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
4 LED putih (tegangan maju 3 V masing-masing) dihubungkan seri dengan resistor ke catu 24 V. Cari resistansi R yang menetapkan arus sebesar 15 mA.
Vs = 24 VVF = 3 Vn = 4I = 15 mA
R = Ω
2.Dioda & transistorSulit
Sebuah transistor NPN dengan β = 80 mengalihkan resistor beban 680 Ω yang terhubung antara VCC = 9 V dan kolektornya. Emitornya dihubungkan ke ground. Basis dikemudikan dari keluaran logika 5 V melalui resistor basis RB = 2,2 kΩ. Ambil VBE = 0,7 V dan VCE(sat) = 0,2 V. Cari arus kolektor IC dalam mA saat masukan tinggi. Tentukan dulu apakah transistor saturasi.
Op-amp ideal dan dicatu ±15 V. Cari tegangan keluaran Vout.
Vin = −1 VRa = 1 kΩRb = 1 kΩR1 = 2 kΩRf = 4,7 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 = 1 kΩRf1 = 1 kΩR2 = 100 kΩRf2 = 22 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 konstanta waktu τ rangkaian setelah sakelar menutup.
Vs = 24 VR1 = 10 kΩR2 = 6,8 kΩC = 10 µF
τ = ms
6.Transien RC & RLSulit
Tepat sebelum sakelar ditutup pada t = 0, kapasitor bertegangan 30 V dengan polaritas yang ditunjukkan. Cari tegangan kapasitor vC pada t = 1000 ms.
Vs = 20 VR = 10 kΩC = 220 µFvC(0) = 30 Vt = 1000 ms
vC = V
7.Resistor seri & paralelSedang
Cari arus IR2 melalui R2.
V1 = 10 VR1 = 4 ΩR2 = 4 ΩR3 = 15 ΩR4 = 12 Ω
IR2 = A
8.Resistor seri & paralelSulit
Cari arus IR1 yang dialirkan sumber, yang mengalir melalui R1.
Konverter boost ideal mengubah 12 V menjadi 20 V pada 20 kHz dengan L = 220 µH. Cari arus riak induktor puncak ke puncak ΔIL.
Vin = 12 VVo = 20 Vf = 20 kHzL = 220 µH
ΔIL = A
10.Konverter DC-DCSulit
Konverter boost ideal mengubah 36 V menjadi 60 V untuk beban 20 Ω pada 40 kHz. Kapasitor keluarannya 10 µF. Cari riak tegangan keluaran puncak ke puncak ΔVo dalam mV.
Vin = 36 VVo = 60 Vf = 40 kHzC = 10 µFR = 20 Ω
ΔVo = mV
11.Jembatan Wheatstone & strain gaugeSedang
Sebuah jembatan memiliki empat lengan 330 Ω dan Vs = 6 V. Sensor R₂ naik sebesar ΔR = 16,5 Ω. Cari keluaran eksak Vab dalam mV.
Vs = 6 VR = 330 ΩΔR = 16,5 Ω
Vab = mV
12.Jembatan Wheatstone & strain gaugeSulit
Sebuah jembatan dengan lengan 350 Ω dieksitasi dengan 3 V dan memiliki satu gauge aktif (jembatan seperempat). Faktor pengukurnya 2,12 dan regangannya 1200 µε. Cari keluaran jembatan Vo dalam mV.
Pakai peta Karnaugh untuk mencari bentuk jumlah dari hasil kali (SOP) minimal dari F(A, B, C) = Σm(1, 2, 4, 6, 7). Berapa literal L yang dimilikinya secara total (variabel beraksen dihitung satu literal)?
Carilah bentuk SOP minimal dari F(A, B, C, D) = Σm(0, 4, 5, 7, 10, 11, 12, 13) + d(1, 8), dengan d menandai kondisi don’t-care. Berapa literal L yang dimilikinya?
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 − 4·3 = 12 V
Hambatan
R = 12/0,015 = 800 Ω
Jawaban
R = 800 Ω
Resistor menyerap daya 180 mW.
2.Dioda & transistor
Jawaban: IC = 12,94 mA
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 basis
IB = (5 − 0,7)/2,2 kΩ = 1955 µA
Saturasi atau aktif?
β·IB lebih besar daripada IC(sat), sehingga transistor saturasi.
β·IB = 156,4 mA
IC(sat) = (9 − 0,2)/680 = 12,94 mA
Arus kolektor
IC = IC(sat) = 12,94 mA
Jawaban
IC = 12,94 mA
Transistor saturasi.
3.Rangkaian op-amp
Jawaban: Vout = −1,675 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) = −1·1/(1 + 1) = −0,5 V
Penguatan tak membalik
V₋ = V₊, dan arus melalui R₁ juga mengalir melalui Rf.
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 = −1/1 = −1
A2 = 1 + Rf2/R2 = 1 + 22/100 = 1,22
Penguatan total
Av = A1·A2 = −1·1,22 = −1,22
Jawaban
Av = −1,22
5.Transien RC & RL
Jawaban: τ = 40,48 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.
Ekuivalen Thévenin yang dilihat kapasitor
Hubung singkatkan sumber untuk mencari Rth; buka kapasitor untuk mencari tegangan akhirnya.
Rth = R1 ∥ R2 = 10·6,8/(10 + 6,8) = 4,048 kΩ
vC(∞) = 24·6,8/(10 + 6,8) = 9,714 V
Konstanta waktu
τ = Rth·C = 4,048·10 = 40,48 ms
Jawaban
τ = 40,48 ms
6.Transien RC & RL
Jawaban: vC = 26,35 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) = 30 V, vC(∞) = Vs = 20 V
τ = R·C = 10 kΩ · 220 µF = 2200 ms
vC(t) = 20 + (30 − 20)·e−t/τ
Tegangan pada waktu tertentu
vC(1000) = 20 + (10)·e−1000/2200 = 26,35 V
Jawaban
vC = 26,35 V
7.Resistor seri & paralel
Jawaban: IR2 = 1,164 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 + 12 = 27 Ω
R2 ∥ 27 = 4·27/(4+27) = 3,484 Ω
Req = R1 + 3,484 = 4 + 3,484 = 7,484 Ω
Arus dari sumber
Sumber hanya melihat Req, jadi hukum Ohm memberi arus yang dialirkannya. Arus itu mengalir melalui R₁.
IR1 = V1/Req = 10/7,484 = 1,336 A
Arus melalui R₂
Kurangi jatuh tegangan pada R₁ untuk mendapat tegangan di simpul A, yaitu tegangan pada R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 10 − 1,336·4 = 4,655 V
IR2 = VA/R2 = 4,655/4 = 1,164 A
Jawaban
IR2 = 1,164 A
8.Resistor seri & paralel
Jawaban: IR1 = 1,543 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 + 4 = 24 Ω
R4 ∥ 24 = 1,846 Ω
R3 + 1,846 = 26,85 Ω
R2 ∥ 26,85 = 3,481 Ω
Req = R1 + 3,481 = 3 + 3,481 = 6,481 Ω
Arus dari sumber
Sumber hanya melihat Req, jadi hukum Ohm memberi arus yang dialirkannya. Arus itu mengalir melalui R₁.
IR1 = V1/Req = 10/6,481 = 1,543 A
Jawaban
IR1 = 1,543 A
9.Konverter DC-DC
Jawaban: ΔIL = 1,091 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 − 12/20 = 0,4
Tegangan induktor selama waktu nyala
Selama S menyala, induktor berada langsung di antara kedua ujung Vin.
VL = 12 V
Arus riak
ΔIL = VL·D/(L·f) = 12·0,4/(220·10⁻⁶·20·10³) = 1,091 A
Jawaban
ΔIL = 1,091 A
10.Konverter DC-DC
Jawaban: ΔVo = 3000 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 = 1 − 36/60 = 0,4
Arus beban
Io = 60/20 = 3 A
Riak keluaran
ΔVo = 3·0,4/(40·10³·10·10⁻⁶) = 3000 mV
Jawaban
ΔVo = 3000 mV
11.Jembatan Wheatstone & strain gauge
Jawaban: Vab = 73,17 mV
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 simpul
Va = 6·346,5/676,5 = 3,073 V
Vb = 3 V
Haluaran
Vab = 73,17 mV
Jawaban
Vab = 73,17 mV
Perkiraan linear Vs·ΔR/(4R) = 75 mV terlalu tinggi 2,5 %: jembatan seperempat tidak sepenuhnya linear.
12.Jembatan Wheatstone & strain gauge
Jawaban: Vo = 1,908 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 = 2,12·1200·10⁻⁶ = 0,002544
Keluaran jembatan
Vo ≈ Vs·GF·ε/4 = 3·0,002544/4 = 1,908 mV
Jawaban
Vo = 1,908 mV
13.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.
Kelompokkan angka 1
Setiap kelompok adalah persegi panjang berisi 2ᵏ sel; sel di tepi bertetangga dengan sel di tepi seberangnya.
BC′
AC′
AB
A′B′C
Bentuk SOP minimal
F = BC′ + AC′ + AB + A′B′C
L = 9
Jawaban
L = 9
14.Logika digital: gerbang, peta-K & flip-flop
Jawaban: L = 10
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.
C′D′, BC′, A′C′, A′BD, AB′D′, AB′C
Cakupan minimal
F = C′D′ + BC′ + A′BD + AB′C
L = 10
Jawaban
L = 10
Ada pengelompokan lain dengan ukuran sama; banyaknya suku dan literalnya sama.