penguat Instrumentasi adalah rangkaian penguat dasar dan perancangan yang dapat dilakukan berdasarkan kebutuhan dalam berbagai aplikasi. Berikut adalah beberapa rangkaian penguat instrumentasi yang umum digunakan:
Penguat Inverting: Penguat inverting adalah suatu rangkaian penguat yang berfungsi menguatkaan sinyal, tetapi sinyal yang dikuatkan akan berbanding dengan masukan non-inverting. Penguat inverting dapat digunakan dalam berbagai aplikasi, seperti pengamplifikasi tegangan, pengukuran tegangan, dan pengaturan tegangan.
Penguat Non-inverting: Penguat non-inverting adalah suatu rangkaian penguat yang berfungsi menguatkaan sinyal dan hasil sinyal yang dikuatkan tetap sefasa dengan masukan non-inverting. Penguat non-inverting dapat digunakan dalam berbagai aplikasi, seperti pengamplifikasi tegangan, pengukuran tegangan, dan pengaturan tegangan.
Penguat Integral: Penguat integral atau Integrator adalah rangkaian penguat yang berfungsi untuk mengintegrasikan tegangan input dengan waktu.
Penguat integral dapat digunakan dalam berbagai aplikasi, seperti pengukuran tegangan, pengamplifikasi tegangan, dan pengaturan tegangan.
Dengan memahami rangkaian penguat inverting, non-inverting, dan integral, kita dapat memilih dan menggunakan penguat yang sesuai dengan kebutuhan aplikasi kita.
7. Penguat Umpan Balik Positif Umpan Balik Positif:
Perbedaan umpan balik negatif dan positif, umpan balik negatif memperlemah sinyal masukan sedangkan umpan balik positif memperkuat sinyal masukan.
Karena memperkuat sinyal, maka cenderung tidak stabil, karena tidak stabil biasanya dipakai sebagai pembangkit sinyal atau linier osilator.
A. Pengertian
Osilator merupakan rangkaian penguat dengan umpan balik positif, fenomena osilasi tercipta karena ada ketidak-stabilan pada sistem penguat dengan umpan balik.
Osilator adalah suatu rangkaian yang menghasilkan keluaran yang amplitudonya berubah-ubah secara periodik dengan waktu. Keluarannya bisa berupa gelombang sinusoida, gelombang persegi, gelombang pulsa, gelombang segitiga atau gelombang gigi gergaji, Dan merupakan rangkaian yang mengubah sinyal DC menjadi sinyal ac.
B. Rangkaian Dasar Osilator
Xi=Xs+Xf Xo=AXi Xf=βXo
Xi=Xs+Xf⇒Xo
A =Xs+βXo⇒Xo
(
1A −β)
=XsXo Xs=A
1−Aβ
tidak. .stabil.. .jika.. . 1−Aβ=0
Syarat terjadinya osilasi (kriteria Barkhausen) o Penguan loop tertutup →|Aβ|≥1
o Pergeseran phasa → Aβ=0 atau 2πn, dengan n = bilangan bulat ∠ Kriteria Barkhausen digunakan untuk menentukan bagaimana membuat sistem berosilasi dan untuk mencari frekuensi sinusoida yang dibangkitkan.
C. Rangkaian Osilator Op-Amp RC 1. Osilator Jembatan Wien
Jembatannya :
2. Olilator Penggeser Phasa
3. Bentuk Umum Osilator LC
4. VCO (Voltage Controlled Ossilator)
Suatu osilator elektronik dimana frekuensi keluarannya diatur oleh suatu tegangan input DC yang diberikan ;
2.5 Filter (LPF,HPF,BSF,BPF) A. Low Pass Filter (LPF)
Low Pass Filter (LPF) atau Filter Lolos Bawah adalah filter yang hanya melewatkan sinyal dengan frekuensi yang lebih rendah dari frekuensi cut-off (fc) dan akan melemahkan sinyal dengan frekuensi yang lebih tinggi dari frekuensi cut-off (fc). Pada filter LPF yang ideal sinyal dengan frekuensi diatas frekuensi cut-off (fc)
tidak akan dilewatkan sama sekali (tegangan output = 0 volt). Rangkaian low pass filter RC merupakan jenis filter pasif, dengan respon frekuensi yang ditentukan oleh konfigurasi R dan C yang digunakan.
Rangkaian dasar LPF dan grafik respon frekuensi LPF sebagai berikut.
Rangkaian Dasar Dan Grafik Respon Frekuensi Low Pass Filter RC Frekuensi cut-off (fc) dari filter pasif lolos bawah (Low Pass Filter,LPF) dengan RC dapat dituliskan dalam persamaan matematik sebagai berikut.
Rangkaian filter pasif LPF RC diatas terlihat seperti pembagi tegangan menggunakan R. Dimana pada filter LPF RC ini teganga output diambil pada titik pertemuan RC. Tegangan output (Vout) filter pasif LPF seperti terlihat pada rangkaian diatas dapat diekspresikan dalam persamaan matematis sebagai berikut.
Besarnya penguatan tegangan (G) pada filter pasif yang ideal maksimum adalah 1 = 0dB yang hanya terjadi pada frekuensi sinyal input dibawah frekuensi cut- off (fc). Penguatabn tegangan (G) filter LPF RC pasif dapat dituliskan dalam persamaan matematis sebagai berikut.
Dan penguatan tegangan (G) LPF RC dapat dituliskan dalam satuan dB sebagai berikut.
Pada filter lolos bawah (low pass filter ,LPF) terdapat beberapa karakteristik mendasar sebagai berikut.
Pada saat frekuensi sinyal input lebih rendah dari frekuensi cut-off (fc) (fin <<
fc) maka penguatan tegangan / Gain (G) = 1 atau G=0dB.
Pada saat frekuensi sinyal input sama dengan frekuensi cut-off (fc) (fin = fc) maka ω = 1/RC sehingga penguatan tegangan / Gain (G) menjadi -3 dB atau terjadi pelemahan tegangan sebesar 3 dB. Pada saat frekuensi sinyal input lebih tinggi dari frekuensi cut-off (fc) (fin >> fc) maka besarnya penguatan tegangan (G) = 1/ωRC atau G = -20 log ωRC.
Sehingga dapat ditarik kesimpulan bahwa Filter Lolos Rendah (Low Pass Filter, LPF) hanya meloloskan sinyal dengan frekuensi yang lebih rendah dari frekuensi cut-off (fc) saja.
2. High Pass Filter (HPF)
Filter high-pass atau sering juga disebut dengan filter lolos atas adalah suatu rangkaian yang akan melewatkan suatu isyarat yang berada diatas frekuensi cut-off (ωc) sampai frekuensi cut-off (ωc) rangkaian tersebut dan akan menahan isyarat yang berfrekuensi dibawah frekuensi cut-off (ωc) rangkaian tersebut. Filter high-passs dasar disusun dengan rangkaian RC seperti berikut.
Rangkaian High Pass Filter (HPF) RC :
Prinsip kerja dari filter high pass atau filter lolos atas adalah dengan memanfaatkan karakteristik dasar komponen C dan R, dimana C akan mudah melewatkan sinyal AC sesuai dengan nilai reaktansi kapasitifnya dan komponen R yang lebih mudah melewatkan sinyal dengan frekuensi yang rendah. Prinsip kerja rangkaian filter lolos atas atau high pass filter (HPF) dengan RC dapat diuraikan sebagai berikut, apabila rangkaian filter high pass ini diberikan sinyal input dengan frekuensi diatas frekuensi cut-off (ωc) maka sinyal tersebut akan di lewatkan ke output rangkaian melalui komponen C. Kemudian pada saat sinyal input yang
diberikan ke rangkaian filter lolos atas atau high pass filter memiliki frekuensi di bawah frekuensi cut-off (ωc) maka sinyal input tersebut akan dilemahkan dengan cara dibuang ke ground melalui komponen R.
Frekuensi resonansi dari filter high-pass mengikuti nilai time constant (τ) dari rangkaian RC tersebut.
Sehingga frekuensi cut-off dari filter tersebut adalah :
Sinyal output rangkaian filter high-pass mendahului inputnya yaitu sebesar :
Grafik karakteristik dari high pass filter (HPF) atau filter lolos atas dengan komponen RC dapat digambarkan dengan perbandingan antara tegangan output filter terhadap frekuensi yang diberikan kepada rangkaian filter high pass (HPF) tersebut. Untuk lebih jelasnya grafik karakteristik filter high pass (HPF) ditunjukan pada gambar berikut:
Grafik Karakteristik High Pass Filter (HPF) Dengan RC :
3. Band Pass Filter (BPF)
Filter band-pass adalah sebuah rangkaian yang dirancang hanya untuk melewatkan isyarat dalam suatu pita frekuensi tertentu dan untuk menahan isyarat diluar jalur pita frekuensi tersebut. Jenis filter ini memiliki tegangan keluaran maksimum pada satu frekuensi tertentu yang disebut dengan frekuensi resonansi (ωr) Jika frekuensinya berubah dari frekuensi resonansi maka tegangan keluarannya turun, ada satu frekuensi diatas frekuensi resonansi (ωr) dan satu dibawah (ωr) dimana gainnya tetap 0,707 Ar. Frekuensi ini diberi tanda (ωh) frekuensi cutoff atas dan (ωl) frekuensi cutoff bawah. Pita frekuensi antara (ωh) dan (ωl) adalah band width (B).
1. Rangkaian Band Pass Filter (BPF) RC
Nilai frekuensi cut-off atas ditentukan oleh filter high-pass sebagai
berikut :
dan frekuensi cut-off bawah ditentukan oleh filter low-pass sebagai berikut :
Sehingga besarnya bandwidth adalah :
Karakteristik Band Pass Filter (BPF) RC
Filter band-pass dapat digolongkan sebagai pita sempit atau pita lebar.
Filter pita sempit adalah sebuah filter yang mempunyai band width lebih kecil dari sepersepuluh frekuensi resonansinya (B<0,1ωr). jika band width-nya lebih besar sepersepuluh dari frekuensi resonansi maka (B>0,1ωr), filter tersebut merupakan sebuah filter pita lebar. Perbandingan antara frekuensi resonansi dan lebar pita dikenal sebagai faktor kualitas (Q) dari rangkaiannya. Q menunjukan selektifitas dari rangkaian, makin tinggi nilai Q makin selektif rangkaian filter tersebut.
Untuk fiter-filter pita sempit, Q dari rangkaian lebih besar dari 10 dan untuk filter- filter pita lebar Q lebih kecil dari 10. Filter band-pass disusun dengan filter high-pass dan filter low-pass seperti pada gambar rangkaian band pass filter (BPF) RC diatas.
4. Band Reject Filter (BRF)
Band reject filter atau disebut juga sebagai band stop filter adalah rangkaian elektronika yang berfungsi untuk menahan sinyal dengan range frekuensi diatas frekuensi batas bawah (fL) dan dibawah range frekuensi batas atas (fH). Dan akan
melewatkan sinyal dengan range frekuensi diluar range frekuensi batas bawah (fL) dan frekuensi batas atas (fH). Band reject filter atau band stop filter aktif dibagi dalam 2 kategori sebagai berikut :
Jenis Band Reject Filter Aktif :
Band reject filter bidang lebar.
Band reject filter bidang sempit.
Band Reject Filter (BRF) Bidang Lebar
BRF bidang lebar adalah terdiri dari rangkaian HPF dan LPF yang dimasukkan ke rangkaian penjumlah. Sedang BRF bidang sempit adalah terkenal dengan rangkaian Notch Filter yaitu menolak frekuensi tertentu. Contoh rangkaian Band Reject Filter bidang lebar seperti gambar berikut ini.
Respons Output Band Reject Filter Bidang Lebar
Untuk menentukan nilai frekuensi batas atas (fH) dan frekuensi batas bawah (fL) dapat mengguanakan rumus-rumus untuk rangkaian LPF dan HPF serta rangkaian penjumlah berlaku untuk menentukan nilai nilai komponen atau elemen pasif yang digunakan untuk rangkaian band reject filter bidang lebar ini.
Dimana :
fH = Frekuensi batas atas (frekuensi cut Off rangkaian Low Pass Filter (LPF)
fL = Frekuensi batas bawah (frekuensi cut Off rangkaian High Pass Filter (LPF)
RCLPF = nilai R dan C pada sisi rangkaian Low Pass Filter (LPF)
RCHPF = nilai R dan C pada sisi rangkaian High Pass Filter (HPF) Band Reject Filter (BRF) Bidang Sempit
Nama band reject filter bidang sempit ini sering dikenal dengan nama Aktif Notch Filter. Rangkaian menggunakan model twin-T circuit. Biasanya rangkaian aktif Notch Filter ini digunakan pada rangkaian intrumentasi medis. Pada rangkaian band reject filter (BRF) bidang sempit atau Aktif Notch Filter terdapat daerah frekuensi yang akan di tahan oleh rangkaian Notch Filter ini (fN) yang dapat dirumuskan sebagai berikut :
Rangkaian band reject filter atau aktif notch filter adalah gabungan filter low pass RC dan filter high pass RC dengan konfigurasi twin-T circuit. Gambar rangkaian band reject filter bidang (BRF) sempit adalah sebagai berikut :
Rangkaian Band Reject Filter (BRF) Bidang Sempit
2.6 Osilator
A. PENGERTIAN OSILATOR
Osilator adalah sebuah suatu rangkaian elektronika yang dapat menghasilkan keluaran atau output berupa sinyal listrik yang berbentuk gelombang ataupun getaran.
Ketika dilihat gelombang atau getaran yang dihasilkan tersebut maka akan terlihat keluaran gelombang atau getaran secara periodik dan memiliki amplitudo yang konstan. Sebuah osilator dapat menghasilkan sinyal listrik yang memiliki beberapa bentuk gelombang seperti sinyal listrik dengan gelombang sinus (Sinusoide Wave), gelombang kotak (Square Wave) ataupun gelombang gigi gergaji (Saw Tooth Wave).
Osilator adalah suatu rangkaian yang dapat membangkitkan sinyal. Pada umumnya sinyal listrik DC atau listrik arus searah dari power supply akan dikonversikan oleh rangkaian oscillator menjadi sinyal listrik AC atau listrik arus bolak-balik sehingga dapat menghasilkan sinyal listrik yangg periodik dengan amplitudo yang konstan. Pada pembahasan ini terdapat beberapa istilah yang memiliki keterkaitan erat dengan osilator yaitu amplitudo, periodik, dan frekuensi.
Penjelasan singkat mengenai istilah-istilah tersebut adalah sebagai berikut :
Amplitudo. Amplitudo adalah simpangan terjauh yang dimiliki selama gelombang berosilasi diukur dari titik keseimbangan pada gelombang tersebut.
Periodik. Periodik adalah lamanya waktu yang dibutuhkan untuk menempuh satu buah (siklus penuh) gelombang pada sinyal listrik AC. Satuan dari perodik adalah detik atau second.
Frekuensi. Frekuensi adalah jumlah atau banyaknya siklus penuh dari gelombang yang dapat ditempuh selama satu detik (second). Satuan dari frekuensi adalah gelombang per detik atau Hertz (Hz).
B. JENIS JENIS OSILATOR
Secara umum osilator terdiri dari berbagai bentuk, fungsi dan banyak jenis yang terdapat di pasaran. Berbagai jenis osilator tersebut diantaranya seperti osilator colpitt, osilator amstrong, osilator clapp, osilator harmonik, osilator rc, osilator relaksasi, osilator pergeseran fasa, dan masih banyak yang lainnya. Berikut adalah penjelasan singkat dari beberapa jenis osilator tersebut :
1. OSILATOR COLPITT
Osilator Colpitt adalah salah satu jenis osilator yang efektif digunakan sebagai pembangkit gelombang sinus dengan interval frekuensi yang berkisar antara 10 kHz hingga 10 MHz. Osilator ini menggunakan rangkaian kombinasi L-C (Induktif dan Kapasitif) dan umpan balik positif melalui suatu pembagi tegangan kapasitif dari rangkaian tersebut. Umpan balik ini dapat diposisikan secara deret maupun jajar.
2. OSILATOR PERGESERAN FASA
Osilator pergeseran fasa adalah salah satu jenis osilator linier yang dapat digunakan untuk menghasilkan keluaran (output ) gelombang sinusoida. Osilator pergeseran fasa biasanya terdiri dari komponen rangkaian penguat (amplifier), rangkaian pembalik (inverting) seperti Op-amp (Operational Amplifier) atau Transistor. Output dari penguat ini dapat diberikan sebagai input dengan bantuan jaringan pemindah fasa. Osilator pergeseran fasa merupakan sebuah osilator dengan keluaran gelombang sinus sederhana.
3. OSILATOR RELAKSASI
Osilator Relaksasi (Relaxation Oscillator) adalah osilator yang keluarannya berupa sinyal listrik dengan gelombang non sinusoida yaitu seperti gelombang gigi gergaji (saw tooth wave) atau gelombang kotak (square wave). Osilator Relaksasi biasanya menggunakan dua buah penguat (amplifier) dan sebuah pengendali frekuensi (frequency control) yang memberikan jeda antara dua action. Kedua penguat ini dioperasikan secara switch mode yaitu melakukan switching dari fully on ke fully off atau sebaliknya. Nama lain dari Osilator relaksasi adalah astable multivribator dikarenakan osilator jenis ini mengandung lebih dari satu osillating element.
4. OSILATOR CLAPP
Osilator Clapp adalah salah satu jenis osilator yang efektif digunakan sebagai pembangkit gelombang sinusoida (sinusoide wave) pada rangkaian yang memiliki interval frekuensi berkisar antara 10 kHz sampai dengan 10 MHz. Osilator ini menggunakan rangkaian L-C (Induktor - Kapasitor) dan umpan balik positif melaui suatu pembagi tegangan kapasitif dari rangkaian. Pada osilator clapp digunakan dua kapasitor sebagai pengganti kumparan yang terbagi. Balikan dikembalikan dengan menggunakan medan elektrostatik melalui jaringan pembagi kapasitor. Frekuensi ditentukan oleh dua kapasitor terhubung seri dan sebuah induktor.
5. OSILATOR HARMONIK
Osilator harmonik adalah sebuah osilator dengan gerak harmonik sederhana yang gerak osilasinya dipengaruhi oleh gaya pemulih linier dan tidak mengalami
gesekan sehingga tidak terjadi pengurangan (disipasi) tenaga. Osilator harmonik dengan gerak osilasi harmonik yang sederhana juga dapat diartikan sebagai suatu sistem yang bergetar dimana gaya pemulih berbanding lurus terhadap simpangan negatifnya.
BAB III PENUTUP 3.1 Kesimpulan
Dari paparan materi yang telah diuraikan, dapat disimpulkan bahwa setiap komponen elektronika yang telah dibahas memiliki peran dan fungsi penting dalam sirkuit elektronik:
Dioda memiliki peranan krusial sebagai penyearah dan pengatur tegangan dalam sirkuit elektronik. Kemampuannya untuk membatasi arus listrik dalam satu arah memungkinkan berbagai aplikasi dalam rangkaian elektronik.
Transistor (BJT) menggunakan dua jenis muatan, yaitu elektron dan hole, dan digunakan secara luas dalam berbagai aplikasi amplifier dan switch dalam sirkuit elektronik.
FET dan MOSFET, yang mengendalikan konduktivitasnya melalui medan listrik pada gate-nya, terutama MOSFET, menjadi komponen yang dominan dalam sirkuit terintegrasi dan pengatur daya.
Op-Amp (Operational Amplifier) memainkan peran penting sebagai penguat elektronik dalam berbagai aplikasi sirkuit elektronik, mulai dari penguat sinyal hingga filter dan komparator, berkat karakteristik dasarnya seperti gain tak terbatas dan impedansi input tak terbatas.
Filter memiliki peran vital dalam pemrosesan sinyal dengan memungkinkan pemisahan dan penguatan sinyal dalam berbagai domain frekuensi. Setiap jenis filter, mulai dari Low Pass Filter (LPF) hingga Band Stop Filter (BSF), memiliki aplikasi dan karakteristik khususnya sendiri.
Osilator merupakan komponen yang menghasilkan sinyal periodik atau gelombang dalam berbagai bentuk dan frekuensi, yang sangat penting dalam berbagai aplikasi seperti penghasil sinyal referensi dan frekuensi.
Dengan pemahaman yang mendalam tentang setiap komponen ini, seseorang dapat merancang dan menganalisis sirkuit elektronik dengan lebih efektif dan efisien, serta memahami aplikasi dan kegunaan masing-masing komponen dalam berbagai konteks.
3.2 Saran
Berikut beberapa saran untuk pengembangan pemahaman dan penerapan materi yang telah dipelajari:
Eksperimen dan Latihan: Melakukan eksperimen praktis dan latihan soal akan membantu memperdalam pemahaman tentang karakteristik dan aplikasi dari komponen-komponen seperti dioda, transistor, FET, MOSFET, op-amp, filter, dan osilator.
Penerapan dalam Proyek Praktis: Menerapkan konsep-konsep yang telah dipelajari dalam proyek-proyek praktis akan memperkaya pemahaman dan keterampilan dalam merancang dan menganalisis sirkuit elektronik.
Kajian Lebih Lanjut: Melakukan kajian lebih lanjut tentang aplikasi khusus dari setiap komponen, seperti penerapan penguat inverting dan non-inverting, penguat differential, penguat integral, penguat instrumentasi, dan penguat umpan balik positif, akan memberikan wawasan yang lebih mendalam tentang kegunaan dan keunggulan masing-masing.
Dengan mengikuti saran-saran tersebut, diharapkan pembaca dapat meningkatkan pemahaman dan keterampilan mereka dalam merancang dan menganalisis sirkuit elektronik yang kompleks dan beragam.
