Sinyal dan Sistem

Elektronika Tak Linier
Yuliman Purwanto
2017
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)
7. 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) : LCseri, LC-paralel
Tapis Lolos Bawah (Low Pass Filter)
Rangkaian R-C:
Tanggapan frekuensi (Bode plot):
Rangkaian R-L:
Rangkaian L-C:
LPF
Tapis Lolos Atas (High Pass Filter)
Rangkaian R-C:
Tanggapan frekuensi (Bode plot):
Rangkaian R-L:
Rangkaian L-C:
HPF
Tapis Lolos Pita (Band Pass Filter)
Rangkaian R-C:
fL = fC1
Tanggapan frekuensi (Bode plot):
fH = fC2
BPF
Rangkaian R-L:
fL = fC1
Rangkaian L-C:
fH = fC2
Tapis Stop Pita (Band Stop Filter/Band Reject Filter)
Prinsip :
Tanggapan frekuensi :
Jika pitanya sempit  tapis takik (notch filter)
BSF
Contoh :
• Saat resonansi  impedansi rendah • Saat resonansi  impedansi
 sinyal dibuang  melewatkan
tinggi  sinyal ditahan 
sinyal lainnya.
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 :
a. Pemotong positif seri
b. Pemotong negatif seri
c. Pemotong positif paralel
d. Pemotong negatif paralel
e. 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 umpanbalik 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).