MODUL 1 Potensiometer dan tahanan geser dan jembatan wheatsone

CHAPTER 7-99

[menuju akhir]

[KEMBALI KE MENU SEBELUMNYA]

DAFTAR ISI

1. Pendahuluan

2. Tujuan

3. Alat dan Bahan

4. Dasar Teori

5. Prinsip Kerja

6. Ringkasan

7. Soal Latihan

8. Percobaan

9. Download File

1. Pendahuluan

Dalam dunia elektronika modern, simulasi berbasis komputer menjadi alat penting untuk merancang, menguji, dan menganalisis performa rangkaian tanpa harus langsung merakit perangkat kerasnya. Salah satu software yang banyak digunakan dalam simulasi rangkaian adalah PSpice, yang memungkinkan analisis DC, transient, dan tampilan grafik melalui fitur seperti Probe. Pada materi ini, kita akan mempelajari simulasi komparator berbasis op-amp untuk mengontrol LED, dan osilator berbasis IC 555 timer, yang umum digunakan dalam aplikasi digital dan kontrol.

[kembali ke daftar isi]

2. Tujuan

1. Memahami konsep dasar dan fungsi rangkaian komparator menggunakan op-amp.

2. Menganalisis respon output komparator terhadap perubahan tegangan input melalui simulasi DC Sweep.

3. Menganalisis respon LED sebagai indikator hasil komparator.

4. Mempelajari konfigurasi IC 555 sebagai astable multivibrator (osilator).

5. Menentukan waktu naik (T_high), turun (T_low), dan frekuensi output dari rangkaian osilator 555.

6. Mengasah keterampilan menggunakan PSpice untuk keperluan analisis elektronik praktis.

[kembali ke daftar isi]

3. Alat dan Bahan

• 1. Function Generator

         Function Generator adalah alat yang digunakan untuk menghasilkan berbagai bentuk gelombang sinus, kotak, segitiga, dan lain-lain dengan frekuensi dan amplitudo yang bisa diatur.

  

      2. Op Amp

          Op-amp (operational amplifier) adalah komponen elektronik analog yang berfungsi sebagai penguat tegangan. Komponen ini memiliki dua terminal input, yaitu input non-inverting (+) dan input inverting (−), serta satu terminal output. Beberapa konfigurasi umum op-amp meliputi inverting amplifier (input diberikan ke terminal inverting, output berbanding terbalik dengan input), non-inverting amplifier (input ke terminal non-inverting, output searah dengan input), dan voltage follower (output langsung mengikuti input tanpa penguatan).

  

  
  

      3.  Resistor

      Resistor adalah komponen elektronik pasif yang berfungsi untuk menghambat atau membatasi aliran arus listrik dalam suatu rangkaian, komponen ini digunakan untuk mengatur arus, membagi tegangan, melindungi komponen lain dari arus berlebih, dan sebagai bagian dari filter, pengatur waktu, atau pembentuk sinyal. Nilai hambatan resistor ditentukan oleh kode warna atau ditulis langsung pada bodinya

  

      4. Ground

      Ground dalam sebuah rangkaian elektronik adalah titik referensi tegangan nol volt yang digunakan sebagai acuan untuk semua tegangan lainnya dalam rangkaian. Ground bukan berarti harus terhubung secara fisik ke bumi, tapi bisa berarti titik nol secara konseptual atau fungsional di dalam sistem.

  

      5. Power Supply

       Power supply adalah perangkat atau rangkaian yang berfungsi untuk menyediakan energi listrik kepada komponen atau sistem elektronik. Secara umum, power supply dapat dibagi menjadi dua jenis utama, yaitu DC power supply yang menghasilkan arus searah (direct current), dan AC power supply yang menghasilkan arus bolak-balik (alternating current).

  

      6. Oscilloscope

          Berguna untuk melihat sinyal atau gelombang input dan output yang dihasilkan.

  

[kembali ke daftar isi]

4. Dasar Teori

RA. Resistor 

    Resistor merupakan salah satu komponen elektronika pasif yang berfungsi untuk membatasi arus yang mengalir pada suatu rangkaian dan berfungsi sebagai terminal antara dua komponen elektronika. Tegangan pada suatu resistor sebanding dengan arus yang melewatinya (V=I R).

Simbol :

Cara menghitung nilai resistansi resistor dengan gelang warna:

1. Masukkan angka langsung dari kode warna gelang pertama
2. Masukkan angka langsung dari kode warna gelang kedua
3. Masukkan angka langsung dari kode warna gelang ketiga
4. Masukkan jumlah nol dari kode warna gelang ke-4 atau pangkatkan angka tersebut dengan 10(10^n)

Rumus :

Contoh :

Gelang ke 1 : Coklat = 1

Gelang ke 2 : Hitam = 0

Gelang ke 3 : Hijau = 5 nol dibelakang angka gelang ke-2; atau kalikan 105

Gelang ke 4 : Perak = Toleransi 10%

Maka nilai resistor tersebut adalah 10 * 105 = 1.000.000 Ohm atau 1 MOhm dengan toleransi 10%.   

B. Kapasitor

      Adapun rangkaian HPF +40dB/dec adalah seperti pada rangkaian dibawah. Dari rangkaian terlihat bahwa sinyal input diserikan dengan kapasitor C, sehingga sinyal input yang berfrekuensi diatas frekuensi cut-off akan dilewatkan dan sebaliknya dibawah frekuensi cut-off akan diredam atau dilemahkan. Pelemahan terjadi karena reaktansi XC akan semakin besar apabila frekuensi semakin kecil seperti hubungan berikut.

Simbol :

Cara menghitung nilai kapasitor :

1. Masukan 2 angka pertama langsung untuk nilai kapasitor.
2. Angka ke-3 berfungsi sebagai perpangkatan (10^n) nilai kapasitor.
3. Satuan kapasitor dalam piko farad.
4. Huruf terakhir menyatakan nilai toleransi dari kapasitor.

    Nilai kapasitor (104J) : 10 * 10^4 pF = 10^5 pF = 100nF; toleransi 5% = ± 95nF sampai 105nF

Kapasitor adalah komponen elektronika pasif yang dapat menyimpan muatan listrik dalam waktu sementara.

Daftar nilai toleransi kapasitor :

1. B = 0.10pF
2. C = 0.25pF
3. D = 0.5pF
4. E = 0.5%
5. F = 1%
6. G = 2%
7. H = 3%
8. J = 5%
9. K = 10%
10. M = 20%
11. Z = + 80% dan -20%

Rumus kapasitor 

C. Transistor 

      Transistor adalah sebuah komponen di dalam elektronika yang diciptakan dari bahan-bahan semikonduktor dan memiliki tiga buah kaki. Masing-masing kaki disebut sebagai basis, kolektor, dan emitor.

1. Emitor (E) memiliki fungsi untuk menghasilkan elektron atau muatan negatif.
2. Kolektor (C) berperan sebagai saluran bagi muatan negatif untuk keluar dari dalam transistor.
3. Basis (B) berguna untuk mengatur arah gerak muatan negatif yang keluar dari transistor melalui kolektor.

Transistor Bipolar terdiri dari dua jenis yaitu Transistor NPN dan Transistor PNP. 

1. Transistor NPN adalah transistor bipolar yang menggunakan arus listrik kecil dan tegangan positif pada terminal Basis untuk mengendalikan aliran arus dan tegangan yang lebih besar dari Kolektor ke Emitor.
2. Transistor PNP adalah transistor bipolar yang menggunakan arus listrik kecil dan tegangan negatif pada terminal Basis untuk mengendalikan aliran arus dan tegangan yang lebih besar dari Emitor ke Kolektor.

Rumus :

Konfigurasi transistor bipolar :

Cara mengukur transistor bipolar

Karakteristik input

    Transistor adalah komponen aktif yang menggunakan aliran electron sebagai prinsip kerjanya didalam bahan. Sebuah transistor memiliki tiga daerah doped yaitu daerah emitter, daerah basis dan daerah disebut kolektor. Transistor ada dua jenis yaitu NPN dan PNP. Transistor memiliki dua sambungan: satu antara emitter dan basis, dan yang lain antara kolektor dan basis. Karena itu, sebuah transistor seperti dua buah dioda yang saling bertolak belakang yaitu dioda emitter-basis, atau disingkat dengan emitter dioda dan dioda kolektor-basis, atau disingkat dengan dioda kolektor.

Bagian emitter-basis dari transistor merupakan dioda, maka apabila dioda emitter-basis dibias maju maka kita mengharapkan akan melihat grafik arus terhadap tegangan dioda biasa. Saat tegangan dioda emitter-basis lebih kecil dari potensial barriernya, maka arus basis (Ib) akan kecil. Ketika tegangan dioda melebihi potensial barriernya, arus basis (Ib) akan naik secara cepat.

Karakteristik output

    Sebuah transistor memiliki empat daerah operasi yang berbeda yaitu daerah aktif, daerah saturasi, daerah cutoff, dan daerah breakdown. Jika transistor digunakan sebagai penguat, transistor bekerja pada daerah aktif. Jika transistor digunakan pada rangkaian digital, transistor biasanya beroperasi pada daerah saturasi dan cutoff. Daerah breakdown biasanya dihindari karena resiko transistor menjadi hancur terlalu besar.

Gelombang I/O Transistor

D. Op-Amp

    Op-Amp adalah salah satu dari bentuk IC Linear yang berfungsi sebagai Penguat Sinyal listrik. Sebuah Op-Amp terdiri dari beberapa Transistor, Dioda, Resistor dan Kapasitor yang terinterkoneksi dan terintegrasi sehingga memungkinkannya untuk menghasilkan Gain (penguatan) yang tinggi pada rentang frekuensi yang luas. Dalam bahasa Indonesia, Op-Amp atau Operational Amplifier sering disebut juga dengan Penguat Operasional.

Karakteristik penguat ideal adalah:

    Impedansi input sangat besar (Zi >>). Impedansi input adalah sangat besar sehingga arus input ke rangkaian dalam op-amp sangat kecil sehingga tegangan input sepenuhnya dapat dikuatkan.

 a. Komparator Op-Amp

Komparator Op-Amp sebagai Pengendali LED: Prinsip dan Aplikasi

Komparator berbasis op-amp merupakan rangkaian penting yang berfungsi membandingkan tegangan input (Vi) dengan tegangan referensi (Vref). Dalam mode open-loop, op-amp bekerja dengan gain sangat tinggi sehingga perbedaan kecil antara kedua input akan menghasilkan output saturasi penuh. Ketika tegangan pada input non-inverting (+) lebih besar dari input inverting (-), output akan mencapai saturasi positif (+Vsat), dan sebaliknya akan mencapai saturasi negatif (-Vsat).

Terdapat dua konfigurasi utama untuk mengendalikan LED:

1. Konfigurasi inverting: Vref dihubungkan ke input inverting. LED akan menyala ketika Vi > Vref karena output mencapai +Vsat dan mengalirkan arus melalui resistor pembatas (contoh: 470Ω).

2. Konfigurasi non-inverting: Vref dihubungkan ke input non-inverting. LED menyala ketika Vi < Vref, meskipun umumnya memerlukan komponen tambahan seperti transistor untuk menangani output negatif.

Dalam aplikasi praktis seperti simulasi Gambar 13.32, ketika Vi disweep dari 4V hingga 8V dengan Vref tetap 6V pada input inverting, LED akan menyala saat Vi melebihi 6V. Karakteristik op-amp ideal memastikan tidak ada arus mengalir ke input (impedansi input tinggi) dan tegangan input sama saat terjadi peralihan (virtual short).

Aplikasi umum meliputi:

• Sistem deteksi level tegangan (alarm baterai lemah)

• Monitoring parameter fisik (suhu, intensitas cahaya)

• Indikator visual berbasis kondisi tertentu

Untuk implementasi optimal:

1. Gunakan resistor pembatas arus (470Ω) untuk proteksi LED

2. Pertimbangkan kebutuhan polaritas output dalam pemilihan konfigurasi

3. Untuk output negatif, tambahkan komponen interface seperti transistor atau dioda

Dengan memahami prinsip dasar ini, komparator op-amp dapat diimplementasikan secara efektif dalam berbagai rangkaian kontrol dan sistem indikator sederhana, menawarkan solusi yang handal dan efisien untuk aplikasi deteksi level tegangan

Dalam simulasi (Gambar 13.32), input Vi disweep dari 4V hingga 8V, dan dibandingkan dengan referensi tetap sebesar 6V pada input inverting. Output mengendalikan LED — LED menyala ketika output cukup besar (Vi > 6V).

b. IC 555 Timer sebagai Osilator

IC timer 555 adalah rangkaian terintegrasi analog-digital yang sangat populer dalam dunia elektronika karena kemampuannya yang serbaguna. Dalam konfigurasi astable multivibrator, IC ini berfungsi sebagai osilator mandiri yang menghasilkan gelombang persegi secara kontinu tanpa memerlukan trigger eksternal.

Struktur Internal dan Prinsip Kerja:
IC 555 terdiri dari beberapa komponen utama:

1. Dua komparator (upper dan lower)

2. Flip-flop SR

3. Transistor discharge

4. Pembagi tegangan resistor internal

Ketika digunakan sebagai osilator astable, IC ini bekerja melalui dua proses utama:

1. Fase Pengisian: Kapasitor eksternal C mengisi daya melalui resistor RA dan RB. Proses ini berlanjut hingga tegangan kapasitor mencapai 2/3 Vcc (threshold voltage) yang akan memicu komparator atas.

2. Fase Pengosongan: Ketika threshold tercapai, flip-flop diaktifkan sehingga output menjadi low dan transistor discharge mengaktif, menyebabkan kapasitor mengosong melalui RB saja hingga mencapai 1/3 Vcc (trigger voltage).

Rumus Periode dan Frekuensi

1. Waktu Tinggi (Thigh) – Kapasitor mengisi melalui RA dan RB:

   $$T_{high}=\ln (2)\cdot (RA+RB)\cdot C\approx 0.693\cdot (RA+RB)\cdot C$$

   (Nilai $\ln (2)\approx 0.693$, sering disederhanakan menjadi 0.7 dalam praktik.)

2. Waktu Rendah (Tlow) – Kapasitor mengosong melalui RB saja:

   $$T_{low}=\ln (2)\cdot RB\cdot C\approx 0.693\cdot RB\cdot C$$

3. Periode Total (T):

   $$T=T_{high}+T_{low}=0.693\cdot (RA+2RB)\cdot C$$

4. Frekuensi (f):

   $$f=\frac{1}{T}=\frac{1.44}{(RA+2RB)\cdot C}$$

5. Duty Cycle (D) – Rasio waktu tinggi terhadap periode total:

   $$D=\frac{T_{high}}{T}=\frac{RA+RB}{RA+2RB}$$

   • Duty cycle selalu >50% karena RA tidak bisa nol (jika RA = 0, IC 555 akan rusak).

• Implementasi Praktis:
  Pada contoh implementasi dengan:

  • RA = 7.5kΩ

  • RB = 7.15kΩ

  • C = 0.1μF

  Diperoleh:

  • Thigh = 1.05ms

  • Tlow = 0.525ms

  • Frekuensi ≈ 635Hz

  • Duty cycle ≈ 66.7%

  Karakteristik Output:

  • Level high mendekati Vcc (5V pada contoh)

  • Level low mendekati 0V

  • Transisi relatif tajam dengan rise/fall time kecil

  • Stabilitas frekuensi yang baik

  Pertimbangan Desain Kritis:

  1. Nilai RA harus > 1kΩ untuk mencegah kerusakan IC

  2. Kapasitor C biasanya antara 1nF hingga 1000μF

  3. Tegangan operasi 4.5V-15V (versi standar)

  4. Kemampuan output current hingga 200mA

  Aplikasi dan Variasi:

  1. Pembangkit clock untuk sistem digital

  2. Modulasi PWM untuk kontrol kecepatan motor

  3. Sistem timing presisi rendah

  4. Alarm dan indikator audio/visual

  5. Versi CMOS (7555) untuk aplikasi low-power

  Keunggulan IC 555:

  • Desain sederhana dan ekonomis

  • Reliabilitas tinggi

  • Fleksibilitas dalam pemilihan komponen

  • Kemampuan drive output yang memadai

  Dengan memahami prinsip operasi dan parameter desain ini, engineer dapat mengimplementasikan IC 555 dalam berbagai aplikasi osilator dan timer dengan karakteristik yang dapat diprediksi dan diandalkan. Komponen ini tetap menjadi pilihan utama untuk aplikasi elektronika dasar hingga menengah karena kesederhanaan dan keefektifannya.

[kembali ke daftar isi]

5. Prinsip Kerja

Prinsip kerja rangkaian dimulai dari pembacaan kondisi ruangan oleh sensor. Sinyal dari sensor kemudian diproses oleh rangkaian analog dan digital untuk menentukan output yang akan aktif, seperti fan, heater, LED, buzzer, motor, atau relay.

[kembali ke daftar isi]

6. Ringkasan

Secara umum, sistem ini bekerja dengan membaca kondisi suhu, kelembapan, kualitas udara, cahaya, dan keberadaan objek. Hasil pembacaan sensor digunakan sebagai dasar pengambilan keputusan pada rangkaian kontrol.

[kembali ke daftar isi]

7. Soal Latihan

Soal 1  Comparator Mengontrol LED

Deskripsi:

Sebuah rangkaian komparator menggunakan op-amp ideal. Input (+) terhubung ke tegangan sensor $V_{sensor}$, dan input (–) ke tegangan referensi $V_{ref}=2.5V$. Output op-amp terhubung ke LED (dengan resistor 330Ω ke ground). Op-amp diberi suplai $+5V$ dan ground.

Pertanyaan:

1. Apa yang terjadi pada LED jika $V_{sensor}=3V$?

2. Apa yang terjadi jika $V_{sensor}=2V$?

3. Jelaskan fungsi komparator pada rangkaian ini.

     Jawaban Soal 1:

1. Karena $V_{sensor}=3V>V_{ref}=2.5V$, maka output op-amp = HIGH (sekitar +5 V).
   LED akan menyala.

2. Karena $V_{sensor}=2V<V_{ref}=2.5V$, maka output op-amp = LOW (0 V).
   LED mati.

3. Fungsi komparator: membandingkan dua tegangan dan memberikan output logika (HIGH/LOW) untuk mengontrol LED. Digunakan sebagai saklar elektronik berbasis tegangan ambang.

Soal 2 – Frekuensi 555 Timer Astable

Deskripsi:

Sebuah 555 timer dikonfigurasi sebagai osilator (astable) dengan:

• $R_1=1k\mathrm{\Omega }$

• $R_2=3k\mathrm{\Omega }$

• $C=1\mu F$

Pertanyaan:

1. Hitung periode $T$ dan frekuensi output.

2. Hitung duty cycle dari sinyal output.

3. Apa yang terjadi jika $R_2$ diganti dengan nilai lebih besar?

    Jawaban Soal 2:

    Rumus:

• $T=0.693\cdot (R_1+2R_2)\cdot C$

• $f=\frac{1}{T}$

• Duty cycle $D=\frac{R_1+R_2}{R_1+2R_2}\cdot 100\mathrm{\%}$

$$T=0.693\cdot (1k+2\cdot 3k)\cdot 1\mu F=0.693\cdot 7k\cdot 1\mu F=4.851ms$$$$f=\frac{1}{4.851\times {10}^{-3}}\approx 206Hz$$

                                     f=4.851×10−31​≈206Hz

$$D=\frac{1k+3k}{1k+6k}\cdot 100\mathrm{\%}=\frac{4}{7}\cdot 100\mathrm{\%}\approx 57.1\mathrm{\%}$$

                                            D=1k+6k1k+3k​⋅100%=74​⋅100%≈57.1%

3. Jika $R_2$ lebih besar:

   • Periode meningkat → frekuensi turun

   • Duty cycle mendekati 50% atau turun, tergantung nilai baru

Soal 3 – LED Berkedip Saat Tegangan Naik

Deskripsi:

Sensor suhu menghasilkan 10 mV/°C. Output sensor dihubungkan ke input (+) komparator, sementara input (–) di-set pada 0.4 V. Output komparator terhubung ke pin reset 555 timer astable. Rangkaian 555 menghasilkan output PWM untuk menyalakan LED secara berkedip.

Pertanyaan:

1. Pada suhu berapa LED mulai berkedip?

2. Jika suhu = 45°C, apakah LED berkedip? Jelaskan.

3. Mengapa komparator dihubungkan ke pin RESET 555?

Jawaban Soal 3:

1. Sensor: 10 mV/°C →
   $V_{sensor}=10mV\cdot T$
   Supaya $V_{sensor}>0.4V$:

   $$T>\frac{0.4}{0.01}={40}^{\circ }C$$

   → LED mulai berkedip saat suhu > 40°C

1. Suhu = 45°C → $V_{sensor}=0.45V>0.4V$ → Output komparator HIGH → pin RESET aktif → 555 aktif → LED berkedip

2. Pin RESET 555 digunakan untuk mengaktifkan atau menonaktifkan 555. Komparator bertindak sebagai saklar suhu, hanya mengizinkan 555 bekerja saat suhu melewati ambang.

[kembali ke daftar isi]

8. Percobaan

Gambar rangkaian:

Cara Kerja Ringkas Rangkaian (a)

Rangkaian Figure 7-99(a) menggunakan IC 74LS163 sebagai counter biner 4-bit.

Clock masuk ke pin CLK, lalu counter menghitung naik dari:

$$0000, 0001, 0010, 0011, ...$$

Pin ENP dan ENT diberi logika 1 agar counter aktif. Pin LOAD juga diberi logika 1 supaya tidak melakukan load data. Input D0–D3 dibuat 0.

Output counter Q0, Q1, dan Q3 masuk ke gerbang NAND. Saat counter mencapai kondisi:

$$Q3Q2Q1Q0 = 1011$$

maka Q3, Q1, dan Q0 bernilai 1, sehingga output NAND menjadi 0. Karena pin MR/CLR aktif LOW, counter kembali ke:

$$0000$$

Jadi rangkaian (a) menghitung dari 0000 sampai 1011, lalu reset kembali ke 0000. Rangkaian ini bekerja sebagai counter modulus 12.

Cara Kerja Ringkas Rangkaian (b)

Rangkaian Figure 7-99(b) menggunakan IC 74LS161 sebagai counter biner 4-bit.

Clock masuk ke pin CLK, lalu counter menghitung naik. Pin ENP dan ENT diberi logika 1 agar counter aktif, sedangkan pin MR diberi logika 1 agar counter tidak reset terus.

Pada rangkaian ini, pin LOAD digunakan untuk memasukkan data baru ke counter. Input data diatur sebagai:

$$D0 = 1$$ $$D1 = 0$$ $$D2 = 0$$ $$D3 = \overline{Q3}$$

Output Q1 dan Q2 masuk ke gerbang NAND. Saat Q1 dan Q2 sama-sama bernilai 1, output NAND menjadi 0. Karena pin LOAD aktif LOW, counter akan melakukan parallel load, yaitu memasukkan nilai dari D0–D3 ke dalam counter.

Jadi rangkaian (b) tidak reset ke 0000, tetapi melompat ke nilai tertentu sesuai input D0–D3. Rangkaian ini membentuk urutan hitungan khusus dan juga bekerja sebagai counter modulus 12.

Video penjelasan:

[kembali ke daftar isi]

9. Download File

Rangkaian 7.99  Klik Di sini

Download Datasheet Baterai [download]

Download Datasheet Voltmeter [download]

Download Datasheet Amperemeter [download]

Download Datasheet LM741 [download]

[kembali ke daftar isi]

[kembali ke atas]