Pendahuluan Elektronika Dasar

Pendahuluan Elektronika Dasar

Pendahuluan Dalam kehidupan sehari-hari kita banyak menemui suatu alat yang mengadopsi listrik & elektronika sebagai basis teknologinya, contoh ;        

Televisi Radio Komputer Printer Faximile Lampu lalu-lintas Lampu penerangan jalan dll.

Dari semua uraian diatas kita dapat membuktikan bahwa pada zaman sekarang ini kita tidak akan lepas dari perangkat listrik & elektronika

Elektronika Elektronika adalah ilmu yang mempelajari alat listrik arus lemah yang dioperasikan dengan cara mengontrol aliran elektron atau partikel bermuatan listrik dalam suatu alat seperti komputer, peralatan elektronik, dan lain sebagainya. Ilmu yang mempelajari alat-alat seperti ini merupakan cabang dari ilmu fisika. Alat-alat yang menggunakan dasar kerja elektronika ini biasanya disebut sebagai peralatan elektronik (electronic devices). Contoh peralatan/ piranti elektronik ini: radio, TV, perekam kaset, perekam kaset video (VCR), perekam VCD, perekam DVD, kamera video, kamera digital, komputer pribadi desk-top, komputer Laptop, PDA (komputer saku), robot, smart card, dll.

Listrik Kelistrikan adalah sifat benda yang muncul dari adanya muatan listrik. Listrik, dapat juga diartikan sebagai berikut: • Listrik adalah kondisi karena adanya penarikan dan penolakan gaya di antaranya. • Listrik adalah sumber energi yang disalurkan melalui kabel. Arus listrik timbul karena muatan listrik mengalir dari saluran positif ke saluran negatif.

Ada 2 jenis muatan listrik: Positif dan Negatif. Melalui eksperimen, muatan-sejenis saling menolak dan muatan-lawan jenis saling menarik satu sama lain.

Potensial Listrik •

Beda potential antara titik A dan B, VB-VA, didefinisikan sebagai perubahan energi potensial sebuah muatan, q, yang digerakkan dari A ke B, dibagi dengan muatan tersebut.

PE V  VB  VA  q

• •

Potensial listrik merupakan besaran skalar Potensial listrik sering disebut “voltage” (tegangan)

•

Satuan potensial listrik dalam sistem SI adalah :

•

Potensial listrik dari muatan titik q pada sebuah titik yang berjarak r dari muatan tersebut adalah : (anggap titik yang potensialnya nol terletak di tak berhingga)

1V  1 J C

q V  ke r 5

Arus Listrik •

Definisi: arus listrik adalah jumlah total

•

Misalkan jumlah muatan Q yang melewati area A dalam selang waktu t, maka arus merupakan perbandingan antara muatan dan waktu tersebut.

•

muatan yang melewati suatu lokasi per satuan waktu.

Satuan SI untuk arus listrik adalah ampere (A). – 1 A = 1 C/s ( 1 C muatan yang melewati area dalam selang waktu 1 s)

•

•

Arus Konvensional dinyatakan sebagai aliran yang searah dengan pergerakan muatan positif. Pada konduktor logam seperti tembaga, arus listrik merupakan pergerakan dari elektron (muatan negatif ).

Q I t +

+

+ + I

+ A

- -

-

v 6

Contoh : Jumlah muatan yang melewati filamen dari lampu bolam dalam 2.00 s adalah 1,67 C. Tentukan : (a)arus listrik pada lampu Solusi : a.

Q 1.67C I   0.835A t 2.00s

7

Arus Listrik 1. Listrik arus searah atau DC (Direct Current) adalah aliran arus listrik yang konstan dari potensial tinggi ke potensial rendah. Pada umumnya ini terjadi dalam sebuah konduktor seperti kabel, Dengan listrik arus searah jika kita memegang hanya kabel positif (tapi tidak memegang kabel negatif), listrik tidak akan mengalir ke tubuh kita (kita tidak terkena strum). Demikian pula jika kita hanya memegang saluran negatif. 2. Listrik Arus bolak-balik (listrik AC -- alternating current) adalah arus listrik dimana besarnya dan arahnya arus berubah-ubah secara bolak-balik. Jika kita memegang sumber listrik dan kaki kita menginjak bumi atau tangan kita menyentuh dinding, perbedaan tegangan antara kabel listrik di tangan dengan tegangan di kaki (ground), membuat listrik mengalir dari tangan ke kaki sehingga kita akan mengalami kejutan listrik ("terkena strum").

Georg Simon Ohm (1787-1854)

Hukum Ohm

V  IR

R konstan dan tidak tergantung terhadap ∆V

Linier atau Ohmic Material I

Non-Linier atau Non-Ohmic Material I

V Most metals, ceramics

V Semiconductors e.g. diodes

9

Contoh : Sebuah setrika listrik menarik arus 2A ketika dihubungkan dengan sumber tegangan 220 V. Tentukan hambatan listrik dari seterika tersebut.

10

Hambat jenis (Resistivity) •

Pergerakan elektron dalam konduktor mengalami hambatan oleh adanya tumbukan dengan atom-atom di dalamnya.

•

Nilai hambatan ini akan sebanding dengan panjang l dan berbanding terbalik dengan luas penampang A dari konduktor.

l R A 11

• • •

Konstanta kesebandingan ρ disebut hambat jenis bahan (resistivity) dengan satuan Wm. Konduktor mempunyai hambat jenis rendah dan Insulator mempunyai hambat jenis tinggi. Nilai hambat jenis tergantung lingkungan misalnya temperatur.

  o 1   T  To  •

α disebut temperature coefficient of resistivity.

•

Sehingga untuk konduktor dengan luas penampang tetap berlaku :

R  Ro 1   T  To 

12

Resistivity of various materials Material

Resistivity (10-8 Wm)

Material

Resistivity (10-8 Wm)

Silver Copper Gold Aluminum

1.61 1.70 2.20 2.65

Bismuth Plutonium Graphite Germanium

106.8 141.4 1375 4.6x107

Pure Silicon Calcium

3.5

Diamond

2.7x109

3.91

1.8x1013

Sodium Tungsten Brass Uranium Mercury

4.75 5.3 7.0 30.0 98.4

Deionized water Iodine Phosphorus Quartz Alumina Sulfur

1.3x1015 1x1017 1x1021 1x1022 2x1023 13

Energi dan Daya Listrik •

•

Dengan adanya tumbukan pada proses pergerakan elektron dalam konduktor maka energi listrik dapat berubah menjadi energi termal yang selanjutnya menghasilkan kalor. Contoh pemanas, setelika, toaster, lampu pijar. Laju perubahan energi ini disebut Daya P dengan satuan watt (joule/s)

E Q P  V  I V t t •

Dari hukum Ohm :

P  I V  I

2

V   R

2

R

Pada sebuah lampu pijar tertulis 100W, 220V. Perkirakan hambatan listrik dari lampu pijar tersebut! 14

Contoh : Sebuah pemanas listrik beroperasi 3 jam sehari selama 30 hari. Jika harga pemakaian listrik per kWh Rp. 300, berapakah biaya yang harus dikelurkan jika pemanas beroperasi pada tegangan 120V dan menarik arus 15A. Solusi

E  P t  I V t = 15 (A) 120 (V) 3 (h) 30 = 162.000 Wh

= 162 kWh Biaya = Rp.300 x 162 = Rp. 48.600 15

Rangkaian Arus Searah  Syarat terjadinya arus dalam rangkaian : - Ada sumber tegangan ( Baterai, Generator, Accu, PLN) - Rangkaian tertutup ( Close loop circuit ) V = IR

I

+ -

V = IR = Vbat

Vbat

Hindari terjadinya hubung singkat ( R = 0 ohm )

Gunakan pembatas arus / sekering untuk pengaman rangkaian 16

 Baterai • Mengubah energi kimia menjadi energi listrik. • Baterai membangkitkan gaya gerak listrik / EMF (E) dan mempunyai hambatan dalam (r). • Hambatan dalam makin lama membesar seiring dengan lama pemakaian sehingga dikatakan baterai habis. • Tegangan terminal VAB dirumuskan sebagai berikut : B

C

VAB  E  Ir  IR

r R

E E A

E  IR  Ir

D

17

KOMPONEN ELEKTRONIKA

Resistor Resistor atau yang biasa disebut (bahasa Belanda) werstand, tahanan atau penghambat, adalah suatu komponen elektronik yang memberikan hambatan terhadap perpindahan elektron (muatan negatif). Resistor disingkat dengan huruf "R" (huruf R besar). Satuan resistor adalah Ohm, Kemampuan resistor untuk menghambat disebut juga resistensi atau hambatan listrik.

RESISTOR Berdasarkan penggunaannya, resistor dapat dibagi: 1. Resistor Biasa (tetap nilainya), ialah sebuah resistor penghambat gerak arus, yang nilainya tidak dapat berubah, jadi selalu tetap (konstan). Resistor ini biasanya dibuat dari nikelin atau karbon.

Penghitungan Resistansi

Contoh

Hitunglah

Nilai Resistor berdasarkan Kode Angka Contoh : Kode Angka yang tertulis di badan Komponen Chip Resistor adalah 4 7 3; Cara pembacaannya adalah : Masukkan Angka ke-1 langsung = 4 Masukkan Angka ke-2 langsung = 7 Masukkan Jumlah nol dari Angka ke 3 = 000 (3 nol) atau kalikan dengan 103 Maka nilainya adalah 47.000 Ohm atau 47 kilo Ohm (47 kOhm) Contoh-contoh perhitungan lainnya : 222 → = 2.200 Ohm atau 2,2 Kilo Ohm 103 → = 10.000 Ohm atau 10 Kilo Ohm 334 → = 330.000 Ohm atau 330 Kilo Ohm Ada juga yang memakai kode angka seperti dibawah ini : (Tulisan R menandakan letaknya koma decimal) 4R7 = 4,7 Ohm 0R22 = 0,22 Ohm

Resistor 2. Resistor Berubah (variable), ialah sebuah resistor yang nilainya dapat berubah-ubah dengan jalan menggeser atau memutar toggle pada alat tersebut. Sehingga nilai resistor dapat kita tetapkan sesuai dengan kebutuhan. Berdasarkan jenis ini kita bagi menjadi dua, Potensiometer, rheostat dan Trimpot

Potensiometer

Trimpot

Resistor 3. Resistor NTC dan PTS, NTC (Negative Temperature Coefficient), ialah Resistor yang nilainya akan bertambah kecil bila terkena suhu panas. PTS (Positife Temperature Coefficient), ialah Resistor yang nilainya akan bertambah besar bila temperaturnya menjadi dingin. LDR (Light Dependent Resistor), ialah jenis Resistor yang berubah hambatannya karena pengaruh cahaya. Bila cahaya gelap nilai tahanannya semakin besar, sedangkan cahayanya terang nilainya menjadi semakin kecil.

NTC

PTS

LDR

 Resistor dalam Rangkaian Seri • Arus : I = I1 = I2 • Tegangan : V = V1 + V2 I Rt = I R 1 + I R 2 • Resistor : Rt = R1 + R 2

B

R1 V

• Untuk kombinasi seri berlaku :

Req  R1  R2  R3  ...

C

R2

A

D

• Rangkaian berprilaku sebagai pembagi tegangan (voltage divider)

27

 Resistor dalam Rangkaian Paralel • Tegangan : V = V1 = V2 • Arus : I = I1 + I2 V / Rt = V1 / R1 + V2 / R2 • Resistor : 1/Rt = 1/R1 + 1/R2

• Untuk kombinasi Paralel berlaku : 1 1 1 1     ... Req R1 R2 R3

B

V

A

C

R1

R2

D

• Rangkaian berperilaku sebagai pembagi arus (current divider)

28

 Contoh Soal: R1

• V = 18 volt • R1 = 2W ; R2 = 6W ; R3= 12W

• Hitung: • Hambatan ekivalen pada rangkaian tersebut • Arus yang melalui masingmasing hambatan • Beda tegangan di C dan di D (VCD = VC – VD)

B

V

A

C

R2

R3

D

Jawab: Rek = 6W ; I1 = 3A, I2 = 2A , I3 = 1A ; VCD = 12 V

29

Contoh Soal Rangkaian di bawah ini sering disebut sebagai rangkaian tangga (ladder network). Tentukan tegangan pada tahanan-tahanan R2, R4 dan R6.

Jawab : V6 

R6 V4 R5  R6

V4 

R 456 V2 R 456  R 3

V2 

R 23456 (100) R 23456  R1

(5)(20) R 56  10  10  20  R 456  4 5  20

(5)(20) 4W 5  20 (10)(10) R 3456  R 3  R 456  6  4  10 W  R 23456  5W 10  10 R 56  10  10  20 W  R 456 

R 23456 5 V2  (100)  (100)  50 V R 23456  R1 55 V4 

R 456 4 V2  (50)  20 V R 456  R 3 46

R6 10 V6  V4  (20)  10 V R6  R5 10  10

Contoh Soal Tentukan arus yang melalui tahanan-tahanan R1, R3 dan R5.

I1

R4 I5  I3 R 4  R 56 R2 I3  I1 R 2  R 3456

100 I1  R1  R 23456

I3

I5

I1

I3

I5

(5)(20) R 56  10  10  20 W  R 456  4W 5  20 (10)(10) R 3456  R 3  R 456  6  4  10 W  R 23456  5W 10  10

100 100 I1    10A R1  R 23456 5  5

R2 10 I3  I1  (10)  5A R 2  R 3456 10  10

R4 5 I5  I3  (5)  1A R 4  R 56 5  20

Kondensator (Capasitor) Kondensator (Capasitor) adalah suatu alat yang dapat menyimpan energi di dalam medan listrik, dengan cara mengumpulkan ketidakseimbangan internal dari muatan listrik. Satuan Farad.

Rangkaian Kapasitor Seri

Paralel a

a C1

V=Vab

+Q1 C2

+Q2

Q 1

Q2

+Q1

C1

V=Vab

 Q1 c

C2 b

+Q2

Q2

V  V1  V2

b

V1  V2  V Q1  Q2  Q Ceq  C1  C2

Q1  Q2  Q

1 1 1   Ceq C1 C2

36

HUBUNGAN SERI : Muatan sama

Q  Q1  Q 2

Tegangan dibagi-bagi

V  V1  V2

Kapasitansi ekivalen (gabungan) Cgab :

Q V Q1  C1V1 Q2  C2V2

C1 +Q1

C2 -Q1

+Q2

V1

V2

C gab 

Q  Q1  Q2

 V1 

+Q

Q Q V2  C1 C2

Q Q V  V1  V2   C1 C2  1 1  V  1 1     V  Q        Q  C1 C2   C1 C2  N 1 1 1 1 1     C gab C1 C2 C gab i 1 Ci C12 

C1C2 C1  C2

-Q2

-Q

V

Cgab +Q -Q V

+Q

-Q

V

HUBUNGAN PARALEL:

C1

Muatan dibagi-bagi

Q  Q1  Q 2

Tegangan sama

V  V1  V2

+Q1

-Q1

V1

Kapasitansi ekivalen (gabungan) Cgab: C2 +Q2

Q C gab  V Q1  C1V1 Q 2  C 2 V2 V1  V2  V2

-Q2 V2

 Q1  C1V Q 2  C 2 V

+Q

-Q

Q  Q1  Q 2  C1V  C 2 V  (C1  C 2 )V N Q C gab   C gab   Ci V i 1 C12  C1  C 2

Cgab

+Q

-Q V

+Q

-Q V

V

Contoh Soal Tiga buah kapasitor C1 = 3 F, C2 = 1 F dan C3 = 2 F dirangkai seperti terlihat pada gambar di bawah ini. Rangkaian ini dihubungkan dengan sumber tegangan 2 volt. Hitunglah : a). Kapasitansi ekivalen rangkaian tersebut.

b). Besarnya muatan yang tersimpan pada C3.

Jawab : a)

C1  3 F C 2  1 F C3  2 F C 2 & C3 paralel : C 23  C 2  C3  (1  2)  3 F C1 & C 23 seri : C1C 23 (3)(3) C eq  C123    1,5 F C1  C 23 3  3

Jawab : b)

C1  3 F C2  1 F C3  2 F

C123  1,5F Seri : Q123  Q1  Q 23  C123V123  (1,5)(2)  3 C

Paralel : V23  V2  V3 Q 23 3 V23    1V C 23 3 Q3  C3V3  (2)(1)  2 C

Soal Latihan Hitung besarnya muatan pada kapasitor 15 F dari rangkaian di bawah ini.

7,5F

15F

15V

45F

Jawab : 150 C

Contoh Soal Tentukan muatan pada masing-masing kapasitor pada saat : a) Saklar S1 ditutup dan S2 dibuka. b) Saklar S1 dan S2 ditutup. C1 = 1F

C3 = 3F

S2 C2 = 2F

C4 = 4F

S1

12 V

Jawab : a) S1 ditutup C1 = 1F

C3 = 3F

C13 = 3/4 C1234 = 25/9

S2 C2 = 2F

C4 = 4F

C24 = 4/3

S1

12 V

12 V

C1C3 (1)(3) 3 C2C4 (2)(4) 4 Seri : C13    C24    C1  C3 1  3 4 C2  C4 24 3 3 4 9  16 25 Paralel : C1234  C13  C24     4 3 12 12

12V

C1 = 1F

C3 = 3F

C13 = 3/4 C1234 = 25/9

S2 C2 = 2F

C4 = 4F

C24 = 4/3

S1

12 V

12 V

Paralel : V13  V24  V1234  12V 3 4 Q13  C13V13  (12)  9 Q 24  C 24V24  (12)  16 4 3 Seri : Q1  Q3  Q13  9C Q 2  Q 4  Q 24  16C

12V

Jawab : b) S1 dan S2 ditutup C1 = 1F

C3 = 3F C12=3

C34=7

C1234 = 21/10

S2 C2 = 2F

C4 = 4F

S1

12 V

12 V

Paralel : C12  C1  C2  1  2  3 C34  C3  C4  3  4  7 C12C34 (3)(7) 21 Seri : C1234    C12  C34 3  7 10

21 Q1234  C1234V1234  (12)  25,2 10

12V

C1 = 1F

C3 = 3F C12=3

C34=7

C1234 = 21/10

S2 C2 = 2F

C4 = 4F

S1

12 V

12 V

Seri : Q12  Q34  Q1234  25,2 Q34 25,2 Q12 25,2 V12    8,4 V34    3,6 C12 3 C34 7 Paralel : V1  V2  V12  8,4 V3  V4  V34  3,6 Q1  C1V1  (1)(8,4)  8,4F Q 2  C 2 V2  (2)(8,4)  16,8F Q3  C3V3  (3)(3,6)  10,8F Q 4  C 4 V4  (4)(3,6)  14,4F

12V

Contoh : Dua buah kapasitor masing-masing dengan muatan 3 mF dan 6 mF dihubungkan pararel melalui batere 18 V. Tentukan kapasitansi ekuivalen dan jumlah muatan yang tersimpan

Contoh : Dua buah kapasitor masing-masing dengan muatan 3 F dan 6 F dihubungkan seri melalui batere 18 V. Tentukan kapasitansi ekuivalen dan jumlah muatan yang tersimpan 48

Contoh Soal: •

Empat buah kapasitor masing-masing kapasitasnya C, dirangkai seperti pada gambar di bawah ini. Rangkaian yang memiliki kapasitas 0,6 C adalah,

A.

B.

D.

C.

E.

JAWAB : D

49

Dioda • Dioda adalah piranti semikonduktor dengan bahan tipe-n yang menyediakan elektron-elektron bebas dan bahan tipe-p yang disatukan (P-N junction). • Dioda merupakan suatu piranti dua elektroda dengan arah arus yang tertentu, dapat juga dikatakan dioda bekerja sebagai penghantar bila tegangan listrik diberikan dalam arah tertentu tetapi dioda akan bekerja sebagai isolator bila tegangan yang diberikan dalam arah berlawanan dari pergerakan elektron pembentuknya.

Symbol dan Komponen

Karakteristik Dioda

Jenis Dioda Dioda adalah sambungan bahan positif -negatif yang berfungsi terutama sebagai penyearah tegangan. Bahan tipe-positif menjadi sisi anode sedangkan bahan tipe-negatif menjadi katode.

• Dioda pemancar cahaya atau LED (Light Emmiting Dioda) adalah dioda yang memancarkan cahaya.

Jenis Dioda Dioda foto (fotovoltaic) digunakan untuk mengubah energi cahaya menjadi energi listrik searah

Dioda laser digunakan untuk membangkitkan sinar laser taraf rendah, cara kerjanya mirip LED

Dioda Zener digunakan untuk regulasi tegangan. Fungsi utamanya adalah untuk menstabilkan tegangan

Dioda Sebagai Penyearah

Transistor Transistor adalah alat semikonduktor yang dipakai sebagai penguat, sebagai sirkuit pemutus dan penyambung (switching), stabilisasi tegangan, modulasi sinyal atau sebagai fungsi lainnya.

Aplikasi: Amplifier, Saklar, Audio, Tegangan Tinggi, dan lain-lain

Symbol dan komponen

Transistor Sebagai Saklar

Aplikasi NPN

Transistor Switch Circuit

Mechanical Switch Circuit

Light

12 Volt Battery

Switch open Light off = 0

12 Volt Battery

NPN Transistor

Switch close Light on = 1 Computer can send a signal to turn on the transistor which then turns on the light

Input = 0 Light off Input = 1 Light on 59

Integrated Circuit (IC) Integrated Circuit atau Sirkuit Terpadu (IC) adalah komponen dasar yang terdiri dari resistor, transistor dan lain-lain. IC adalah komponen yang dipakai sebagai otak peralatan elektronika.

Pada komputer, IC yang dipakai adalah mikroprosesor. Dalam sebuah mikroprosesor Intel Pentium 4 dengan ferkuensi 1,8 trilyun getaran per detik terdapat 16 juta transistor, belum termasuk komponen lain. IC mempunyai ukuran seukuran tutup pena sampai ukuran ibu jari dan dapat diisi sampai 250 kali dan digunakan pada alat elektronika seperti: • • • • •

Telepon Kalkulator Handphone Radio Komputer

Symbol dan komponen

Integrated Circuit (IC) An integrated circuit (IC) consists of multiple transistors. The number of transistors can vary from just a few (circuits shown below), to several million that are in a (Pentium microprocessor). 6 Transistors in one IC

This IC has 6 inverters An inverter contains 6 Transistors = 36 total

Functions Inverters Gates Flip flops Counters Memory MPU Watch IC’s Calculators IC’s Microwave Timer IC’s Radio IC’s Dialer IC’s Car Controller IC’s 62

Microprocessor Road Map Transistors Capacity

PowerPC/Pentium

20M

PowerPC/Pentium

10M

PowerPC/Pentium 68040/80486

1M

68030/80386

Every 18 months cpu’s double in density and performance, while still holding prices the same

68020/80286

100K

68000/80186 10K

6800/8080

Apple 2E

Power Mac

Mac

1K

IBM 8080 1970

1975

1980

IBM 386 1985

IBM 486 1990

iMac

IBM Pentium 1995

2000

Year of Introduction 63

Printed Circuit Board Printed Circuit Board atau PCB adalah sebuah papan yang penuh dengan sirkuit dari logam yang menghubungkan komponen elektronik satu sama lain tanpa kabel.

Latihan buat!

Terima Kasih