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
Sebuah transistor NPN dengan β = 150 dibias oleh resistor basis RB = 330 kΩ dari sumber VCC = 9 V. Resistor kolektornya RC = 470 Ω dan emitornya dihubungkan ke ground. Ambil VBE = 0,7 V dan asumsikan transistor berada di daerah aktif. Cari arus kolektor IC dalam mA.
VCC = 9 VRB = 330 kΩRC = 470 Ωβ = 150VBE = 0,7 V
IC = mA
2.Dioda & transistorSulit
Sebuah dioda dimodelkan sebagai 0,65 V yang diseri dengan 10 Ω (ia menghantar di atas 0,65 V). Dioda itu diseri dengan resistor 470 Ω melintasi catu 6 V. Cari arus kerja ID di tempat garis dioda bertemu garis beban.
Vs = 6 VR = 470 ΩV0 = 0,65 Vrd = 10 Ω
ID = mA
3.Rangkaian op-ampSedang
Op-amp ideal dan dicatu ±15 V. Cari tegangan keluaran Vout.
Vin = 4 VRa = 1 kΩRb = 1 kΩR1 = 1 kΩRf = 2 kΩ
Vout = V
4.Rangkaian op-ampSulit
Integrator memakai op-amp ideal dengan catu ±15 V; keluarannya jenuh pada ±13 V. Kapasitor tidak bermuatan ketika masukan konstan Vin = −1,3 V diberikan pada t = 0. Cari tegangan keluaran Vout pada t = 10 ms.
Induktor mengalirkan arus tunak 1 A. Pada t = 0 sakelar menutup loop melalui R dan sumber dilepas, jadi arus induktor meluruh melalui R. Cari arus i pada t = 5 ms.
i(0) = 1 AR = 50 ΩL = 220 mHt = 5 ms
i = A
6.Transien RC & RLSulit
Tepat sebelum sakelar ditutup pada t = 0, kapasitor bertegangan 12 V dengan polaritas yang ditunjukkan. Cari tegangan kapasitor vC pada t = 500 ms.
Vs = 9 VR = 6,8 kΩC = 100 µFvC(0) = 12 Vt = 500 ms
vC = V
7.Resistor seri & paralelSedang
Cari arus IR2 melalui R2.
V1 = 6 VR1 = 20 ΩR2 = 5 ΩR3 = 15 ΩR4 = 20 Ω
IR2 = A
8.Resistor seri & paralelSulit
Cari arus IR1 yang dialirkan sumber, yang mengalir melalui R1.
Konverter boost ideal mengubah 9 V menjadi 30 V untuk beban 2,5 Ω. Cari arus induktor rata-rata IL.
Vin = 9 VVo = 30 VR = 2,5 Ω
IL = A
10.Konverter DC-DCSulit
Konverter buck-boost ideal mengubah 24 V menjadi −36 V untuk beban 8 Ω pada 40 kHz. Kapasitor keluarannya 220 µF. Cari riak tegangan keluaran puncak ke puncak ΔVo dalam mV.
Vin = 24 VVo = −36 Vf = 40 kHzC = 220 µFR = 8 Ω
ΔVo = mV
11.Jembatan Wheatstone & strain gaugeSedang
Sebuah galvanometer dengan resistansi 100 Ω dihubungkan antara a dan b pada jembatan yang ditunjukkan (Vs = 9 V). Cari arus galvanometer Ig dari a ke b, dalam µA.
Sebuah jembatan dengan lengan 120 Ω dieksitasi dengan 2,5 V dan memiliki empat gauge aktif, dua dalam tarik dan dua dalam tekan (jembatan penuh). Faktor pengukurnya 2,05 dan regangannya 1500 µε. Cari keluaran jembatan Vo dalam mV.
Sebuah multiplekser 4-ke-1 memiliki masukan pemilih S₁ = A dan S₀ = B, dan masukan datanya dihubungkan ke I₀ = C, I₁ = C, I₂ = 0, I₃ = C′. Pada berapa dari 8 kombinasi A, B, dan C keluaran F = 1? Carilah N.
Sebuah pencacah naik biner 4 bit dimulai dari 11 (desimal, Q = 1011). Berapa hitungan Q (dalam desimal) yang ditunjukkannya setelah 51 pulsa clock?
Q0 = 1151n = 4
Q =
3Larutan
1.Dioda & transistor
Jawaban: IC = 3,773 mA
Titik kerja BJT: di daerah aktif VBE = 0,7 V, IC = β·IB dan IE = (β + 1)·IB. Cari IB dari loop basis dengan KVL, lalu IC, lalu VCE dari loop kolektor–emitor. Pembagi tegangan di basis diganti dengan ekivalen Théveninnya VTH = VCC·R₂/(R₁ + R₂), RTH = R₁∥R₂; resistor emitor tampak (β + 1) kali lebih besar di loop basis.
Arus basis
IB = (VCC − VBE)/RB = (9 − 0,7)/330 kΩ = 25,15 µA
Arus kolektor
IC = β·IB = 150·25,15 µA = 3,773 mA
Jawaban
IC = 3,773 mA
Periksa: VCE = 7,227 V jauh di atas 0,2 V, sehingga transistor memang aktif.
2.Dioda & transistor
Jawaban: ID = 11,15 mA
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).
Gabungkan kedua persamaan
6 = 0,65 + I·(470 + 10)
Arus kerja
ID = 5,35/480 = 11,15 mA
VD = 0,65 + 0,01115·10 = 0,7615 V
Jawaban
ID = 11,15 mA
3.Rangkaian op-amp
Jawaban: Vout = 6 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.
Tegangan di masukan +
V₊ = Vin·Rb/(Ra + Rb) = 4·1/(1 + 1) = 2 V
Penguatan tak membalik
V₋ = V₊, dan arus melalui R₁ juga mengalir melalui Rf.
Vout = V₊·(1 + Rf/R1) = 2·(1 + 2/1) = 6 V
Jawaban
Vout = 6 V
4.Rangkaian op-amp
Jawaban: Vout = 5,885 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.
Arus masukan dan laju kenaikan
kΩ dikali µF menghasilkan milidetik.
RC = 4,7 kΩ · 0,47 µF = 2,209 ms
laju kenaikan = −Vin/(RC) = −(−1,3)/2,209 = 0,5885 V/ms
Keluaran pada waktu yang diberikan
Nilai ideal berada di dalam ±Vsat, jadi integrator belum terpotong.
Vout = −Vin·t/(RC) = −(−1,3)·10/2,209 = 5,885 V
Jawaban
Vout = 5,885 V
5.Transien RC & RL
Jawaban: i = 0,321 A
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
Peluruhan arus
i(t) = 1·e−5/4,4 = 0,321 A
Jawaban
i = 0,321 A
6.Transien RC & RL
Jawaban: vC = 10,44 V
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
Tegangan kapasitor tidak dapat melompat, jadi dimulai dari nilai tersimpannya dan menuju tegangan sumber.
vC(0) = 12 V, vC(∞) = Vs = 9 V
τ = R·C = 6,8 kΩ · 100 µF = 680 ms
vC(t) = 9 + (12 − 9)·e−t/τ
Tegangan pada waktu tertentu
vC(500) = 9 + (3)·e−500/680 = 10,44 V
Jawaban
vC = 10,44 V
7.Resistor seri & paralel
Jawaban: IR2 = 0,2154 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.
R3 + R4 = 15 + 20 = 35 Ω
R2 ∥ 35 = 5·35/(5+35) = 4,375 Ω
Req = R1 + 4,375 = 20 + 4,375 = 24,38 Ω
Arus dari sumber
Sumber hanya melihat Req, jadi hukum Ohm memberi arus yang dialirkannya. Arus itu mengalir melalui R₁.
IR1 = V1/Req = 6/24,38 = 0,2462 A
Arus melalui R₂
Kurangi jatuh tegangan pada R₁ untuk mendapat tegangan di simpul A, yaitu tegangan pada R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 6 − 0,2462·20 = 1,077 V
IR2 = VA/R2 = 1,077/5 = 0,2154 A
Jawaban
IR2 = 0,2154 A
8.Resistor seri & paralel
Jawaban: IR1 = 1,529 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 = 30 + 6 = 36 Ω
R4 ∥ 36 = 1,895 Ω
R3 + 1,895 = 9,895 Ω
R2 ∥ 9,895 = 2,848 Ω
Req = R1 + 2,848 = 5 + 2,848 = 7,848 Ω
Arus dari sumber
Sumber hanya melihat Req, jadi hukum Ohm memberi arus yang dialirkannya. Arus itu mengalir melalui R₁.
IR1 = V1/Req = 12/7,848 = 1,529 A
Jawaban
IR1 = 1,529 A
9.Konverter DC-DC
Jawaban: IL = 40 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 = 1 − 9/30 = 0,7
Arus beban
Io = 30/2,5 = 12 A
Arus induktor
IL = Io/(1 − D) = 12/0,3 = 40 A
Jawaban
IL = 40 A
10.Konverter DC-DC
Jawaban: ΔVo = 306,8 mV
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 = 36/(24 + 36) = 0,6
Arus beban
Io = 36/8 = 4,5 A
Riak keluaran
ΔVo = 4,5·0,6/(40·10³·220·10⁻⁶) = 306,8 mV
Jawaban
ΔVo = 306,8 mV
11.Jembatan Wheatstone & strain gauge
Jawaban: Ig = 3169 µA
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.
Tegangan Thévenin
Vth = 9·(100/350 − 200/1200) = 1,071 V
Resistansi Thévenin
Rth = R₁∥R₂ + R₃∥R₄ = 238,1 Ω
Arus galvanometer
Ig = 1,071/(238,1 + 100) = 3169 µA
Jawaban
Ig = 3169 µA
12.Jembatan Wheatstone & strain gauge
Jawaban: Vo = 7,688 mV
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 = 2,05·1500·10⁻⁶ = 0,003075
Keluaran jembatan
Vo = Vs·GF·ε = 2,5·0,003075 = 7,688 mV
Jawaban
Vo = 7,688 mV
13.Logika digital: gerbang, peta-K & flip-flop
Jawaban: N = 3
Multiplekser: multiplekser 2ⁿ-ke-1 meneruskan salah satu masukan datanya ke keluaran; saluran pemilih, yang dibaca sebagai bilangan biner, menentukan yang mana. Untuk MUX 4-ke-1 dengan pemilih S₁S₀ = AB, F = A′B′·I₀ + A′B·I₁ + AB′·I₂ + AB·I₃. Menghubungkan masukan data ke 0, 1, C, atau C′ membuat MUX menghasilkan fungsi apa pun dari A, B, dan C, yang merupakan cara umum membangun logika dengan satu chip.
Ekspresi keluaran
F = A′B′C + A′BC + ABC′
Baris dengan F = 1
ABC = 001, 011, 110
N = 3
Jawaban
N = 3
14.Logika digital: gerbang, peta-K & flip-flop
Jawaban: Q = 14
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.
Siklus penuh
Setiap 16 pulsa mengembalikan pencacah ke keadaan yang sama.