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 = 80 dibias dengan pembagi tegangan dari VCC = 12 V: R₁ = 33 kΩ dari VCC ke basis dan R₂ = 15 kΩ dari basis ke ground. Resistor kolektornya RC = 2,7 kΩ dan resistor emitornya RE = 2,2 kΩ. Ambil VBE = 0,7 V dan gunakan ekivalen Thévenin dari pembagi tegangan (jangan abaikan arus basis). Cari arus kolektor IC dalam mA.
Sebuah transistor NPN dengan β = 100 mengalihkan resistor beban 150 Ω 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. Agar pengalihan andal, rancang arus basis 5 kali arus minimum yang diperlukan untuk saturasi. Cari RB dalam kΩ.
Op-amp ideal dan dicatu ±15 V. Cari tegangan keluaran Vout.
Vin = 0,5 VR1 = 2 kΩRf = 22 kΩ
Vout = V
4.Rangkaian op-ampSulit
Dua tingkat op-amp ideal dihubungkan secara kaskade: penguat membalik (R1, Rf1) diikuti penguat tak membalik (R2 ke ground, Rf2 di umpan balik). Keduanya dicatu ±15 V. Cari penguatan tegangan total Av = Vout/Vin.
R1 = 22 kΩRf1 = 22 kΩR2 = 1 kΩRf2 = 1 kΩ
Av =
5.Transien RC & RLSedang
Sumber Vₛ mengisi kapasitor melalui R₁, dan R₂ terhubung paralel dengan C. Kapasitor belum bermuatan saat sakelar ditutup pada t = 0. Cari tegangan kapasitor vC pada t = 25 ms.
Vs = 10 VR1 = 10 kΩR2 = 1 kΩC = 22 µFt = 25 ms
vC = V
6.Transien RC & RLSulit
Sebuah pewaktu mulai mengisi kapasitor yang tidak bermuatan melalui resistor dari catu 9 V pada t = 0. Pewaktu harus terpicu ketika tegangan kapasitor mencapai 8,1 V, tepat 200 ms setelah mulai. Dengan C = 47 µF, cari resistansi R yang diperlukan.
Vs = 9 VVth = 8,1 VT = 200 msC = 47 µF
R = kΩ
7.Resistor seri & paralelSedang
Cari resistansi ekuivalen Req yang dilihat sumber V1.
V1 = 9 VR1 = 6 ΩR2 = 6 ΩR3 = 15 ΩR4 = 2 Ω
Req = Ω
8.Resistor seri & paralelSulit
Cari resistansi ekuivalen Req yang dilihat sumber V1.
Konverter boost ideal mengubah 12 V menjadi 48 V untuk beban 2 Ω pada 250 kHz. Cari induktansi terkecil Lcrit untuk konduksi kontinu.
Vin = 12 VVo = 48 Vf = 250 kHzR = 2 Ω
Lcrit = µH
11.Jembatan Wheatstone & strain gaugeSedang
Cari resistansi Thévenin Rth dari jembatan yang ditunjukkan, dilihat dari terminal keluaran a dan b.
Vs = 9 VR1 = 800 ΩR2 = 300 ΩR3 = 40 ΩR4 = 800 Ω
Rth = Ω
12.Jembatan Wheatstone & strain gaugeSulit
Sebuah jembatan seperempat dengan satu gauge aktif (GF = 2,12) dieksitasi dengan 10 V. Di bawah beban keluarannya menunjukkan 6,36 mV. Cari regangan ε dalam µε.
Sebuah multiplekser 4-ke-1 memiliki masukan pemilih S₁ = A dan S₀ = B, dan masukan datanya dihubungkan ke I₀ = C, I₁ = C′, I₂ = C, I₃ = 1. Pada berapa dari 8 kombinasi A, B, dan C keluaran F = 1? Carilah N.
Carilah bentuk SOP minimal dari F(A, B, C, D) = Σm(0, 1, 3, 6, 8, 9, 13, 15) + d(2, 11), dengan d menandai kondisi don’t-care. Berapa literal L yang dimilikinya?
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.
Ekivalen Thévenin dari pembagi tegangan
VTH = 12·15/(33 + 15) = 3,75 V
RTH = 33·15/(33 + 15) = 10,31 kΩ
Arus basis
KVL di sekeliling loop basis; arus emitor adalah (β + 1)·IB.
IB = (3,75 − 0,7)/(10,31 + 81·2,2) = 16,18 µA
Arus kolektor
IC = 80·16,18 µA = 1,294 mA
IE = 81·16,18 µA = 1,311 mA
Jawaban
IC = 1,294 mA
2.Dioda & transistor
Jawaban: RB = 0,542 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)/150 = 158,7 mA
Arus basis minimum
IB(min) = IC(sat)/β = 158,7/100 = 1587 µA
Arus basis rancangan
IB = 5·1587 µA = 7933 µA
Resistor basis
RB = (5 − 0,7)/IB = 4,3 V/7,933 mA = 0,542 kΩ
Jawaban
RB = 0,542 kΩ
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.
Masukan pembalik mengikuti masukan
V₋ = V₊ = 0,5 V
I = V₋/R1 = 0,5/2 = 0,25 mA
Tegangan keluaran
Arus melalui R₁ juga mengalir melalui Rf.
Vout = V₋ + I·Rf = 0,5 + 0,25·22 = 6 V
Jawaban
Vout = 6 V
4.Rangkaian op-amp
Jawaban: Av = −2
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 tiap tingkat
A1 = −Rf1/R1 = −22/22 = −1
A2 = 1 + Rf2/R2 = 1 + 1/1 = 2
Penguatan total
Av = A1·A2 = −1·2 = −2
Jawaban
Av = −2
5.Transien RC & RL
Jawaban: vC = 0,6486 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.
Ekuivalen Thévenin yang dilihat kapasitor
Hubung singkatkan sumber untuk mencari Rth; buka kapasitor untuk mencari tegangan akhirnya.
Rth = R1 ∥ R2 = 10·1/(10 + 1) = 0,9091 kΩ
vC(∞) = 10·1/(10 + 1) = 0,9091 V
Konstanta waktu
τ = Rth·C = 0,9091·22 = 20 ms
Kurva pengisian
vC(t) = 0,9091·(1 − e−25/20) = 0,6486 V
Jawaban
vC = 0,6486 V
6.Transien RC & RL
Jawaban: R = 1,848 kΩ
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 yang diperlukan
8,1 = 9·(1 − e−200/τ) → τ = 200/ln(9/(9 − 8,1))
τ = 200/2,303 = 86,86 ms
Hambatan
kΩ dikali µF menghasilkan milidetik.
R = τ/C = 86,86/47 = 1,848 kΩ
Jawaban
R = 1,848 kΩ
7.Resistor seri & paralel
Jawaban: Req = 10,43 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 = 15 + 2 = 17 Ω
R2 ∥ 17 = 6·17/(6+17) = 4,435 Ω
Req = R1 + 4,435 = 6 + 4,435 = 10,43 Ω
Jawaban
Req = 10,43 Ω
8.Resistor seri & paralel
Jawaban: Req = 9,467 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.
R5 + R6 = 8 + 2 = 10 Ω
R4 ∥ 10 = 6 Ω
R3 + 6 = 26 Ω
R2 ∥ 26 = 3,467 Ω
Req = R1 + 3,467 = 6 + 3,467 = 9,467 Ω
Jawaban
Req = 9,467 Ω
9.Konverter DC-DC
Jawaban: Imax = 4,189 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 = 14,4/36 = 0,4
Arus rata-rata dan arus riak
Io = 14,4/5 = 2,88 A
ΔIL = VL·D/(L·f) = 21,6·0,4/(33·10⁻⁶·100·10³) = 2,618 A
Arus puncak
Imax = 2,88 + 2,618/2 = 4,189 A
Jawaban
Imax = 4,189 A
10.Konverter DC-DC
Jawaban: Lcrit = 0,1875 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 − 12/48 = 0,75
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 = 0,75(1 − 0,75)²·2/(2250·10³) = 0,1875 µH
Jawaban
Lcrit = 0,1875 µH
11.Jembatan Wheatstone & strain gauge
Jawaban: Rth = 256,3 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 = 800·300/1100 = 218,2 Ω
R₃∥R₄ = 40·800/840 = 38,1 Ω
Resistansi Thévenin
Rth = 256,3 Ω
Jawaban
Rth = 256,3 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.
Selesaikan persamaan jembatan seperempat
ε = 4·0,00636/(10·2,12) = 0,0012
Dalam mikroregangan
ε = 1200 µε
Jawaban
ε = 1200 µε
13.Logika digital: gerbang, peta-K & flip-flop
Jawaban: N = 5
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′ + AB′C + AB
Baris dengan F = 1
ABC = 001, 010, 101, 110, 111
N = 5
Jawaban
N = 5
14.Logika digital: gerbang, peta-K & flip-flop
Jawaban: L = 9
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.
Implikan prima
Kelompok terbesar yang dapat dibentuk dari angka 1 dan X.
B′D, B′C′, AD, A′CD′, A′B′
Cakupan minimal
F = B′D + B′C′ + AD + A′CD′
L = 9
Jawaban
L = 9
Ada pengelompokan lain dengan ukuran sama; banyaknya suku dan literalnya sama.