Elektronika 1: paket kilat

Lembar rumus, langkah-langkah metode utama untuk setiap topik, dan 14 soal latihan, dengan pembahasan lengkap di bagian belakang.

Soal baru Kembali ke mata kuliah

Di jendela cetak, pilih “Simpan sebagai PDF” untuk menyimpan salinan di perangkat Anda.

1Rumus dan metode

Dioda & transistor

Dioda (tegangan jatuh konstan): V_D = 0,7 V when conducting
Daerah aktif: V_BE = 0,7 V, I_C = β·I_B, I_E = (β + 1)·I_B
Bias tetap: I_B = (V_CC − 0,7)/R_B
Bias pembagi tegangan: I_B = (V_TH − 0,7)/(R_TH + (β + 1)R_E)
Thévenin dari pembagi tegangan: V_TH = V_CC·R₂/(R₁ + R₂), R_TH = R₁∥R₂
Loop kolektor: V_CE = V_CC − I_CR_C − I_ER_E
Saturasi: I_C(sat) = (V_CC − V_CE(sat))/R_C, I_B ≥ I_C(sat)/β

Rangkaian op-amp

Penguat pembalik: V_out = −(R_f/R_in)·V_in
Penguat tak membalik: V_out = (1 + R_f/R₁)·V_in
Penguat penjumlah: V_out = −R_f(V₁/R₁ + V₂/R₂)
Op-amp ideal: V₊ = V₋, I_in = 0

Transien RC & RL

Konstanta waktu: τ = RC | τ = L/R
Respons: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e^−t/τ
Kapasitor pada DC: rangkaian terbuka; v_C tidak dapat melompat
Induktor pada DC: hubung singkat; i_L tidak dapat melompat
Keadaan tunak: t ≈ 5τ

Metode

Cari nilai awal sesaat setelah sakelar berpindah: tegangan kapasitor dan arus induktor tidak dapat melompat.
Cari nilai akhir lama setelah sakelar berpindah: kapasitor berperilaku sebagai rangkaian terbuka, induktor sebagai hubung singkat.
Cari konstanta waktu: τ = RC atau τ = L/R, dengan hambatan yang terlihat oleh kapasitor atau induktor.
Gunakan x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e^−t/τ.

Resistor seri & paralel

Resistor seri: R_eq = R₁ + R₂ + …
Resistor paralel: 1/R_eq = 1/R₁ + 1/R₂ + …
Dua resistor paralel: R_eq = R₁R₂ / (R₁ + R₂)
Hukum Ohm: V = I·R
Daya: P = V·I = I²R = V²/R

Metode

Mulailah dari ujung jaringan yang paling jauh dari terminal.
Gabungkan resistor seri dengan menjumlahkannya, dan resistor paralel dengan 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …
Gambar ulang rangkaian setelah setiap langkah.
Ulangi sampai tersisa satu resistor di antara terminal.

Konverter DC-DC

Buck: V_o = D·V_in
Boost: V_o = V_in/(1 − D)
Buck-boost pembalik: |V_o| = V_in·D/(1 − D)
Keseimbangan daya ideal: V_inI_in = V_oI_o
Riak induktor: ΔI_L = V_L,on·D/(L·f); buck V_in − V_o, boost and buck-boost V_in
Arus induktor rata-rata: buck I_o; boost dan buck-boost I_o/(1 − D)
Riak keluaran: buck ΔI_L/(8fC); boost dan buck-boost I_o·D/(fC)
Batas CCM: buck (1 − D)R/(2f); boost D(1 − D)²R/(2f); buck-boost (1 − D)²R/(2f)

Metode

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 ΔI_L = V_L·D/(L·f).
Untuk riak keluaran, cari muatan yang masuk dan keluar kapasitor; untuk batas CCM, samakan arus induktor rata-rata dengan ΔI_L/2.

Jembatan Wheatstone & strain gauge

Tegangan pembagi: V_a = V_sR₂/(R₁ + R₂), V_b = V_sR₄/(R₃ + R₄)
Haluaran: V_ab = V_a − V_b
Keseimbangan: R₁/R₂ = R₃/R₄
Jembatan kawat geser: R/R_x = l/(100 − l)
Resistansi Thévenin: R_th = R₁∥R₂ + R₃∥R₄
Faktor pengukur: ΔR/R = GF·ε
Keluaran jembatan: seperempat V_s·GF·ε/4, setengah V_s·GF·ε/2, penuh V_s·GF·ε
Perubahan kecil, satu lengan: V_ab ≈ V_s·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 V_a dan V_b dari pembagi lalu kurangkan; gunakan ekuivalen Thévenin bila alat ukur membebani keluaran.
Untuk strain gauge, ubah regangan menjadi ΔR/R = GF·ε dan gunakan V_s·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; f_out = f_clk/N
Pencacah ripple: f_max = 1/(n·t_pd)
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

5 LED kuning (tegangan maju 2,1 V masing-masing) dihubungkan seri dengan resistor ke catu 24 V. Cari resistansi R yang menetapkan arus sebesar 5 mA.

V_s = 24 VV_F = 2,1 Vn = 5I = 5 mA

R = Ω

2.Dioda & transistorSulit

Sebuah dioda dimodelkan sebagai 0,65 V yang diseri dengan 25 Ω (ia menghantar di atas 0,65 V). Dioda itu diseri dengan resistor 470 Ω melintasi catu 6 V. Cari arus kerja I_D di tempat garis dioda bertemu garis beban.

V_s = 6 VR = 470 ΩV₀ = 0,65 Vr_d = 25 Ω

I_D = mA

3.Rangkaian op-ampSedang

Pilih resistor umpan balik R_f yang memberi penguat non-pembalik ini penguatan tegangan 21.

R₁ = 4,7 kΩA_v = 21

R_f = kΩ

4.Rangkaian op-ampSulit

Op-amp ideal dan dicatu ±15 V. Rasio resistornya tidak sepadan. Cari tegangan keluaran V_out.

V₁ = −1,2 VV₂ = 0,7 VR₁ = 2 kΩR₂ = 10 kΩR₃ = 2 kΩR₄ = 1 kΩ

V_out = V

5.Transien RC & RLSedang

Induktor tidak dialiri arus sebelum sakelar ditutup pada t = 0. Cari arus i pada t = 5 ms.

V_s = 9 VR = 10 ΩL = 33 mHt = 5 ms

i = A

6.Transien RC & RLSulit

Sakelar yang paralel dengan R₂ telah tertutup sejak lama, jadi arus induktor tunak. Pada t = 0 sakelar membuka. Berapa lama setelah t = 0 arus induktor mencapai 1,185 A? Cari t.

V_s = 10 VR₁ = 5 ΩR₂ = 22 ΩL = 47 mH

t = ms

7.Resistor seri & paralelSedang

Cari arus I_R1 yang dialirkan sumber, yang mengalir melalui R₁.

V₁ = 30 VR₁ = 5 ΩR₂ = 15 ΩR₃ = 5 ΩR₄ = 3 Ω

I_R1 = A

8.Resistor seri & paralelSulit

Cari arus I_R2 melalui R₂.

V₁ = 36 VR₁ = 10 ΩR₂ = 2 ΩR₃ = 3 ΩR₄ = 2 ΩR₅ = 5 ΩR₆ = 8 Ω

I_R2 = A

9.Konverter DC-DCSedang

Konverter buck-boost pembalik ideal mengubah 15 V menjadi −15 V pada 40 kHz dengan L = 68 µH. Cari arus riak induktor puncak ke puncak ΔI_L.

Vin = 15 VVo = −15 Vf = 40 kHzL = 68 µH

ΔI_L = A

10.Konverter DC-DCSulit

Konverter buck mengubah 12 V menjadi 3,6 V pada 500 kHz dengan L = 47 µH. Cari kapasitansi keluaran C yang membatasi riak keluaran puncak ke puncak sebesar 50 mV.

Vin = 12 VVo = 3,6 Vf = 500 kHzL = 47 µHΔV_o = 50 mV

C = µF

11.Jembatan Wheatstone & strain gaugeSedang

Cari resistansi Thévenin R_th dari jembatan yang ditunjukkan, dilihat dari terminal keluaran a dan b.

V_s = 10 VR₁ = 400 ΩR₂ = 600 ΩR₃ = 80 ΩR₄ = 200 Ω

R_th = Ω

12.Jembatan Wheatstone & strain gaugeSulit

Sebuah strain gauge (GF = 2,1) pada suatu batang dengan E = 110 GPa membentuk jembatan seperempat yang dieksitasi dengan 2,5 V. Keluarannya menunjukkan 0,787 mV. Cari tegangan mekanik aksial σ dalam MPa.

V_s = 2,5 VGF = 2,1V_o = 0,787 mVE = 110 GPa

σ = MPa

13.Logika digital: gerbang, peta-K & flip-flopSedang

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 = C. Pada berapa dari 8 kombinasi A, B, dan C keluaran F = 1? Carilah N.

I₀ = C′I₁ = C′I₂ = C′I₃ = C

N =

14.Logika digital: gerbang, peta-K & flip-flopSulit

Pencacah ripple (asinkron) 4 bit dibangun dari flip-flop dengan tundaan propagasi 25 ns masing-masing. Semua keluaran harus sudah stabil sebelum tepi clock berikutnya. Carilah frekuensi clock maksimum f_max.

n = 4t_pd = 25 ns

f_max = MHz

3Larutan

1.Dioda & transistor

Jawaban: R = 2700 Ω

Rangkaian LED dan dioda: LED bias maju menjatuhkan tegangan sekitar tegangan majunya V_F (sekitar 2 V untuk merah, 3 V untuk biru atau putih), berapa pun arusnya. Resistor seri menentukan arus: R = (V_s − n·V_F)/I untuk n LED seri. Dengan model dioda yang lebih eksak V = V₀ + I·r_d, titik kerja berada di tempat garis dioda berpotongan dengan garis beban I = (V_s − V)/R, sehingga I = (V_s − V₀)/(R + r_d).

Tegangan pada resistor

V_R = 24 − 5·2,1 = 13,5 V

Hambatan

R = 13,5/0,005 = 2700 Ω

Jawaban

R = 2700 Ω

Resistor menyerap daya 67,5 mW.

2.Dioda & transistor

Jawaban: I_D = 10,81 mA

Gabungkan kedua persamaan

6 = 0,65 + I·(470 + 25)

Arus kerja

I_D = 5,35/495 = 10,81 mA

V_D = 0,65 + 0,01081·25 = 0,9202 V

Jawaban

I_D = 10,81 mA

3.Rangkaian op-amp

Jawaban: R_f = 94 kΩ

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 penguat non-pembalik

V₋ = V₊ = V_in, dan arus melalui R₁ juga mengalir melalui R_f, jadi V_out = V_in·(1 + R_f/R₁).

A_v = 1 + R_f/R₁

R_f = (21 − 1)·4,7 = 94 kΩ

Jawaban

R_f = 94 kΩ

4.Rangkaian op-amp

Jawaban: V_out = 7,4 V

Tegangan di masukan +

V₊ = V₂·R₄/(R₃ + R₄) = 0,7·1/(2 + 1) = 0,2333 V

Superposisikan kedua masukan

Dengan V₂ = 0, V₁ melihat penguat membalik. Dengan V₁ = 0, V₊ diperkuat dengan penguatan tak membalik 1 + R₂/R₁.

V_out = −(10/2)·(−1,2) + (1 + 10/2)·0,2333 = 6 + 1,4 = 7,4 V

Jawaban

V_out = 7,4 V

5.Transien RC & RL

Jawaban: i = 0,7022 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.

τ = L/R = 33 mH / 10 Ω = 3,3 ms

i(∞) = V_s/R = 9/10 = 0,9 A

Arus pada waktu tertentu

i(t) = i(∞)·(1 − e^−t/τ) = 0,9·(1 − e^−5/3,3) = 0,7022 A

Jawaban

i = 0,7022 A

6.Transien RC & RL

Jawaban: t = 1,207 ms

Nilai awal, nilai akhir, konstanta waktu

Sebelum t = 0 sakelar yang tertutup memintas R₂; sesudahnya R₁ dan R₂ sama-sama berada dalam loop.

i(0) = 10/5 = 2 A

i(∞) = 10/(5 + 22) = 0,3704 A

τ = L/R = 47/27 = 1,741 ms

i(t) = 0,3704 + (2 − 0,3704)·e^−t/τ

Selesaikan untuk waktu

e^−t/τ = (1,185 − 0,3704)/(2 − 0,3704) = 0,4999

t = 1,741·ln(2) = 1,207 ms

Jawaban

t = 1,207 ms

7.Resistor seri & paralel

Jawaban: I_R1 = 2,936 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 = 5 + 3 = 8 Ω

R₂ ∥ 8 = 15·8/(15+8) = 5,217 Ω

R_eq = R₁ + 5,217 = 5 + 5,217 = 10,22 Ω

Arus dari sumber

Sumber hanya melihat R_eq, jadi hukum Ohm memberi arus yang dialirkannya. Arus itu mengalir melalui R₁.

I_R1 = V₁/R_eq = 30/10,22 = 2,936 A

Jawaban

I_R1 = 2,936 A

8.Resistor seri & paralel

Jawaban: I_R2 = 2,219 A

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 = 5 + 8 = 13 Ω

R₄ ∥ 13 = 1,733 Ω

R₃ + 1,733 = 4,733 Ω

R₂ ∥ 4,733 = 1,406 Ω

R_eq = R₁ + 1,406 = 10 + 1,406 = 11,41 Ω

Arus dari sumber

Sumber hanya melihat R_eq, jadi hukum Ohm memberi arus yang dialirkannya. Arus itu mengalir melalui R₁.

I_R1 = V₁/R_eq = 36/11,41 = 3,156 A

Arus melalui R₂

Kurangi jatuh tegangan pada R₁ untuk mendapat tegangan di simpul A, yaitu tegangan pada R₂.

V_A = V₁ − I_R1·R₁ = 36 − 3,156·10 = 4,438 V

I_R2 = V_A/R₂ = 4,438/2 = 2,219 A

Jawaban

I_R2 = 2,219 A

9.Konverter DC-DC

Jawaban: ΔI_L = 2,757 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 V_o = D·V_in, boost V_o = V_in/(1 − D), buck-boost pembalik |V_o| = V_in·D/(1 − D). Konverter ideal menjaga daya: V_in·I_in = V_o·I_o. Selama S menyala, arus induktor naik sebesar ΔI_L = V_L·D·T/L, dengan V_L = V_in − V_o untuk buck dan V_in untuk boost dan buck-boost. Riak keluaran adalah ΔV_o = ΔI_L/(8fC) untuk buck dan I_o·D/(fC) untuk boost dan buck-boost. Arus induktor tepat menyentuh nol (batas CCM) ketika arus induktor rata-rata sama dengan ΔI_L/2.

Siklus kerja

D = 15/(15 + 15) = 0,5

Tegangan induktor selama waktu nyala

Selama S menyala, induktor berada langsung di antara kedua ujung V_in.

V_L = 15 V

Arus riak

ΔI_L = V_L·D/(L·f) = 15·0,5/(68·10⁻⁶·40·10³) = 2,757 A

Jawaban

ΔI_L = 2,757 A

10.Konverter DC-DC

Jawaban: C = 0,5362 µF

Siklus kerja

D = 3,6/12 = 0,3

Arus riak induktor

ΔI_L = (12 − 3,6)·0,3/(47·10⁻⁶·500·10³) = 0,1072 A

Kapasitansi

C = 0,1072/(8·500·10³·50·10⁻³) = 0,5362 µF

Jawaban

C = 0,5362 µF

11.Jembatan Wheatstone & strain gauge

Jawaban: R_th = 297,1 Ω

Jembatan Wheatstone: dua pembagi tegangan berbagi satu catu V_s. Pembagi kiri R₁–R₂ memberikan V_a = V_s·R₂/(R₁ + R₂) dan pembagi kanan R₃–R₄ memberikan V_b = V_s·R₄/(R₃ + R₄); keluarannya adalah V_ab = V_a − V_b. Jembatan seimbang (V_ab = 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 R_th = R₁∥R₂ + R₃∥R₄.

Catu dihubung singkat

R₁∥R₂ = 400·600/1000 = 240 Ω

R₃∥R₄ = 80·200/280 = 57,14 Ω

Resistansi Thévenin

R_th = 297,1 Ω

Jawaban

R_th = 297,1 Ω

12.Jembatan Wheatstone & strain gauge

Jawaban: σ = 65,96 MPa

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 V_o ≈ V_s·GF·ε/4. Dua pengukur aktif dengan regangan berlawanan pada lengan yang berdekatan (setengah jembatan) memberikan V_s·GF·ε/2, dan empat (jembatan penuh) memberikan V_s·GF·ε. Tegangan mekanik mengikuti hukum Hooke, σ = E·ε. Sel beban menyatakan sensitivitasnya dalam mV/V: keluaran pada beban penuh per volt eksitasi.

Regangan

ε = 4·0,000787/(2,5·2,1) = 0,0005996

Tegangan

σ = 110·10³ MPa·0,0005996 = 65,96 MPa

Jawaban

σ = 65,96 MPa

13.Logika digital: gerbang, peta-K & flip-flop

Jawaban: N = 4

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′ + ABC

Baris dengan F = 1

ABC = 000, 010, 100, 111

N = 4

Jawaban

N = 4

14.Logika digital: gerbang, peta-K & flip-flop

Jawaban: f_max = 10 MHz

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 f_clk/N. Pencacah Johnson dari n flip-flop memiliki 2n keadaan, pencacah cincin n.

Waktu penyetelan terburuk

T = 4·25 ns = 100 ns

Frekuensi maksimum

f_max = 1/100 ns = 10 MHz

Jawaban

f_max = 10 MHz

ExamProblems · examproblems.com/courses/electronics-1