Modul 02: Elektronika Dasar

advertisement
Modul 02: Elektronika Dasar
Alat Ukur, Rangkaian Thévenin, dan Rangkaian Tapis
Reza Rendian Septiawan
February 4, 2015
1.1
Pada praktikum kali ini kita akan mempelajari tentang beberapa hal mendasar dalam dunia
elektronik, yaitu tentang penggunaan alat ukur,
pembuatan rangkaian Thévenin, dan tentang tapis
pasif sebagai salah satu rangkaian elektronik paling sederhana. Adapun keluaran yang diharapkan dari praktikum kali ini adalah praktikan mengenal berbagai komponen elektronik pasif seperti
resistor dan kapasitor; praktikan dapat menggunakan alat ukur (multimeter analog, digital, dan
osiloskop), catu daya, dan signal generator untuk
mengukur besaran-besaran listrik dan melakukan
analisis dasar terhadap rangkaian elektronik; praktikan dapat memahami dan membuat rangkaian
Thévenin serta penggunaannya; dan praktikan dapat memahami, membuat, dan melakukan analisis
terhadap berbagai rangkaian tapis pasif sederhana.
1
Multimeter analog dan digital
Secara umum, tiga besaran listrik yang paling penting dan paling sering diukur adalah arus, tegangan, dan hambatan. Ketiga besaran tersebut dapat diukur masing-masing oleh Ammeter, Voltmeter, dan Ohmmeter. Namun seiring dengan
berkembangnya teknologi, ketiga alat ukur tersebut
saat ini biasanya digabungkan menjadi satu buah
alat yang dinamakan multimeter. Selain mengukur
arus, tegangan, dan hambatan, biasanya multimeter dapat mengukur besaran listrik lainnya yang
terkait, seperti frekuensi. Multimeter terdiri dari
dua buah jenis multimeter, yaitu multimeter analog dan digital. Fungsi keduanya sama, yaitu untuk
mengukur berbagai besaran listrik. Namun cara
penggunaan keduanya sedikit berbeda.
Alat Ukur
Alat ukur memainkan peran yang sangat penting di dunia elektronik mengingat fungsinya untuk
mengukur berbagai besaran listrik dan melakukan
analisa terhadap rangkaian elektronik. Mengingat
peranannya yang penting, alat ukur harus mengalami proses kalibrasi untuk memastikan akurasi
pengukurannya. Alat ukur paling dasar yang sering digunakan adalah multimeter (atau sering dikenal dengan nama AVOmeter). Untuk mengamati
bentuk gelombang yang mengalir dalam rangkaian
elektronik kita dapat menggunakan osiloskop. Baik
multimeter dan osiloskop keduanya memiliki tipe
analog maupun digital. Pada praktikum kali ini
kita akan mempelajari tentang penggunaan multimeter analog dan digital, serta osiloskop.
Gambar 1: Contoh dari multimeter (a) analog, dan
(b) digital (diambil dari http://overseas.sanwameter.co.jp/items/index.php).
1.2
Osiloskop
Seperti halnya multimeter, osiloskop juga memiliki fungsi untuk mengukur besaran listrik. Na1
Modul 02: Elektronika Dasar
mun perbedaannya, keluaran utama dari osiloskop
adalah dalam bentuk isyarat tegangan terhadap
waktu. Dengan menggunakan keterampilan dalam
membaca, melakukan setting, dan merangkai alat
ukur, osiloskop dapat digunakan untuk melakukan
berbagai macam analisis rangkaian listrik, seperti
menghitung frekuensi gelombang, beda fasa gelombang, dan analisa bentuk gelombang. Osiloskop biasanya memiliki lebih dari satu buah channel pengukuran, sehingga pengguna bisa melakukan komparasi dari lebih dari satu pengukuran dalam waktu
yang bersamaan.
halaman 2
tuk menentukan nilai hambatan dari resistor dapat dilakukan dengan membaca warna gelang yang
terdapat di permukaan resistor, atau dengan membaca kode yang tertulis pada resistor bertipe balok
(power resistor) dan tipe SMD. Terdapat juga resistor yang dapat diubah-ubah nilai hambatannya.
Beberapa jenis dari resistor variabel adalah trimmer dan potensiometer.
Gambar 2: Contoh dari osiloskop (diambil dari Gambar 3: Berbagai jenis resistor, (a) resistor 5 gelang, (b) resistor 4 gelang, (c) resistor
http://www.gwinstek.com).
balok, (d) potensiometer putar, (e) potensiometer geser, dan (f) resistor SMD (diambil dari
http://www.resistorguide.com).
2
Komponen Pasif
Secara umum komponen dalam dunia elektronik
terbagi menjadi dua golongan, yaitu komponen aktif dan komponen pasif. Komponen aktif adalah
komponen yang membutuhkan catu daya untuk dapat bekerja, contohnya adalah IC op-amp. Sedangkan komponen pasif adalah komponen yang tidak
membutuhkan daya untuk dapat bekerja. Beberapa komponen yang tergolong sebagai komponen
pasif adalah resistor, kapasitor, dan induktor. Pada
praktikum kali ini kita akan memfokuskan pembahasan kita pada resistor dan kapasitor.
2.1
Resistor
Resistor merupakan komponen pasif yang berfungsi
untuk membatasi besarnya arus yang mengalir
dalam rangkaian. Terdapat beberapa jenis resistor sesuai dengan material pembuatnya, antara lain
yang berjenis wirewound, carbon composition, carbon film, metal film, metal oxide, dan foil [2]. UnFI-5283: Rangkaian Analog dan Digital
2.2
Kapasitor
Kapasitor merupakan komponen elektronik pasif
yang berfungsi untuk menyimpan energi listrik [3].
Pada intinya, kapasitor terbuat dari dua buah lempeng pelat konduktor yang dipisahkan oleh material insulator dielektrik. Besarnya kapasitansi dari
kapasitor dipengaruhi oleh luas penampang pelat,
jarak antara kedua pelat, dan koefisien dielektrik
dari material insulator, sesuai persamaan berikut:
C=
r 0 A
d
(1)
dengan C adalah nilai kapasitansi, r adalah permitivitas relatif material dielektrik, 0 adalah permitivitas dalam kondisi vakum, A adalah luas penampang pelat, dan d adalah jarak antara kedua
pelat.
Modul 02: Elektronika Dasar
halaman 3
Untuk menghitung tegangan pengganti Eth pada
rangkaian yang terdapat di Gambar 5 kita dapat
menggunakan perhitungan pembagi tegangan, sehingga:
R3
Eth =
Vs
(2)
R1 + R3
Sedangkan untuk menghitung hambatan pengganti
Rth kita dapat menganggap bahwa Vs di-short-kan,
sehingga didapat:
Rth = (R1//R3) + R2
Gambar 4: Berbagai jenis kapasitor (diambil dari
http://www.capacitorguide.com).
4
3
(3)
Rangkaian Tapis
Rangkaian Thévenin
Rangkaian tapis merupakan rangkaian yang dapat
meloloskan gelombang pada rentang frekuensi terDalam [1] dinyatakan tentang teorema Thévenin tentu. Pada dasarnya terdapat dua jenis rangkaian
yang berbunyi:
tapis, yaitu tapis lolos rendah (low-pass filter ) dan
tapis lolos tinggi (high-pass filter ). Dua jenis tapis
”Semua rangkaian listrik linear yang
lainnya (band-pass filter dan band-stop filter ) bisa
hanya terdiri dari sumber arus dan hamdibuat dengan merangkaikan LPF dan HPF secara
batan saja dapat digantikan pada termiseri dan paralel.
nal A-B oleh sumber tegangan pengganti
Vth yang dihubungkan seri dengan ham4.1 Low-Pass Filter (LPF)
batan pengganti Rth .”
Tapis lolos rendah merupakan rangkaian yang daUntuk mencari tegangan pengganti Vth , rangka- pat meloloskan gelombang yang memiliki frekuensi
ian listrik harus dibuat dalam kondisi rangkaian lebih rendah dari frekuensi potong rangkaian terseterbuka, dan tegangan tersebut diukur pada titik but. Rangkaian LPF sederhana dapat dilihat pada
A-B. Sedangkan untuk mencari hambatan peng- Gambar 6.
ganti Rth rangkaian listrik dibuat terbuka, dengan
sumber tegangan dibuat seolah-olah dalam kondisi
short-circuit, dan hambatan pengganti merupakan
besarnya hambatan yang terukur pada titik A-B.
Gambar 6: Rangkaian LPF sederhana (diambil dari
http://en.wikipedia.org/wiki/Low-pass filter).
Rangkaian LPF yang ideal seharusnya dapat meloloskan sinyal dengan frekuensi dibawah
frekuensi potongnya tanpa peredaman sama sekali
dan meredam total seluruh sinyal dengan frekuensi
diatas frekuensi potongnya. Untuk mengetahui
frekuensi potong dari rangkaian tapis kita dapat
menghitungnya melalui persamaan berikut ini:
Gambar 5: Contoh rangkaian listrik (a) serta
rangkaian setara Thévenin-nya (b).
FI-5283: Rangkaian Analog dan Digital
ωp =
1
RC
(4)
Modul 02: Elektronika Dasar
atau
1
fp =
(5)
2πRC
Karakteristik dari suatu rangkaian tapis dapat dilihat dari tanggapan amplitudonya (G(ω)). Tanggapan amplitudo biasa dinyatakan dalam satuan desibel (dB). Perhitungan tanggapan amplitudo dari
rangkaian dapat dihitung melalui persamaan:
Vo
(6)
G(ω) = |Ḡ(ω)| = 20 log
Vi
halaman 4
4.2
High-Pass Filter (LPF)
Tapis lolos tinggi merupakan rangkaian yang dapat meloloskan gelombang yang memiliki frekuensi
lebih tinggi dari frekuensi potong rangkaian tersebut. Rangkaian HPF sederhana dapat dilihat pada
Gambar 9.
Adapun kurva tanggapan amplitudo dan tanggapan fasa dari rangkaian tapis lolos rendah dapat
dilihat pada Gambar 7.
Gambar 9:
ambil dari
pass filter).
Rangkaian HPF sederhana (dihttp://en.wikipedia.org/wiki/High-
Rangkaian HPF yang ideal seharusnya dapat meloloskan sinyal dengan frekuensi dibawah
frekuensi potongnya tanpa peredaman sama sekali
dan meredam total seluruh sinyal dengan frekuensi
diatas frekuensi potongnya. Untuk menghitung
frekuensi potong dan tanggapan amplitudo dari
HPF tetap dapat menggunakan 4, 5, dan 6
Adapun kurva tanggapan amplitudo dan tanggapan fasa dari rangkaian tapis lolos rendah dapat
dilihat pada Gambar 10.
Gambar 7:
Kurva bode plot dari LPF
(diambil
dari
http://www.electronicstutorials.ws/filter/filter 2.html).
Selain sebagai tapis lolos rendah, rangkaian pada
Gambar 6 juga dapat berfungsi sebagai integrator
jika diberikan sinyal masukan berupa sinyal kotak.
Gambar 10:
Kurva bode plot dari HPF
(diambil
dari
http://www.electronicstutorials.ws/filter/filter 3.html).
Gambar 8:
Rangkaian LPF sebagai inteSelain sebagai tapis lolos tinggi, rangkaian pada
grator (diambil dari http://www.electronics- Gambar 9 juga dapat berfungsi sebagai diferensitutorials.ws/filter/filter 2.html).
ator jika diberikan sinyal masukan berupa sinyal
kotak.
FI-5283: Rangkaian Analog dan Digital
Modul 02: Elektronika Dasar
halaman 5
4.4
Band-stop Filter
Tapis henti pita merupakan suatu rangkaian tapis
yang dapat meloloskan semua sinyal kecuali sinyal
yang frekuensinya berada pada rentang tertentu
saja. Tapis jenis ini dapat dibuat dengan menggabungkan HPF dan LPF secara paralel.
Gambar 11:
Rangkaian HPF sebagai diferensiator (diambil dari http://www.electronicstutorials.ws/filter/filter 3.html).
Gambar
14:
Skema
dari
band-stop
filter
(diambil
dari
http://www.allaboutcircuits.com/vol 2/chpt 8/
Tapis lolos pita merupakan suatu rangkaian 5.html).
tapis yang hanya dapat meloloskan sinyal yang
frekuensinya berada pada rentang tertentu saja.
Tapis jenis ini dapat dibuat dengan menggabungkan HPF dan LPF secara seri.
4.3
Band-pass Filter
Gambar
12:
Skema
dari
band-pass
filter
(diambil
dari
http://www.allaboutcircuits.com/vol 2/chpt 8/
Gambar 15:
Kurva tanggapan amplitudo
4.html).
ideal dari band-pass filter (diambil dari
http://en.wikipedia.org/wiki/Band-stop filter).
5
5.1
Percobaan
Pengenalan, kalibrasi, dan penggunaan alat ukur
Perhatikan penjelasan dan peragaan asisten mengenai alat ukur. Mohon penjelasan asisten diperhatikan dengan baik karena semua alat ukur tersebut akan sering digunakan. Jika ada pertanyaan
atau hal yang kurang jelas, bisa langsung ditanyakan pada asisten.
Gambar 13:
Kurva tanggapan ampliSetelah asisten selesai menjelaskan tentang alat
tudo dari band-pass filter (diambil dari
ukur, praktikan dapat mencoba untuk melakukan
http://en.wikipedia.org/wiki/Band-pass filter).
kalibrasi dan pengukuran sendiri dengan menggunakan alat ukur tersebut.
FI-5283: Rangkaian Analog dan Digital
Modul 02: Elektronika Dasar
5.2
Rangkaian Thévenin
1. Buatlah rangkaian seperti yang tampak pada
Gambar 5 dengan nilai hambatan 1 kΩ, 10 kΩ,
dan 4.7 kΩ lalu ukur tegangan Thévenin dan
hambatan Thévenin-nya. Hitunglah juga secara teoritis, dan bandingkan dengan hasil
pengukuran. Ulangi percobaan untuk tiga
kombinasi resistor yang berbeda.
halaman 6
4. Lakukan langkah yang sama untuk bentuk
sinyal masukan kotak.
5.3.2
HPF
Lakukan langkah percobaan yang sama seperti untuk rangkaian LPF, namun tentu saja dengan bentuk rangkaian HPF.
2. Dengan menggunakan salah satu kombinasi
rangkaian Thévenin, cobalah untuk melakukan
pembebanan dengan menggunakan hambatan
variabel yang disediakan. Pastikan nilai resistansi dari hambatan beban diukur terlebih
dahulu sebelum disambungkan ke rangkaian.
Ulangi percobaan untuk 10 nilai hambatan beban yang berbeda-beda.
5.3.3
3. Hubungkan pin keluaran signal generator (SG)
dengan osiloskop. Setel agar keluaran dari SG
terbaca 5 V pp. Hubungkan SG dengan hambatan variabel. Atur besarnya hambatan agar
besarnya sinyal yang terbaca menjadi 2.5 V pp.
Ukur besranya hambatan dari hambatan variabel tersebut. Ulangi percobaan untuk
frekuensi 100 Hz, 1 kHz, dan 10 kHz.
Rangkaikan rangkaian LPF dan HPF secara paralel. Pilihlah nilai R dan C yang sesuai masingmasing untuk LPF dan HPF yang bisa digunakan
untuk rangkaian BSF. Lakukan langkah pengerjaan
yang sama seperti sebelumnya.
4. Ukur besarnya hambatan dalam dari SG pada
frekuensi 100 Hz, 1 kHz, dan 10 kHz.
Pastikan SG dalam kondisi mati dan tidak tersambung dengan jaringan listrik.
[1] L. Thévenin, Sur un nouveau théorème
d’électricité dynamique (On a new theorem of
dynamic electricity), Comptes rendus hebdomadaires des séances de l’Académie des Sciences, 97(1883), pp. 159-161.
5.3
5.3.1
Rangkaian tapis
LPF
1. Buat sebuah rangkaian LPF seperti tampak
pada Gambar 6. Ukur nilai resistansi dan kapasitansi dari masing-masing resistor dan kapasitor.
2. Hubungkan probe channel 1 dari osiloskop
pada input dari rangkaian LPF dan channel
2 pada output rangkaian LPF.
3. Hubungkan SG pada input dari osiloskop. Setel SG agar dapat memberikan sinyal masukan
sinusoidal 500 mV pp. Variasikan frekuensi
dari sinyal keluaran SG dari rentang 10 Hz
sampai 50 kHz. Catat nilai masukan dan keluaran yang terbaca pada osiloskop. Dokumentasikan juga bentuk sinyal keluarannya.
FI-5283: Rangkaian Analog dan Digital
BPF
Rangkaikan rangkaian LPF dan HPF secara seri.
Pilihlah nilai R dan C yang sesuai masing-masing
untuk LPF dan HPF yang bisa digunakan untuk
rangkaian BPF. Lakukan langkah pengerjaan yang
sama seperti sebelumnya.
5.3.4
BSF
Referensi
[2] Resistor Guide, www.resistorguide.com, diakses pada 3 Februari 2015 pukul 11:20.
[3] Capacitor Guide, www.capacitorguide.com,
diakses pada 3 Februari 2015 pukul 12:00.
Download