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 = 120 dibias dengan pembagi tegangan dari VCC = 18 V: R₁ = 56 kΩ dari VCC ke basis dan R₂ = 6,8 kΩ dari basis ke ground. Resistor kolektornya RC = 1 kΩ dan resistor emitornya RE = 470 Ω. Ambil VBE = 0,7 V dan gunakan ekivalen Thévenin dari pembagi tegangan (jangan abaikan arus basis). Cari tegangan kolektor–emitor VCE.
Regulator Zener 9,1 V memiliki resistor seri 220 Ω. Masukan dapat naik hingga 19 V, dan beban mungkin terlepas. Cari daya terbesar PZ,max yang harus didisipasikan Zener.
Vin,max = 19 VVZ = 9,1 VR = 220 Ω
PZ,max = mW
3.Rangkaian op-ampSedang
Op-amp ideal dan dicatu ±15 V. Cari tegangan keluaran Vout.
Vin = 0,3 VR1 = 10 kΩRf = 22 kΩ
Vout = V
4.Rangkaian op-ampSulit
Penguat penjumlah memakai op-amp ideal yang dicatu ±15 V. Cari tegangan keluaran Vout.
Konverter boost ideal mengubah 9 V menjadi 36 V untuk beban 5 Ω. Cari arus induktor rata-rata IL.
Vin = 9 VVo = 36 VR = 5 Ω
IL = A
10.Konverter DC-DCSulit
Konverter buck mengubah 48 V menjadi 36 V untuk beban 10 Ω pada 40 kHz, dengan L = 68 µH dan C = 22 µF. Cari riak tegangan keluaran puncak ke puncak ΔVo dalam mV.
Vin = 48 VVo = 36 Vf = 40 kHzL = 68 µHC = 22 µF
ΔVo = mV
11.Jembatan Wheatstone & strain gaugeSedang
Sebuah jembatan memiliki empat lengan 1000 Ω dan Vs = 3 V. Sensor R₂ naik sebesar ΔR = 50 Ω. Cari keluaran eksak Vab dalam mV.
Vs = 3 VR = 1000 ΩΔR = 50 Ω
Vab = mV
12.Jembatan Wheatstone & strain gaugeSulit
Sebuah strain gauge 350 Ω dengan faktor pengukur 2,1 direkatkan pada batang baja. Di bawah beban resistansinya naik sebesar 0,5513 Ω. Cari regangan ε dalam mikroregangan (µε).
Pakai peta Karnaugh untuk mencari bentuk jumlah dari hasil kali (SOP) minimal dari F(A, B, C) = Σm(0, 3, 4). Berapa suku hasil kali N yang dimilikinya?
Flip-flop T yang dipicu tepi positif dimulai dengan Q = 0 dan menerima masukan yang ditunjukkan pada 8 tepi naik clock. Berapa kali N Q berubah keadaan?
Q₀ = 0T
N =
3Larutan
1.Dioda & transistor
Jawaban: VCE = 14,49 V
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 = 18·6,8/(56 + 6,8) = 1,949 V
RTH = 56·6,8/(56 + 6,8) = 6,064 kΩ
Arus basis
KVL di sekeliling loop basis; arus emitor adalah (β + 1)·IB.
IB = (1,949 − 0,7)/(6,064 + 121·0,47) = 19,85 µA
Arus kolektor
IC = 120·19,85 µA = 2,382 mA
IE = 121·19,85 µA = 2,401 mA
Tegangan kolektor–emitor
VCE = 18 − 2,382·1 − 2,401·0,47 = 14,49 V
Jawaban
VCE = 14,49 V
2.Dioda & transistor
Jawaban: PZ,max = 409,5 mW
Regulator Zener: dioda Zener bias mundur mempertahankan tegangannya VZ selama arusnya tetap di atas minimum IZ,min. Resistor seri R menanggung selisih antara masukan dan keluaran: IR = (Vin − VZ)/R. Arus itu terbagi antara beban, IL = VZ/RL, dan Zener: IZ = IR − IL. Rancang untuk kasus terburuk: masukan terendah dengan beban terbesar tetap harus menyisakan IZ,min, dan masukan tertinggi tanpa beban memberi daya Zener terbesar PZ = VZ·IZ.
Arus Zener kasus terburuk
IZ = 9,9/220 = 45 mA
Daya Zener
PZ = 9,1·45 = 409,5 mW
Jawaban
PZ,max = 409,5 mW
3.Rangkaian op-amp
Jawaban: Vout = 0,96 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₊ = 0,3 V
I = V₋/R1 = 0,3/10 = 0,03 mA
Tegangan keluaran
Arus melalui R₁ juga mengalir melalui Rf.
Vout = V₋ + I·Rf = 0,3 + 0,03·22 = 0,96 V
Jawaban
Vout = 0,96 V
4.Rangkaian op-amp
Jawaban: Vout = 0,23 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
V₋ = 0, jadi setiap resistor masukan menanggung seluruh tegangan masukannya.
I1 = V1/R1 = −0,2/1 = −0,2 mA
I2 = V2/R2 = −0,3/10 = −0,03 mA
If = I1 + I2 = −0,23 mA
Tegangan keluaran
Vout = −Rf·If = −1·(−0,23) = 0,23 V
Jawaban
Vout = 0,23 V
5.Transien RC & RL
Jawaban: i = 0,3295 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 dan arus akhir
Lama setelah sakelar ditutup, induktor berperilaku seperti hubung singkat, jadi arus akhir hanya ditentukan oleh R.
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) = 18 V, vC(∞) = Vs = 20 V
τ = R·C = 4,7 kΩ · 68 µF = 319,6 ms
vC(t) = 20 + (18 − 20)·e−t/τ
Tegangan pada waktu tertentu
vC(120) = 20 + (−2)·e−120/319,6 = 18,63 V
Jawaban
vC = 18,63 V
7.Resistor seri & paralel
Jawaban: IR2 = 0,1552 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 = 12 + 3 = 15 Ω
R2 ∥ 15 = 20·15/(20+15) = 8,571 Ω
Req = R1 + 8,571 = 8 + 8,571 = 16,57 Ω
Arus dari sumber
Sumber hanya melihat Req, jadi hukum Ohm memberi arus yang dialirkannya. Arus itu mengalir melalui R₁.
IR1 = V1/Req = 6/16,57 = 0,3621 A
Arus melalui R₂
Kurangi jatuh tegangan pada R₁ untuk mendapat tegangan di simpul A, yaitu tegangan pada R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 6 − 0,3621·8 = 3,103 V
IR2 = VA/R2 = 3,103/20 = 0,1552 A
Jawaban
IR2 = 0,1552 A
8.Resistor seri & paralel
Jawaban: Req = 20,46 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 = 3 + 4 = 7 Ω
R4 ∥ 7 = 3,733 Ω
R3 + 3,733 = 28,73 Ω
R2 ∥ 28,73 = 8,465 Ω
Req = R1 + 8,465 = 12 + 8,465 = 20,46 Ω
Jawaban
Req = 20,46 Ω
9.Konverter DC-DC
Jawaban: IL = 28,8 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 − 9/36 = 0,75
Arus beban
Io = 36/5 = 7,2 A
Arus induktor
IL = Io/(1 − D) = 7,2/0,25 = 28,8 A
Jawaban
IL = 28,8 A
10.Konverter DC-DC
Jawaban: ΔVo = 470 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 = 36/48 = 0,75
Arus riak induktor
ΔIL = (48 − 36)·0,75/(68·10⁻⁶·40·10³) = 3,309 A
Riak keluaran
ΔVo = 3,309/(8·40·10³·22·10⁻⁶) = 470 mV
Jawaban
ΔVo = 470 mV
11.Jembatan Wheatstone & strain gauge
Jawaban: Vab = 36,59 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 = 3·1050/2050 = 1,537 V
Vb = 1,5 V
Haluaran
Vab = 36,59 mV
Jawaban
Vab = 36,59 mV
Perkiraan linear Vs·ΔR/(4R) = 37,5 mV terlalu tinggi 2,5 %: jembatan seperempat tidak sepenuhnya linear.
12.Jembatan Wheatstone & strain gauge
Jawaban: ε = 750 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 = 0,5513/350 = 0,001575
Regangan
ε = 0,001575/2,1 = 0,00075 = 750 µε
Jawaban
ε = 750 µε
13.Logika digital: gerbang, peta-K & flip-flop
Jawaban: N = 2
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.
B′C′
A′BC
Bentuk SOP minimal
F = B′C′ + A′BC
N = 2
Jawaban
N = 2
14.Logika digital: gerbang, peta-K & flip-flop
Jawaban: N = 3
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.