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 = 100 dibias dengan pembagi tegangan dari VCC = 20 V: R₁ = 100 kΩ dari VCC ke basis dan R₂ = 15 kΩ dari basis ke ground. Resistor kolektornya RC = 2,2 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 tegangan kolektor–emitor VCE.
Regulator Zener 6,2 V harus mencatu hingga 20 mA ke beban. Masukan dapat turun hingga 12 V, dan Zener memerlukan minimal 5 mA agar meregulasi. Cari resistansi seri terbesar Rmax yang menjaganya tetap meregulasi.
Op-amp ideal dan dicatu ±15 V. Cari tegangan keluaran Vout.
Vin = 1,9 VR1 = 10 kΩRf = 47 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 = 1,6 V diberikan pada t = 0. Berapa lama setelah t = 0 keluaran mencapai kejenuhan? Cari t.
Vin = 1,6 VR = 2,2 kΩC = 0,1 µFVsat = ±13 V
t = ms
5.Transien RC & RLSedang
Induktor mengalirkan arus tunak 1,5 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) = 1,5 AR = 33 ΩL = 220 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. Cari arus induktor i pada t = 5 ms.
Vs = 6 VR1 = 5 ΩR2 = 10 ΩL = 33 mHt = 5 ms
i = A
7.Resistor seri & paralelSedang
Cari resistansi ekuivalen Req yang dilihat sumber V1.
V1 = 10 VR1 = 12 ΩR2 = 8 ΩR3 = 6 ΩR4 = 12 Ω
Req = Ω
8.Resistor seri & paralelSulit
Cari arus IR1 yang dialirkan sumber, yang mengalir melalui R1.
Konverter buck mengubah 9 V menjadi 3,6 V untuk beban 10 Ω pada 100 kHz, dengan L = 330 µH dan C = 100 µF. Cari riak tegangan keluaran puncak ke puncak ΔVo dalam mV.
Sebuah jembatan memiliki empat lengan 300 Ω dan Vs = 5 V. Sensor R₂ naik sebesar ΔR = 60 Ω. Cari keluaran eksak Vab dalam mV.
Vs = 5 VR = 300 ΩΔR = 60 Ω
Vab = mV
12.Jembatan Wheatstone & strain gaugeSulit
Sebuah sel beban (jembatan penuh dari strain gauge) memiliki keluaran terukur 2 mV/V pada beban terukurnya 500 kg. Sel dieksitasi dengan 12 V. Cari keluarannya Vo di bawah beban 375 kg.
Sebuah multiplekser 4-ke-1 memiliki masukan pemilih S₁ = A dan S₀ = B, dan masukan datanya dihubungkan ke I₀ = 0, I₁ = C′, I₂ = C′, I₃ = 1. Pada berapa dari 8 kombinasi A, B, dan C keluaran F = 1? Carilah N.
Sebuah pencacah turun biner 3 bit dimulai dari 1 (desimal, Q = 001). Berapa hitungan Q (dalam desimal) yang ditunjukkannya setelah 21 pulsa clock?
Q0 = 121n = 3
Q =
3Larutan
1.Dioda & transistor
Jawaban: VCE = 16,41 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 = 20·15/(100 + 15) = 2,609 V
RTH = 100·15/(100 + 15) = 13,04 kΩ
Arus basis
KVL di sekeliling loop basis; arus emitor adalah (β + 1)·IB.
IB = (2,609 − 0,7)/(13,04 + 101·2,2) = 8,114 µA
Arus kolektor
IC = 100·8,114 µA = 0,8114 mA
IE = 101·8,114 µA = 0,8195 mA
Tegangan kolektor–emitor
VCE = 20 − 0,8114·2,2 − 0,8195·2,2 = 16,41 V
Jawaban
VCE = 16,41 V
2.Dioda & transistor
Jawaban: Rmax = 232 Ω
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 kasus terburuk
IR = 20 + 5 = 25 mA
Resistansi terbesar
Rmax = 5,8/0,025 = 232 Ω
Jawaban
Rmax = 232 Ω
3.Rangkaian op-amp
Jawaban: Vout = 10,83 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₊ = 1,9 V
I = V₋/R1 = 1,9/10 = 0,19 mA
Tegangan keluaran
Arus melalui R₁ juga mengalir melalui Rf.
Vout = V₋ + I·Rf = 1,9 + 0,19·47 = 10,83 V
Jawaban
Vout = 10,83 V
4.Rangkaian op-amp
Jawaban: t = 1,788 ms
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 = 2,2 kΩ · 0,1 µF = 0,22 ms
laju kenaikan = −Vin/(RC) = −1,6/0,22 = −7,273 V/ms
Waktu sampai jenuh
|Vin|·t/(RC) = Vsat → t = Vsat·RC/|Vin| = 13·0,22/1,6 = 1,788 ms
Jawaban
t = 1,788 ms
5.Transien RC & RL
Jawaban: i = 0,7085 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 / 33 Ω = 6,667 ms
Peluruhan arus
i(t) = 1,5·e−5/6,667 = 0,7085 A
Jawaban
i = 0,7085 A
6.Transien RC & RL
Jawaban: i = 0,4824 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.
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) = 6/5 = 1,2 A
i(∞) = 6/(5 + 10) = 0,4 A
τ = L/R = 33/15 = 2,2 ms
i(t) = 0,4 + (1,2 − 0,4)·e−t/τ
Arus pada waktu tertentu
i(5) = 0,4 + (0,8)·e−5/2,2 = 0,4824 A
Jawaban
i = 0,4824 A
7.Resistor seri & paralel
Jawaban: Req = 17,54 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 = 6 + 12 = 18 Ω
R2 ∥ 18 = 8·18/(8+18) = 5,538 Ω
Req = R1 + 5,538 = 12 + 5,538 = 17,54 Ω
Jawaban
Req = 17,54 Ω
8.Resistor seri & paralel
Jawaban: IR1 = 2,17 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 = 4 + 12 = 16 Ω
R4 ∥ 16 = 3,2 Ω
R3 + 3,2 = 6,2 Ω
R2 ∥ 6,2 = 3,827 Ω
Req = R1 + 3,827 = 10 + 3,827 = 13,83 Ω
Arus dari sumber
Sumber hanya melihat Req, jadi hukum Ohm memberi arus yang dialirkannya. Arus itu mengalir melalui R₁.
IR1 = V1/Req = 30/13,83 = 2,17 A
Jawaban
IR1 = 2,17 A
9.Konverter DC-DC
Jawaban: Imax = 4,439 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 = 10,5/15 = 0,7
Arus rata-rata dan arus riak
Io = 10,5/2,5 = 4,2 A
ΔIL = VL·D/(L·f) = 4,5·0,7/(330·10⁻⁶·20·10³) = 0,4773 A
Arus puncak
Imax = 4,2 + 0,4773/2 = 4,439 A
Jawaban
Imax = 4,439 A
10.Konverter DC-DC
Jawaban: ΔVo = 0,8182 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 = 3,6/9 = 0,4
Arus riak induktor
ΔIL = (9 − 3,6)·0,4/(330·10⁻⁶·100·10³) = 0,06545 A
Riak keluaran
ΔVo = 0,06545/(8·100·10³·100·10⁻⁶) = 0,8182 mV
Jawaban
ΔVo = 0,8182 mV
11.Jembatan Wheatstone & strain gauge
Jawaban: Vab = 227,3 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 = 5·360/660 = 2,727 V
Vb = 2,5 V
Haluaran
Vab = 227,3 mV
Jawaban
Vab = 227,3 mV
Perkiraan linear Vs·ΔR/(4R) = 250 mV terlalu tinggi 10 %: jembatan seperempat tidak sepenuhnya linear.
12.Jembatan Wheatstone & strain gauge
Jawaban: Vo = 18 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.
Keluaran skala penuh
2·12 = 24 mV
Keluaran pada beban ini
Vo = 24·375/500 = 18 mV
Jawaban
Vo = 18 mV
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′BC′ + AB′C′ + AB
Baris dengan F = 1
ABC = 010, 100, 110, 111
N = 4
Jawaban
N = 4
14.Logika digital: gerbang, peta-K & flip-flop
Jawaban: Q = 4
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 8 pulsa mengembalikan pencacah ke keadaan yang sama.