BAHAN KULIAH ELEKTRONIKA DASAR Semester I

BAHAN KULIAH

ELEKTRONIKA DASAR

Semester I

Oleh

Marojahan Tampubolon, ST

STMIK POTENSI UTAMA

T.A 2011-2012

S T M I K

A. Pokok Bahasan Perkuliahan

Pokok Bahasan Berdasarkan Satuan Acara Perkuliahan (SAP) STMIK Potensi Utama tahun 2008 adalah sbb:

1. Pengenalan sistem alat ukur elektronika dan sistem kelistrikan AC dan DC

2. Pengenalan dasar komponen elektronika 3. Karakteristik resistor dan parameternya 4. Karakteristik kapasitor dan parameternya 5. Karakteristik dioda dan kapasitornya 6. Karakteristik transistor dan parameternya 7. IC (integrated Circuit) dan jenis-jenisnya 8. Rangkaian Sensor Digital sebagai transduser

9. Rangkaian DAC (Digital Analog Converter) dan ADC (analog Digital Converter

10. Rangkaian Penguat OP-AMP

11. Sistem Pengkondisian Sinyal melalui Port Serial, Port Pararel, dan USB

12. Analisis sistem kerja CRT (Cathode Ray Tube) dan LCD (Liquid Crystal Display)

13. Perancangan Project Sederhana dan Lanjutan

B. Sumber Referensi

1. Boylestad, nashelsky,Wlwctronic Device Circuit and theory 5th

edition, Prentice Hall international

2. Millman and Halkians, Integrated Electronic

3. Van Valkenburg, M.E, Analog Filter Design, Holt Saunders Japan,1982

4. Ramon Pallas-Areny,john G. Webster, Sensor and Signal Conditioning, John Wiley and Son, USA, 2001

Pengenalan Sistem Alat Ukur

Elektronika dan Sistem Kelistrikan AC

dan DC

I. Alat Ukur Elektronika A. Pendahuluan

Dalam ilmu keteknikan alat ukur memegang peranan yang sangat penting. Dengan alat ukur keberadaan atau kondisi sebuh benda dapat diketahui. Alat ukur digunakan untuk mengukur besaran. Alat ukur listrik adalah alat ukur yang digunakan untuk mengukur besaran listrik.

Dalam perspektif lain alat ukur listrik dapat juga dipahami sebagai alat ukur yang menggunakan sumber listrik. Namun yang akan dibahas pada bagian ini adalah alat ukur untuk mengukur besaran-besaran listrik. Alat ukur tersebut adalah sbb. Voltmeter, Amperemeter dan, Ohmmeter. Fungsi ketiga alat ukur ini sekaran ini dapat ditemukan dalam satu alat yang disebut Multitester.

Berdasarkan pada peran dan fungsinya alat ukur dapat dibedakan menjadi:

1. Alat ukur penunjuk, misalnya ammeter, voltmeter, themometer, dll 2. Alat ukur perekam misalnya recorder temperatur, recorder tekanan dll. 3. Alat ukur pengendali, mislanya pengendali temperatur, pengendali

level pada reservoir.

Alat ukur langsung terdiri dari tiga bagian yaitu: 1. Bagian Input

Merupakan bagian alat ukur yang membaca atau merasakan serta mencari informasi beasaran yang dikehendaki dari objek pengukuran. Bagian ini sering dikenal sebagai sensor.

2. Bagian Proscess

Merupakan bagian yang berfungsi untuk mengolah informasi yang didapatkan dari sensor dan kemudian dijadikan informasi baru yang telah mempunyai arti dan makna.

3. Bagian Output

Bagian dari alat ukur yang bertugas menyajikan hasil pengukuran yang dikeluarkan oleh bagian pemroses dalam bentuk informasi yang dapat dimengerti. Bagian ini misalnya adalah display digital atau recorder.

Beberapa karakteristik alat ukur yang penting adalah sbb: 1. Ketelitian dan keseksamaan (Accuracy)

2. Kecermatan atau keterulangan (Precision/repeat ability) 3. Resolusi

4. Sensitivitas (sensitivity)

B. Alat Ukur Kumparan Putar

a. Struktur D’ Arsonval meter

Pada tahun 1820 Hans Oerstead menemukan hubungan antara arus dan medan magnet. Penemuan ini menjadi modal penting dalam penemuan alat ukur kumparan putar oleh Jaques D’Arsonval pada tahun 1981 yang juga disebut sebagai D’Arsonval meter.

Struk alat ukur ini adalah sbb:

b. Prinsip Kerja D’ Arsonval meter

Di antara magnet permanent pada gambar di atas ditempatkan sebuah kumparan yang ditempatkan pada sebuah inti yang membentuk slinder, kumparan ini ditempatkan pada suatu kerangka metal yang ringan dan sumbu putarnya ditopang oleh batu permata sehingga dapat dengan bebas berputar. Sebuah jarum penunjukk dikaitkan pada sumbu putar, jika kumparan berputar maka jarum membuat defleksi pada skala alat ukur.

Arus searah akan dialirkan melalui kumparan, arus ini akan menyebabkan munculnya medan magnet di sekitar kumparan (utara dan selatan)interaksi kutub medan magnet ini akan berinteraksi dengan medan magnet yang disebabkan oleh magnet permanen, sehingga akan terjadi gaya tolak menolak atau tarik menarik. Arah putaran jarum ditentukan oleh polaritas listrik di kumparan, agar arahnya tidak salah maka diberi tanda polaritas. Alat ini merupakan alat yang memberi respon berdasarkan besarnya arus listrik yang melalui kumparan.

c. D’ Arsonval meter sebagai Ammeter DC

Kumparan D’Arsonval meter terbuat dari kawat yang halus, shingga hanya dapat dilalui oleh arus dengan besaran yang terbatas. Sehingga dibuatlah sebuah tahanan luar yang dipasangkan pararel dengan tahanan alat ukur (Rm), disebut shunt resistance (Rsh). Kegunaa tahanan ini adalah untuk memperbesar arus yang dapat diukur dengan cara membagi arus.

Rsh = Tahanan Shunt (Ω)

Rm = Tahanan Dalam Alat ukur (Ω)

Ish = Arus yang melalui tahanan shunt (A)

Im = Arus skala penuh dari alat ukur kumparan putar (A) I = Arus Skala penuh Ammeter DC (A)

Tegangn Drop pada Ammenter Vm = Im. Rm

Vsh=Vm Ish = I-Im

Rsh= ℑ

Ishx Rm

Alat ukur ini dapat dikembangkan lagi menjadi alat ukur multirange, yaitu dengan menggunakan tahanan shunt bertingkat. Alat ini disebut dengan “Ayrton Shunt”

C. Menggunakan Alat Ukur Ohmmeter, Ammeter (Amperemeter), Voltmeter.

Ohmmeter adalah alat ukur listrik untuk mengukur hambatan. Cara penggunaanya adalah dengan menghubungkan alat ukur dengan ujung-ujung material yang akan diukur hambatanya, dimana alat ukur dihubungkan secara seri.

Ammeter digunakan untuk mengukur arus yang mengalir suatu rangkaian. Untuk mengukurnya maka alat ukur harus dihubungkan secara seri, sehingga arus melalui kumparan pada alat ukur.

Voltmeter adalah alat ukur untuk mengukur tegangan. Voltmeter harus dihubungkan secara pararel dengan ujung-ujung terminl yang diukur. Pada alat ukur yang mengintegrasikan ketiga alat ukur ini akan ada dua arah pembacaan skala. Dan ada pilihan besaran yang sedang diukur. Sebelum melakukan pengukuran jangan lupa menyesuaikan switch ini dengan besaran yang akan diukur.

II. Sistem Kelistrikan AC dan DC

Dalam sistem kelistrikan ada yang dikenala dengan tegangan listrik. Tegangan listrik merupakan istilah yang digunakan untuk merujuk pada perbedaan beda potensial antara dua terminal.Beda tegangan antara dua titik juga dapat didefenisikan sebagai usaha yang dibutuhkan untuk memindahkan satu muatan listrik dari satu titik ke titik yang lain yang satuannya dinyatakan dalam Volt.

Arus listrik adalah banyak muatan yang mengalir melalui suatu penghantar listrik dalam satu satuan waktu. Persamaan arus dapat dinyatakan dengan

i=dQ dt

Satuannya dinyatakan dalam Ampere (A) atau sama dengan Coulomb/Second (C/s)

II.A. Sistem Kelistrikan AC

AC singkatan dari Alternating Current, dalam bahasa indonesia dikenal dengan arus bolak-balik. Pada dasarnya pembangkitan listrik menghasilkan arus bolak-balik, karena memanfaatkan perubahan fluks terhadap waktu yang memotong kumparan dalam proses menghasilkan arus induksi. Dimana arus induksi inilah yang akan ditransformasi melalui transformator dan dikirim ke konsumen. Di indonesia perusahaan listrik mendistribusikan listrik ke masyarakat dalam bentuk arus bolak balik. Di negara lain seperti Amerika memiliki sistem distribusi dengan arus searah. Bentuk gelombang tegangan bolak-balik adalah seperti gambar berikut ini. Sementara bentuk gelombang arus searah juga akan sama dengan bentuk tegangan ini tetapi memiliki perbedaan dalam amplitudo dan sudut phasanya.

Pada gambar di atas terlihat bahwa gelombang tersebut memiliki amplitudo maksimun Vm. Nilai amplitudo disini adalah nilai tegangan maksimum. Karena bentuk gelombang Tegangan AC adalah sinusoidal, maka tegangan di atas dapat dituliskan dalam bentuk persamaan

v=VmSinωt

Sementara persamaan untuk tegangan adalah i=ℑsin(ωt+_∅)

ω=2πf (Rad/s) 1 rad= 57,296

o_{≈ 57.3}O

Dimana ωt (baca:omega) adalah menyatakan sudut. Maka nilai tegangan setiap waktu akan mengalami perubahan. Sementara polaritas akan berubah secara periodik, dimana setengah gelombang adalah tegangan dengan polaritas positif (puncak gelombang) dan setengah gelombang lain adalah tegangan dengan polaritas negatif (lembah gelombang).

Banyaknya periode dalam 1 detik disebut dengan frekuensi (f) yang dirumuskan

f=1 T (Hz)

Di indonesia frekuensi standar adalah 50 Hz, artinya ada 60 gelombang dalam 1 detik, ini juga berarti bahwa polaritas geombang tegangan maupun arus berubah sebanyak 50 kali dalam 1 detik. Sehingga pada dasarnya lampu yang kita gunakan akan berkedip juga sebanyak 50 kali dalam satu detik. Tetapi karena mata tidak sanggup menangkap frekuensi ini maka mata manusia melihat bahwa lampu seolah-olah menyala terus menerus.

Karena sistem kelistrikan bolak balik memiliki frekuensi maka nilai frekuensi ini dapat diubah-ubah. Hal ini juga dapat diterapkan pada tengan rendah maupun tegangan tinggi. Penggunakan arus dengan

frekuensi tinggi ini amat penting dalam menghasilkan gelombang radio ataupun gelombang jenis lain. Gambar berikut adalah gambar gelombang dengan frekuensi yang berbeda.

Meskipun penggunaann sistem kelistrikan bolak balik ini sangat luas, namun penggunaan sistem kelistrikan searah juga semakin luas seiring dengan semakin banyaknya peralatan elektronik yang menggunakan supply tegangan searah.

II.B. Sistem Kelistrikan DC

Sistem kelistrikan DC (direct current) di indonesia kebanyakan digunakan dalam sistem tegangan rendah, secara khusus untuk peralatan elektronik seperti radio, Laptop, Handphone, dll. Karena distribusi energi listrik di Indonesia menggunakan sistem bolak balik, maka dibutuhkan penyearah untuk mengubahnya ke dalam sistem searah. Inilah sebabnya mengapa kebanyakan peralatan elektronika menggunakan adaptor.

Pengertian searah disini adalah karena tidak adanya perbuhan polaritas, mungkin saja terjadi perubahan nilai akibat hasil penyearahan yang tidak ideal. Namun perubahan nilai ini idealnya haruslah sekecil mungkin agar sebuah tengangan atau arus dapat dikatakan stabil.

Gambar berikuti ini menunjukkan gelombang tegangan ataupun arus searah.

Nilai maksimum tegangan ataupun arus tidaklah sama dengan nilai equivalent atau nilai efektif arusnya, hubungan antara nilai efektif dan nilai makasimumnya dinyatakan dalam persamaan:

dan untuk mencari tegangan efektif dapat menggunakan rumus ini.

V_ef=

√

∫

0

T

v2(t)dt T

Untuk mencari Arus effectif dapat dengan menggunakan rumus ini.

I_ef=

√

∫

0

T

i2 (t)dt T

RESISTOR

I. Komponen Dasar

Komponen dasar elektronika komponen-komponen dasar yang digunakan dalam rangkaian listrik. Ada lima komponen dasar dalam rangkaian listrik yang masing-masing memiliki kekhususan fungsi. Kelima komponen tersebut adalah sebagai beriktu:

1. Resistor

2. Kapasitor / kondensator 3. Induktor

4. Dioda 5. Transistor

II. Resistor

Resistor adalah komponen dasar yang fungsinya adalah untuk menghambat aliran arus listrik. Komponen ini terdiri dari bahan yang memiliki koefisien resistivitas (ρ baca rho) tinggi dengan konduktivitas yang sangat rendah. Resistivitas dinyatakan dalam satuan Ω.m, atau Ω.m. Nilai hambatan resistor disebut resistansi (resistance) dinyatakan dalam formula.

R=ρl A

ℓ = panjang material

A= Luas Permukaan material.

Dari persamaan diatas terlihat bahwa nilai resistansi akan berbanding lurus dengan panjang material dan berbanding terbalik dengan luas penampang material. Nilai yang paling penting disini adalah nilai resistivitas bahan, karena memberikan pengaruh yang signifikan terhadap nilai resistansi.

Contoh bahan pembuat resistor adalah mica dengan ρ = 10 12 _Ω.cm.

Seandainya ada satu resistor terdiri dari bahan ini dengan dimensi panjang 1 cm, ℓ = 1cm dan tinggi 1 cm, maka akan memiliki resistansi R sebesar 1012 _Ω.

Perhitungan seperti ini adalah perhitungan yang sangat bergantung pada dimensi dan jenis bahan. Untuk jenis resistor yang menggunakan cincin maka perhitungan harus menggunakan cara yang berbeda. Cara perhitungannya adalah sbb.

C1C2 x C3 ± C4 C1= Nilai cincin 1

C2 = Nilai Cincin 2

C3 = Nilai cincin 3 (digunakan sebagai pengali) C4 = Nilai cincin 4 (Digunakan sebagai toleransi)

Untuk mengetahui nilai-nilainya maka perlu digunakan tabel nilai untuk masing-masing cincin.

III. Hubungan antar resistor a. Dihubungkan secara Seri

Dikatakan hubungan seri jika ujung satu resistor dihubungkan dengan pangkal resistor lain, demikian seterusny sehingga terjalin hubungan seri.

Jika resistor R1,R2,R..,Rn digantikan dengan satu resistor Rs, maka hubungan Rs dan resistor tersebut adalah:

Rs = R1 + R2 + R.. +Rn Rs = Rs=

∑

1

n

R_n

b. Dihubungkan secara pararel

Dikatakan dihubungkan secara pararel adalah jika pangkal sebuah resistor dihungkan dengan pangkal resistor lain, demikian juga dengan ujung-ujungnya.

Jika hambaran R1,R2,R..,Rn yang dihubungkan secara pararel dan digantikan dengan sebuah resistor Rp. Maka hubungan antara resistor ini adalah:

1

Rp=

1

R1+ 1

R2+ 1

R..+…..+ 1

Rn

1

Rp=

∑

1

n

1

Rn Soal:

c. Hubungan Wye-Delta (Y-∆)

Dalam sebuah rangkaian listrik mungkin saja akan ditemukan rangkaian seperti gambar berikut.

Hubungan antar resistor tersebut tidak sepenuhnya pararel ataupun seri, R1 dan R2 tidak bisa dikatakan seri, sementara R1 dan R4 pun tidak bisa dikatakan pararel, karena ada R3 yang memisahkan ujung ujung R1 dan R4. Untuk menyelesaian masalah ini, maka digunakanlah transformasi wye delta, ataupun delta wye.

Metode ini adalah dengan mengubah bentuk rangkaian R1,R3,R4 atau R2,R2,R5 ke dalam bentuk rangkaian lain, jika bentu sebelumnya adalah delta, maka bentuk ini diubah ke dalam bentuk wye. Berikut adalah penjelasannya.

Untuk mengkonversi nilai-nilai Ra,Rb,Rc ke R1,R2,R3 adalah dengan menggunakan persamaan berikut ini.

R₁= RaRb

Ra+Rb+Rc

R₂= RaRc Ra+Rb+Rc

R₃= RbRc

Ra+Rb+Rc

R_a=R1R2+R2R3+R3R1 R3

R_b=R1R2+R2R3+R3R1

R2

R_c=R1R2+R2R3+R3R1 R1

Jika metode penyelasian ini diterapkan pada penyelesaian soal pada awal pembahasan sub bab ini, maka gambar rangkaian di atas dapat diubah menjadi:

R_a= R1R4

R1+R3+R4 R_b= R1R3

R1+R3+R4

Apabila rangkaian telah ditransformasi maka Rb dan R2, Rc dan R5

adalah hubungan seri, dan nilai seri kedua kelompok ini adalah hubungan pararel, jika hubungan pararel diselesaikan, maka hasilnya akan seri dengan hubungan Ra. Dan penyelasaiannya adalah hambatan equivalent dengan hambatan pada rangkaian sebelumnya.

RESISTOR

I. Komponen Dasar

Komponen dasar elektronika komponen-komponen dasar yang digunakan dalam rangkaian listrik. Ada lima komponen dasar dalam rangkaian listrik yang masing-masing memiliki kekhususan fungsi. Kelima komponen tersebut adalah sebagai beriktu:

1. Resistor

2. Kapasitor / kondensator 3. Induktor

4. Dioda 5. Transistor II. Resistor

Resistor adalah komponen dasar yang fungsinya adalah untuk menghambat aliran arus listrik. Komponen ini terdiri dari bahan yang memiliki koefisien resistivitas (ρ baca rho) tinggi dengan konduktivitas yang sangat rendah. Resistivitas dinyatakan dalam satuan Ω.m, atau Ω.m. Nilai hambatan resistor disebut resistansi (resistance) dinyatakan dalam formula.

ℓ = panjang material

A= Luas Permukaan material.

Dari persamaan diatas terlihat bahwa nilai resistansi akan berbanding lurus dengan panjang material dan berbanding terbalik dengan luas penampang material. Nilai yang paling penting disini adalah nilai resistivitas bahan, karena memberikan pengaruh yang signifikan terhadap nilai resistansi.

Contoh bahan pembuat resistor adalah mica dengan ρ = 10 12 _Ω.cm. Seandainya ada satu resistor terdiri dari bahan ini dengan dimensi panjang 1 cm, ℓ = 1cm dan tinggi 1 cm, maka akan memiliki resistansi R sebesar 1012 _Ω.

Perhitungan seperti ini adalah perhitungan yang sangat bergantung pada dimensi dan jenis bahan. Untuk jenis resistor yang menggunakan cincin maka perhitungan harus menggunakan cara yang berbeda. Cara perhitungannya adalah sbb.

C1C2 x C3 ± C4 C1= Nilai cincin 1

C2 = Nilai Cincin 2

C3 = Nilai cincin 3 (digunakan sebagai pengali) C4 = Nilai cincin 4 (Digunakan sebagai toleransi)

Untuk mengetahui nilai-nilainya maka perlu digunakan tabel nilai untuk masing-masing cincin.

III. Hubungan antar resistor a. Dihubungkan secara Seri

Dikatakan hubungan seri jika ujung satu resistor dihubungkan dengan pangkal resistor lain, demikian seterusny sehingga terjalin hubungan seri.

Jika resistor R1,R2,R..,Rn digantikan dengan satu resistor Rs, maka hubungan Rs dan resistor tersebut adalah:

Rs = R1 + R2 + R.. +Rn Rs = Rs=

∑

1 n

R_n

b. Dihubungkan secara pararel

Dikatakan dihubungkan secara pararel adalah jika pangkal sebuah resistor dihungkan dengan pangkal resistor lain, demikian juga dengan ujung-ujungnya.

Jika hambaran R1,R2,R..,Rn yang dihubungkan secara pararel dan digantikan dengan sebuah resistor Rp. Maka hubungan antara resistor ini adalah:

1

Rp=

1

R1+ 1

R2+ 1

R..+…..+ 1

c. Hubungan Wye-Delta (Y-∆)

Dalam sebuah rangkaian listrik mungkin saja akan ditemukan rangkaian seperti gambar berikut.

Hubungan antar resistor tersebut tidak sepenuhnya pararel ataupun seri, R1 dan R2 tidak bisa dikatakan seri, sementara R1 dan R4 pun tidak bisa dikatakan pararel, karena ada R3 yang memisahkan ujung ujung R1 dan R4. Untuk menyelesaian masalah ini, maka digunakanlah transformasi wye delta, ataupun delta wye.

Metode ini adalah dengan mengubah bentuk rangkaian R1,R3,R4 atau R2,R2,R5 ke dalam bentuk rangkaian lain, jika bentu sebelumnya adalah delta, maka bentuk ini diubah ke dalam bentuk wye. Berikut adalah penjelasannya.

Untuk mengkonversi nilai-nilai Ra,Rb,Rc ke R1,R2,R3 adalah dengan menggunakan persamaan berikut ini.

R₁= RaRb

Ra+Rb+Rc

R₂= RaRc

Ra+Rb+Rc

R₃= RbRc

Ra+Rb+Rc

R_a=R1R2+R2R3+R3R1

R3

R_b=R1R2+R2R3+R3R1

R2

R_c=R1R2+R2R3+R3R1

R1

Jika metode penyelasian ini diterapkan pada penyelesaian soal pada awal pembahasan sub bab ini, maka gambar rangkaian di atas dapat diubah menjadi:

R_a= R1R4

Apabila rangkaian telah ditransformasi maka Rb dan R2, Rc dan R5

adalah hubungan seri, dan nilai seri kedua kelompok ini adalah hubungan pararel, jika hubungan pararel diselesaikan, maka hasilnya akan seri dengan hubungan Ra. Dan penyelasaiannya adalah hambatan equivalent dengan hambatan pada rangkaian sebelumnya.