Kenali konverternya (buck, boost, atau buck-boost) dan siklus kerja D dari rasio tegangan.
Gunakan keseimbangan volt-detik pada induktor: tegangan induktor rata-rata selama satu periode adalah nol.
Cari tegangan induktor saat saklar menyala, lalu ΔIL = VL·D/(L·f).
Untuk riak keluaran, cari muatan yang masuk dan keluar kapasitor; untuk batas CCM, samakan arus induktor rata-rata dengan ΔIL/2.
Jembatan Wheatstone & strain gauge
Tegangan pembagi
Va = VsR2/(R1 + R2), Vb = VsR4/(R3 + R4)
Haluaran
Vab = Va − Vb
Keseimbangan
R1/R2 = R3/R4
Jembatan kawat geser
R/Rx = l/(100 − l)
Resistansi Thévenin
Rth = R1∥R2 + R3∥R4
Faktor pengukur
ΔR/R = GF·ε
Keluaran jembatan
seperempat Vs·GF·ε/4, setengah Vs·GF·ε/2, penuh Vs·GF·ε
Perubahan kecil, satu lengan
Vab ≈ Vs·ΔR/(4R)
Tegangan
σ = E·ε
Metode
Perlakukan jembatan sebagai dua pembagi tegangan pada catu yang sama.
Untuk keseimbangan, setel R₁/R₂ = R₃/R₄ lalu selesaikan untuk resistor yang tidak diketahui.
Untuk jembatan tak seimbang, cari Va dan Vb dari pembagi lalu kurangkan; gunakan ekuivalen Thévenin bila alat ukur membebani keluaran.
Untuk strain gauge, ubah regangan menjadi ΔR/R = GF·ε dan gunakan Vs·GF·ε/4, /2, atau ×1 untuk jembatan seperempat, setengah, atau penuh.
Logika digital: gerbang, peta-K & flip-flop
Gerbang dasar
A·B, A + B, A′, (A·B)′, (A + B)′, A ⊕ B
Aturan Boolean
X + X′ = 1, X·X′ = 0, X + XY = X, XY + XY′ = X
De Morgan
(X·Y)′ = X′ + Y′, (X + Y)′ = X′·Y′
Urutan peta Karnaugh
00, 01, 11, 10 (Gray code)
Kelompok 2ᵏ sel
kehilangan k variabel
Multiplekser 4-ke-1
F = A′B′I0 + A′BI1 + AB′I2 + ABI3
Flip-flop
D: Q⁺ = D, T: Q⁺ = T ⊕ Q, JK: Q⁺ = JQ′ + K′Q
Pencacah
n bit: 2ⁿ keadaan; mod-N: n terkecil dengan 2ⁿ ≥ N; fout = fclk/N
Pencacah ripple
fmax = 1/(n·tpd)
Pencacah cincin dan Johnson
n dan 2n keadaan
Metode
Untuk rangkaian, bekerjalah dari masukan ke keluaran satu gerbang demi satu gerbang dan tulis nilai pada setiap kawat, atau tulis ekspresinya dan isi tabel kebenaran.
Untuk penyederhanaan, taruh angka 1 (dan don’t-care sebagai X) ke dalam peta Karnaugh dengan baris dan kolom kode Gray: 00, 01, 11, 10.
Cakup angka 1 dengan kelompok sesedikit dan sebesar mungkin yang berisi 1, 2, 4, 8, atau 16 sel, melingkar melewati tepi; setiap kelompok adalah satu suku hasil kali yang tersusun dari variabel yang tetap konstan. Kelompokkan angka 0 untuk bentuk POS.
Untuk flip-flop dan pencacah, baca masukan pada setiap tepi clock aktif, tulis keadaan setelah setiap tepi, dan ingat bahwa pencacah n bit berputar kembali setelah 2ⁿ keadaan.
2Soal latihan
1.Dioda & transistorSedang
2 LED putih (tegangan maju 3 V masing-masing) dihubungkan seri dengan resistor ke catu 24 V. Cari resistansi R yang menetapkan arus sebesar 25 mA.
Vs = 24 VVF = 3 Vn = 2I = 25 mA
R = Ω
2.Dioda & transistorSulit
Sebuah transistor NPN dengan β = 100 mengalihkan resistor beban 1 kΩ yang terhubung antara VCC = 24 V dan kolektornya. Emitornya dihubungkan ke ground. Basis dikemudikan dari keluaran logika 5 V melalui resistor basis RB. Ambil VBE = 0,7 V dan VCE(sat) = 0,2 V. Cari resistor basis terbesar RB, dalam kΩ, yang masih mengemudikan transistor tepat ke saturasi.
Op-amp ideal dan dicatu ±15 V; keluarannya jenuh pada ±13 V. Penguat tak membalik diberi masukan gelombang sinus. Cari amplitudo masukan terbesar Vin,max (nilai puncak) agar keluaran tidak terpotong.
R1 = 4,7 kΩRf = 47 kΩVsat = ±13 V
Vin,max = V
4.Rangkaian op-ampSulit
Integrator memakai op-amp ideal dengan catu ±15 V; keluarannya jenuh pada ±12 V. Kapasitor tidak bermuatan ketika masukan konstan Vin = 2,7 V diberikan pada t = 0. Berapa lama setelah t = 0 keluaran mencapai kejenuhan? Cari t.
Vin = 2,7 VR = 1 kΩC = 2,2 µFVsat = ±12 V
t = ms
5.Transien RC & RLSedang
Induktor mengalirkan arus tunak 2 A. Pada t = 0 sakelar menutup loop melalui R dan sumber dilepas, jadi arus induktor meluruh melalui R. Berapa lama waktu yang diperlukan agar arus turun ke 0,5 A? Cari t.
i(0) = 2 AR = 50 ΩL = 220 mH
t = ms
6.Transien RC & RLSulit
Sakelar yang paralel dengan R2 telah terbuka sejak lama, jadi arus induktor tunak. Pada t = 0 sakelar menutup dan menghubung singkat R2. Berapa lama setelah t = 0 arus induktor mencapai 0,39 A? Cari t.
Vs = 6 VR1 = 10 ΩR2 = 10 ΩL = 100 mH
t = ms
7.Resistor seri & paralelSedang
Cari resistansi ekuivalen Req yang dilihat sumber V1.
Konverter buck-boost pembalik ideal mengubah 15 V menjadi −45 V pada 20 kHz dengan L = 150 µH. Cari arus riak induktor puncak ke puncak ΔIL.
Vin = 15 VVo = −45 Vf = 20 kHzL = 150 µH
ΔIL = A
10.Konverter DC-DCSulit
Konverter boost ideal mengubah 15 V menjadi 25 V untuk beban 12 Ω pada 25 kHz. Cari induktansi terkecil Lcrit untuk konduksi kontinu.
Vin = 15 VVo = 25 Vf = 25 kHzR = 12 Ω
Lcrit = µH
11.Jembatan Wheatstone & strain gaugeSedang
Cari resistansi Thévenin Rth dari jembatan yang ditunjukkan, dilihat dari terminal keluaran a dan b.
Vs = 15 VR1 = 20 ΩR2 = 120 ΩR3 = 800 ΩR4 = 800 Ω
Rth = Ω
12.Jembatan Wheatstone & strain gaugeSulit
Sebuah strain gauge 350 Ω dengan faktor pengukur 2 direkatkan pada batang baja. Di bawah beban resistansinya naik sebesar 0,84 Ω. Cari regangan ε dalam mikroregangan (µε).
Pakai peta Karnaugh untuk mencari bentuk jumlah dari hasil kali (SOP) minimal dari F(A, B, C, D) = Σm(0, 5, 10, 13, 15). Berapa suku hasil kali N yang dimilikinya?
Flip-flop T yang dipicu tepi positif dimulai dengan Q = 0 dan menerima masukan yang ditunjukkan pada 6 tepi naik clock. Berapa kali N Q berubah keadaan?
Q₀ = 0T
N =
3Larutan
1.Dioda & transistor
Jawaban: R = 720 Ω
Rangkaian LED dan dioda: LED bias maju menjatuhkan tegangan sekitar tegangan majunya VF (sekitar 2 V untuk merah, 3 V untuk biru atau putih), berapa pun arusnya. Resistor seri menentukan arus: R = (Vs − n·VF)/I untuk n LED seri. Dengan model dioda yang lebih eksak V = V₀ + I·rd, titik kerja berada di tempat garis dioda berpotongan dengan garis beban I = (Vs − V)/R, sehingga I = (Vs − V₀)/(R + rd).
Tegangan pada resistor
VR = 24 − 2·3 = 18 V
Hambatan
R = 18/0,025 = 720 Ω
Jawaban
R = 720 Ω
Resistor menyerap daya 450 mW.
2.Dioda & transistor
Jawaban: RB = 18,07 kΩ
BJT sebagai sakelar: untuk menyalakan beban sepenuhnya, transistor dikemudikan ke saturasi, dengan VCE = VCE(sat) dan arus kolektor ditentukan oleh beban: IC(sat) = (VCC − VCE(sat))/RC. Saturasi memerlukan paling sedikit IB = IC(sat)/β. Jika arus basis lebih kecil, transistor tetap aktif dan IC = β·IB.
Arus kolektor saat saturasi
IC(sat) = (24 − 0,2)/1000 = 23,8 mA
Arus basis minimum
IB(min) = IC(sat)/β = 23,8/100 = 238 µA
Resistor basis
RB = (5 − 0,7)/IB = 4,3 V/0,238 mA = 18,07 kΩ
Jawaban
RB = 18,07 kΩ
Resistor basis yang lebih kecil juga menyaturasi transistor; dalam praktik Anda memilih yang beberapa kali lebih kecil.
3.Rangkaian op-amp
Jawaban: Vin,max = 1,182 V
Aturan op-amp ideal: dengan umpan balik negatif, op-amp mengatur keluarannya sehingga kedua masukan berada pada tegangan yang sama (V₋ = V₊), dan tidak ada arus yang masuk ke masukan mana pun. Menulis KCL di masukan pembalik dengan dua fakta ini memberi keluarannya.
Penguatan
Av = 1 + Rf/R1 = 1 + 47/4,7 = 11
Masukan terbesar sebelum terpotong
Vin,max = Vsat/|Av| = 13/11 = 1,182 V
Jawaban
Vin,max = 1,182 V
4.Rangkaian op-amp
Jawaban: t = 9,778 ms
Aturan op-amp ideal: dengan umpan balik negatif, op-amp mengatur keluarannya sehingga kedua masukan berada pada tegangan yang sama (V₋ = V₊), dan tidak ada arus yang masuk ke masukan mana pun. Menulis KCL di masukan pembalik dengan dua fakta ini memberi keluarannya.
Arus masukan dan laju kenaikan
kΩ dikali µF menghasilkan milidetik.
RC = 1 kΩ · 2,2 µF = 2,2 ms
laju kenaikan = −Vin/(RC) = −2,7/2,2 = −1,227 V/ms
Waktu sampai jenuh
|Vin|·t/(RC) = Vsat → t = Vsat·RC/|Vin| = 12·2,2/2,7 = 9,778 ms
Jawaban
t = 9,778 ms
5.Transien RC & RL
Jawaban: t = 6,1 ms
Transien orde satu: pada rangkaian dengan satu kapasitor atau satu induktor, setiap tegangan dan arus berubah secara eksponensial dari nilai awal ke nilai akhir: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, dengan τ = RC atau τ = L/R. Setelah sekitar 5τ rangkaian sudah stabil.
Konstanta waktu
τ = L/R = 220 mH / 50 Ω = 4,4 ms
Selesaikan untuk waktu
0,5 = 2·e−t/τ → t = τ·ln(2/0,5)
t = 4,4·ln(4) = 6,1 ms
Jawaban
t = 6,1 ms
6.Transien RC & RL
Jawaban: t = 3,567 ms
Transien orde satu: pada rangkaian dengan satu kapasitor atau satu induktor, setiap tegangan dan arus berubah secara eksponensial dari nilai awal ke nilai akhir: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, dengan τ = RC atau τ = L/R. Setelah sekitar 5τ rangkaian sudah stabil.
Nilai awal, nilai akhir, konstanta waktu
Sebelum t = 0 kedua resistor berada dalam loop; sesudahnya sakelar yang tertutup memintas R₂.
i(0) = 6/(10 + 10) = 0,3 A
i(∞) = 6/10 = 0,6 A
τ = L/R = 100/10 = 10 ms
i(t) = 0,6 + (0,3 − 0,6)·e−t/τ
Selesaikan untuk waktu
e−t/τ = (0,39 − 0,6)/(0,3 − 0,6) = 0,7
t = 10·ln(1,429) = 3,567 ms
Jawaban
t = 3,567 ms
7.Resistor seri & paralel
Jawaban: Req = 16,12 Ω
Resistor seri dan paralel: dalam seri, arus yang sama mengalir di setiap resistor dan R = R₁ + R₂ + …. Dalam paralel, setiap resistor punya tegangan yang sama dan 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Jaringan tangga disederhanakan satu pasang demi satu pasang hingga tersisa satu resistansi ekuivalen.
Gabungkan resistor dari ujung terjauh
Mulai dari ujung yang paling jauh dari sumber dan bergerak kembali ke arahnya. Resistor yang dialiri arus sama terhubung seri; resistor di antara dua simpul yang sama terhubung paralel.
R3 + R4 = 20 + 6 = 26 Ω
R2 ∥ 26 = 8·26/(8+26) = 6,118 Ω
Req = R1 + 6,118 = 10 + 6,118 = 16,12 Ω
Jawaban
Req = 16,12 Ω
8.Resistor seri & paralel
Jawaban: IR2 = 1,271 A
Resistor seri dan paralel: dalam seri, arus yang sama mengalir di setiap resistor dan R = R₁ + R₂ + …. Dalam paralel, setiap resistor punya tegangan yang sama dan 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Jaringan tangga disederhanakan satu pasang demi satu pasang hingga tersisa satu resistansi ekuivalen.
Gabungkan resistor dari ujung terjauh
Mulai dari ujung yang paling jauh dari sumber dan bergerak kembali ke arahnya. Resistor yang dialiri arus sama terhubung seri; resistor di antara dua simpul yang sama terhubung paralel.
R5 + R6 = 20 + 25 = 45 Ω
R4 ∥ 45 = 1,915 Ω
R3 + 1,915 = 4,915 Ω
R2 ∥ 4,915 = 1,422 Ω
Req = R1 + 1,422 = 12 + 1,422 = 13,42 Ω
Arus dari sumber
Sumber hanya melihat Req, jadi hukum Ohm memberi arus yang dialirkannya. Arus itu mengalir melalui R₁.
IR1 = V1/Req = 24/13,42 = 1,788 A
Arus melalui R₂
Kurangi jatuh tegangan pada R₁ untuk mendapat tegangan di simpul A, yaitu tegangan pada R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 24 − 1,788·12 = 2,542 V
IR2 = VA/R2 = 2,542/2 = 1,271 A
Jawaban
IR2 = 1,271 A
9.Konverter DC-DC
Jawaban: ΔIL = 3,75 A
Konverter DC-DC: saklar S menyala selama fraksi D dari setiap periode T = 1/f. Pada keadaan tunak, tegangan rata-rata induktor adalah nol (keseimbangan volt-detik), yang memberikan rasio konversi ideal pada konduksi kontinu: buck Vo = D·Vin, boost Vo = Vin/(1 − D), buck-boost pembalik |Vo| = Vin·D/(1 − D). Konverter ideal menjaga daya: Vin·Iin = Vo·Io. Selama S menyala, arus induktor naik sebesar ΔIL = VL·D·T/L, dengan VL = Vin − Vo untuk buck dan Vin untuk boost dan buck-boost. Riak keluaran adalah ΔVo = ΔIL/(8fC) untuk buck dan Io·D/(fC) untuk boost dan buck-boost. Arus induktor tepat menyentuh nol (batas CCM) ketika arus induktor rata-rata sama dengan ΔIL/2.
Siklus kerja
D = 45/(15 + 45) = 0,75
Tegangan induktor selama waktu nyala
Selama S menyala, induktor berada langsung di antara kedua ujung Vin.
VL = 15 V
Arus riak
ΔIL = VL·D/(L·f) = 15·0,75/(150·10⁻⁶·20·10³) = 3,75 A
Jawaban
ΔIL = 3,75 A
10.Konverter DC-DC
Jawaban: Lcrit = 34,56 µH
Konverter DC-DC: saklar S menyala selama fraksi D dari setiap periode T = 1/f. Pada keadaan tunak, tegangan rata-rata induktor adalah nol (keseimbangan volt-detik), yang memberikan rasio konversi ideal pada konduksi kontinu: buck Vo = D·Vin, boost Vo = Vin/(1 − D), buck-boost pembalik |Vo| = Vin·D/(1 − D). Konverter ideal menjaga daya: Vin·Iin = Vo·Io. Selama S menyala, arus induktor naik sebesar ΔIL = VL·D·T/L, dengan VL = Vin − Vo untuk buck dan Vin untuk boost dan buck-boost. Riak keluaran adalah ΔVo = ΔIL/(8fC) untuk buck dan Io·D/(fC) untuk boost dan buck-boost. Arus induktor tepat menyentuh nol (batas CCM) ketika arus induktor rata-rata sama dengan ΔIL/2.
Siklus kerja
D = 1 − 15/25 = 0,4
Syarat batas
Samakan arus induktor rata-rata dengan setengah arus riak lalu selesaikan untuk L.
Lcrit = D(1 − D)²·R/(2f)
Induktansi kritis
Lcrit = 0,4(1 − 0,4)²·12/(225·10³) = 34,56 µH
Jawaban
Lcrit = 34,56 µH
11.Jembatan Wheatstone & strain gauge
Jawaban: Rth = 417,1 Ω
Jembatan Wheatstone: dua pembagi tegangan berbagi satu catu Vs. Pembagi kiri R1–R2 memberikan Va = Vs·R2/(R1 + R2) dan pembagi kanan R3–R4 memberikan Vb = Vs·R4/(R3 + R4); keluarannya adalah Vab = Va − Vb. Jembatan seimbang (Vab = 0, tidak ada arus di alat ukur) bila R1/R2 = R3/R4, yaitu R1·R4 = R2·R3. Dilihat dari keluarannya, jembatan adalah sumber Thévenin dengan Rth = R1∥R2 + R3∥R4.
Catu dihubung singkat
R₁∥R₂ = 20·120/140 = 17,14 Ω
R₃∥R₄ = 800·800/1600 = 400 Ω
Resistansi Thévenin
Rth = 417,1 Ω
Jawaban
Rth = 417,1 Ω
12.Jembatan Wheatstone & strain gauge
Jawaban: ε = 1200 µε
Pengukur regangan (strain gauge): sebuah pengukur mengubah resistansinya menurut regangan: ΔR/R = GF·ε, dengan faktor pengukur GF sekitar 2 untuk foil logam. Pada jembatan dengan semua lengan sama dengan R, satu pengukur aktif (jembatan seperempat) memberikan Vo ≈ Vs·GF·ε/4. Dua pengukur aktif dengan regangan berlawanan pada lengan yang berdekatan (setengah jembatan) memberikan Vs·GF·ε/2, dan empat (jembatan penuh) memberikan Vs·GF·ε. Tegangan mekanik mengikuti hukum Hooke, σ = E·ε. Sel beban menyatakan sensitivitasnya dalam mV/V: keluaran pada beban penuh per volt eksitasi.
Perubahan resistansi relatif
ΔR/R = 0,84/350 = 0,0024
Regangan
ε = 0,0024/2 = 0,0012 = 1200 µε
Jawaban
ε = 1200 µε
13.Logika digital: gerbang, peta-K & flip-flop
Jawaban: N = 4
Peta Karnaugh: sel-sel diurutkan dalam kode Gray (00, 01, 11, 10), sehingga sel bertetangga, termasuk yang melewati tepi, berbeda tepat pada satu variabel. Kelompokkan angka 1 dalam persegi panjang berisi 1, 2, 4, 8, atau 16 sel, sebesar mungkin dan sesedikit mungkin, sampai setiap angka 1 tercakup. Setiap kelompok adalah satu suku hasil kali: variabel yang tetap konstan di dalamnya. Kelompok 2ᵏ sel kehilangan k variabel. Don’t-care (X) boleh dipakai untuk memperbesar kelompok tetapi tidak harus dicakup. Mengelompokkan angka 0 sebagai gantinya menghasilkan bentuk POS minimal.
Kelompokkan angka 1
Setiap kelompok adalah persegi panjang berisi 2ᵏ sel; sel di tepi bertetangga dengan sel di tepi seberangnya.
BC′D
ABD
A′B′C′D′
AB′CD′
Bentuk SOP minimal
F = BC′D + ABD + A′B′C′D′ + AB′CD′
N = 4
Jawaban
N = 4
14.Logika digital: gerbang, peta-K & flip-flop
Jawaban: N = 2
Flip-flop dan pencacah: flip-flop hanya berubah pada tepi clock aktif. D menyalin masukannya (Q⁺ = D); T berbalik jika T = 1; JK bertahan untuk 00, reset untuk 01, set untuk 10, dan berbalik untuk 11. Pencacah biner n bit memiliki 2ⁿ keadaan dan menghitung modulo 2ⁿ; pencacah mod-N berurutan 0, 1, …, N − 1 lalu kembali ke 0, dan memerlukan flip-flop sebanyak n terkecil dengan 2ⁿ ≥ N. Setiap tahap pencacah ripple membagi dua frekuensi, sehingga keluaran terakhir pencacah mod-N berjalan pada fclk/N. Pencacah Johnson dari n flip-flop memiliki 2n keadaan, pencacah cincin n.
Q setelah setiap tepi
Flip-flop T berbalik pada setiap tepi naik dengan T = 1 dan bertahan dengan T = 0.