Modul 02: Elektronika Dasar

Alat Ukur, Rangkaian Thevenin, dan Rangkaian Tapis

Reza Rendian Septiawan

February 4, 2015

Pada praktikum kali ini kita akan mempela-jari tentang beberapa hal mendasar dalam duniaelektronik, yaitu tentang penggunaan alat ukur,pembuatan rangkaian Thevenin, dan tentang tapispasif sebagai salah satu rangkaian elektronik pal-ing sederhana. Adapun keluaran yang diharap-kan dari praktikum kali ini adalah praktikan men-genal berbagai komponen elektronik pasif sepertiresistor dan kapasitor; praktikan dapat menggu-nakan alat ukur (multimeter analog, digital, danosiloskop), catu daya, dan signal generator untukmengukur besaran-besaran listrik dan melakukananalisis dasar terhadap rangkaian elektronik; prak-tikan dapat memahami dan membuat rangkaianThevenin serta penggunaannya; dan praktikan da-pat memahami, membuat, dan melakukan analisisterhadap berbagai rangkaian tapis pasif sederhana.

1 Alat Ukur

Alat ukur memainkan peran yang sangat pent-ing di dunia elektronik mengingat fungsinya untukmengukur berbagai besaran listrik dan melakukananalisa terhadap rangkaian elektronik. Mengingatperanannya yang penting, alat ukur harus men-galami proses kalibrasi untuk memastikan akurasipengukurannya. Alat ukur paling dasar yang ser-ing digunakan adalah multimeter (atau sering dike-nal dengan nama AVOmeter). Untuk mengamatibentuk gelombang yang mengalir dalam rangkaianelektronik kita dapat menggunakan osiloskop. Baikmultimeter dan osiloskop keduanya memiliki tipeanalog maupun digital. Pada praktikum kali inikita akan mempelajari tentang penggunaan multi-meter analog dan digital, serta osiloskop.

1.1 Multimeter analog dan digital

Secara umum, tiga besaran listrik yang paling pent-ing dan paling sering diukur adalah arus, tegan-gan, dan hambatan. Ketiga besaran tersebut da-pat diukur masing-masing oleh Ammeter, Volt-meter, dan Ohmmeter. Namun seiring denganberkembangnya teknologi, ketiga alat ukur tersebutsaat ini biasanya digabungkan menjadi satu buahalat yang dinamakan multimeter. Selain mengukurarus, tegangan, dan hambatan, biasanya multime-ter dapat mengukur besaran listrik lainnya yangterkait, seperti frekuensi. Multimeter terdiri daridua buah jenis multimeter, yaitu multimeter ana-log dan digital. Fungsi keduanya sama, yaitu untukmengukur berbagai besaran listrik. Namun carapenggunaan keduanya sedikit berbeda.

Gambar 1: Contoh dari multimeter (a) analog, dan(b) digital (diambil dari http://overseas.sanwa-meter.co.jp/items/index.php).

1.2 Osiloskop

Seperti halnya multimeter, osiloskop juga memi-liki fungsi untuk mengukur besaran listrik. Na-

1

Modul 02: Elektronika Dasar halaman 2

mun perbedaannya, keluaran utama dari osiloskopadalah dalam bentuk isyarat tegangan terhadapwaktu. Dengan menggunakan keterampilan dalammembaca, melakukan setting, dan merangkai alatukur, osiloskop dapat digunakan untuk melakukanberbagai macam analisis rangkaian listrik, sepertimenghitung frekuensi gelombang, beda fasa gelom-bang, dan analisa bentuk gelombang. Osiloskop bi-asanya memiliki lebih dari satu buah channel pen-gukuran, sehingga pengguna bisa melakukan kom-parasi dari lebih dari satu pengukuran dalam waktuyang bersamaan.

Gambar 2: Contoh dari osiloskop (diambil darihttp://www.gwinstek.com).

2 Komponen Pasif

Secara umum komponen dalam dunia elektronikterbagi menjadi dua golongan, yaitu komponen ak-tif dan komponen pasif. Komponen aktif adalahkomponen yang membutuhkan catu daya untuk da-pat bekerja, contohnya adalah IC op-amp. Sedan-gkan komponen pasif adalah komponen yang tidakmembutuhkan daya untuk dapat bekerja. Beber-apa komponen yang tergolong sebagai komponenpasif adalah resistor, kapasitor, dan induktor. Padapraktikum kali ini kita akan memfokuskan pemba-hasan kita pada resistor dan kapasitor.

2.1 Resistor

Resistor merupakan komponen pasif yang berfungsiuntuk membatasi besarnya arus yang mengalirdalam rangkaian. Terdapat beberapa jenis resis-tor sesuai dengan material pembuatnya, antara lainyang berjenis wirewound, carbon composition, car-bon film, metal film, metal oxide, dan foil [2]. Un-

tuk menentukan nilai hambatan dari resistor da-pat dilakukan dengan membaca warna gelang yangterdapat di permukaan resistor, atau dengan mem-baca kode yang tertulis pada resistor bertipe balok(power resistor) dan tipe SMD. Terdapat juga re-sistor yang dapat diubah-ubah nilai hambatannya.Beberapa jenis dari resistor variabel adalah trim-mer dan potensiometer.

Gambar 3: Berbagai jenis resistor, (a) resis-tor 5 gelang, (b) resistor 4 gelang, (c) resistorbalok, (d) potensiometer putar, (e) potensiome-ter geser, dan (f) resistor SMD (diambil darihttp://www.resistorguide.com).

2.2 Kapasitor

Kapasitor merupakan komponen elektronik pasifyang berfungsi untuk menyimpan energi listrik [3].Pada intinya, kapasitor terbuat dari dua buah lem-peng pelat konduktor yang dipisahkan oleh mate-rial insulator dielektrik. Besarnya kapasitansi darikapasitor dipengaruhi oleh luas penampang pelat,jarak antara kedua pelat, dan koefisien dielektrikdari material insulator, sesuai persamaan berikut:

C =εrε0A

d(1)

dengan C adalah nilai kapasitansi, εr adalah per-mitivitas relatif material dielektrik, ε0 adalah per-mitivitas dalam kondisi vakum, A adalah luas pe-nampang pelat, dan d adalah jarak antara keduapelat.

FI-5283: Rangkaian Analog dan Digital

Modul 02: Elektronika Dasar halaman 3

Gambar 4: Berbagai jenis kapasitor (diambil darihttp://www.capacitorguide.com).

3 Rangkaian Thevenin

Dalam [1] dinyatakan tentang teorema Theveninyang berbunyi:

”Semua rangkaian listrik linear yanghanya terdiri dari sumber arus dan ham-batan saja dapat digantikan pada termi-nal A-B oleh sumber tegangan penggantiVth yang dihubungkan seri dengan ham-batan pengganti Rth.”

Untuk mencari tegangan pengganti Vth, rangka-ian listrik harus dibuat dalam kondisi rangkaianterbuka, dan tegangan tersebut diukur pada titikA-B. Sedangkan untuk mencari hambatan peng-ganti Rth rangkaian listrik dibuat terbuka, dengansumber tegangan dibuat seolah-olah dalam kondisishort-circuit, dan hambatan pengganti merupakanbesarnya hambatan yang terukur pada titik A-B.

Gambar 5: Contoh rangkaian listrik (a) sertarangkaian setara Thevenin-nya (b).

Untuk menghitung tegangan pengganti Eth padarangkaian yang terdapat di Gambar 5 kita dapatmenggunakan perhitungan pembagi tegangan, se-hingga:

Eth =R3

R1 + R3Vs (2)

Sedangkan untuk menghitung hambatan penggantiRth kita dapat menganggap bahwa Vs di-short-kan,sehingga didapat:

Rth = (R1//R3) + R2 (3)

4 Rangkaian Tapis

Rangkaian tapis merupakan rangkaian yang dapatmeloloskan gelombang pada rentang frekuensi ter-tentu. Pada dasarnya terdapat dua jenis rangkaiantapis, yaitu tapis lolos rendah (low-pass filter) dantapis lolos tinggi (high-pass filter). Dua jenis tapislainnya (band-pass filter dan band-stop filter) bisadibuat dengan merangkaikan LPF dan HPF secaraseri dan paralel.

4.1 Low-Pass Filter (LPF)

Tapis lolos rendah merupakan rangkaian yang da-pat meloloskan gelombang yang memiliki frekuensilebih rendah dari frekuensi potong rangkaian terse-but. Rangkaian LPF sederhana dapat dilihat padaGambar 6.

Gambar 6: Rangkaian LPF sederhana (diambil darihttp://en.wikipedia.org/wiki/Low-pass filter).

Rangkaian LPF yang ideal seharusnya da-pat meloloskan sinyal dengan frekuensi dibawahfrekuensi potongnya tanpa peredaman sama sekalidan meredam total seluruh sinyal dengan frekuensidiatas frekuensi potongnya. Untuk mengetahuifrekuensi potong dari rangkaian tapis kita dapatmenghitungnya melalui persamaan berikut ini:

ωp =1

RC(4)

FI-5283: Rangkaian Analog dan Digital

Modul 02: Elektronika Dasar halaman 4

atau

fp =1

2πRC(5)

Karakteristik dari suatu rangkaian tapis dapat dili-hat dari tanggapan amplitudonya (G(ω)). Tangga-pan amplitudo biasa dinyatakan dalam satuan de-sibel (dB). Perhitungan tanggapan amplitudo darirangkaian dapat dihitung melalui persamaan:

G(ω) = |G(ω)| = 20 log

(VoVi

)(6)

Adapun kurva tanggapan amplitudo dan tangga-pan fasa dari rangkaian tapis lolos rendah dapatdilihat pada Gambar 7.

Gambar 7: Kurva bode plot dari LPF(diambil dari http://www.electronics-tutorials.ws/filter/filter 2.html).

Selain sebagai tapis lolos rendah, rangkaian padaGambar 6 juga dapat berfungsi sebagai integratorjika diberikan sinyal masukan berupa sinyal kotak.

Gambar 8: Rangkaian LPF sebagai inte-grator (diambil dari http://www.electronics-tutorials.ws/filter/filter 2.html).

4.2 High-Pass Filter (LPF)

Tapis lolos tinggi merupakan rangkaian yang da-pat meloloskan gelombang yang memiliki frekuensilebih tinggi dari frekuensi potong rangkaian terse-but. Rangkaian HPF sederhana dapat dilihat padaGambar 9.

Gambar 9: Rangkaian HPF sederhana (di-ambil dari http://en.wikipedia.org/wiki/High-pass filter).

Rangkaian HPF yang ideal seharusnya da-pat meloloskan sinyal dengan frekuensi dibawahfrekuensi potongnya tanpa peredaman sama sekalidan meredam total seluruh sinyal dengan frekuensidiatas frekuensi potongnya. Untuk menghitungfrekuensi potong dan tanggapan amplitudo dariHPF tetap dapat menggunakan 4, 5, dan 6

Adapun kurva tanggapan amplitudo dan tang-gapan fasa dari rangkaian tapis lolos rendah dapatdilihat pada Gambar 10.

Gambar 10: Kurva bode plot dari HPF(diambil dari http://www.electronics-tutorials.ws/filter/filter 3.html).

Selain sebagai tapis lolos tinggi, rangkaian padaGambar 9 juga dapat berfungsi sebagai diferensi-ator jika diberikan sinyal masukan berupa sinyalkotak.

FI-5283: Rangkaian Analog dan Digital

Modul 02: Elektronika Dasar halaman 5

Gambar 11: Rangkaian HPF sebagai difer-ensiator (diambil dari http://www.electronics-tutorials.ws/filter/filter 3.html).

4.3 Band-pass Filter

Tapis lolos pita merupakan suatu rangkaiantapis yang hanya dapat meloloskan sinyal yangfrekuensinya berada pada rentang tertentu saja.Tapis jenis ini dapat dibuat dengan meng-gabungkan HPF dan LPF secara seri.

Gambar 12: Skema dariband-pass filter (diambil darihttp://www.allaboutcircuits.com/vol 2/chpt 8/4.html).

Gambar 13: Kurva tanggapan ampli-tudo dari band-pass filter (diambil darihttp://en.wikipedia.org/wiki/Band-pass filter).

4.4 Band-stop Filter

Tapis henti pita merupakan suatu rangkaian tapisyang dapat meloloskan semua sinyal kecuali sinyalyang frekuensinya berada pada rentang tertentusaja. Tapis jenis ini dapat dibuat dengan meng-gabungkan HPF dan LPF secara paralel.

Gambar 14: Skema dariband-stop filter (diambil darihttp://www.allaboutcircuits.com/vol 2/chpt 8/5.html).

Gambar 15: Kurva tanggapan amplitudoideal dari band-pass filter (diambil darihttp://en.wikipedia.org/wiki/Band-stop filter).

5 Percobaan

5.1 Pengenalan, kalibrasi, dan peng-gunaan alat ukur

Perhatikan penjelasan dan peragaan asisten men-genai alat ukur. Mohon penjelasan asisten diper-hatikan dengan baik karena semua alat ukur terse-but akan sering digunakan. Jika ada pertanyaanatau hal yang kurang jelas, bisa langsung di-tanyakan pada asisten.

Setelah asisten selesai menjelaskan tentang alatukur, praktikan dapat mencoba untuk melakukankalibrasi dan pengukuran sendiri dengan menggu-nakan alat ukur tersebut.

FI-5283: Rangkaian Analog dan Digital

Modul 02: Elektronika Dasar halaman 6

5.2 Rangkaian Thevenin

1. Buatlah rangkaian seperti yang tampak padaGambar 5 dengan nilai hambatan 1 kΩ, 10 kΩ,dan 4.7 kΩ lalu ukur tegangan Thevenin danhambatan Thevenin-nya. Hitunglah juga se-cara teoritis, dan bandingkan dengan hasilpengukuran. Ulangi percobaan untuk tigakombinasi resistor yang berbeda.

2. Dengan menggunakan salah satu kombinasirangkaian Thevenin, cobalah untuk melakukanpembebanan dengan menggunakan hambatanvariabel yang disediakan. Pastikan nilai re-sistansi dari hambatan beban diukur terlebihdahulu sebelum disambungkan ke rangkaian.Ulangi percobaan untuk 10 nilai ham-batan beban yang berbeda-beda.

3. Hubungkan pin keluaran signal generator (SG)dengan osiloskop. Setel agar keluaran dari SGterbaca 5 V pp. Hubungkan SG dengan ham-batan variabel. Atur besarnya hambatan agarbesarnya sinyal yang terbaca menjadi 2.5 V pp.Ukur besranya hambatan dari hambatan vari-abel tersebut. Ulangi percobaan untukfrekuensi 100 Hz, 1 kHz, dan 10 kHz.

4. Ukur besarnya hambatan dalam dari SG padafrekuensi 100 Hz, 1 kHz, dan 10 kHz.Pastikan SG dalam kondisi mati dan tidak ter-sambung dengan jaringan listrik.

5.3 Rangkaian tapis

5.3.1 LPF

1. Buat sebuah rangkaian LPF seperti tampakpada Gambar 6. Ukur nilai resistansi dan ka-pasitansi dari masing-masing resistor dan ka-pasitor.

2. Hubungkan probe channel 1 dari osiloskoppada input dari rangkaian LPF dan channel2 pada output rangkaian LPF.

3. Hubungkan SG pada input dari osiloskop. Se-tel SG agar dapat memberikan sinyal masukansinusoidal 500 mV pp. Variasikan frekuensidari sinyal keluaran SG dari rentang 10 Hzsampai 50 kHz. Catat nilai masukan dan kelu-aran yang terbaca pada osiloskop. Dokumen-tasikan juga bentuk sinyal keluarannya.

4. Lakukan langkah yang sama untuk bentuksinyal masukan kotak.

5.3.2 HPF

Lakukan langkah percobaan yang sama seperti un-tuk rangkaian LPF, namun tentu saja dengan ben-tuk rangkaian HPF.

5.3.3 BPF

Rangkaikan rangkaian LPF dan HPF secara seri.Pilihlah nilai R dan C yang sesuai masing-masinguntuk LPF dan HPF yang bisa digunakan untukrangkaian BPF. Lakukan langkah pengerjaan yangsama seperti sebelumnya.

5.3.4 BSF

Rangkaikan rangkaian LPF dan HPF secara par-alel. Pilihlah nilai R dan C yang sesuai masing-masing untuk LPF dan HPF yang bisa digunakanuntuk rangkaian BSF. Lakukan langkah pengerjaanyang sama seperti sebelumnya.

Referensi

[1] L. Thevenin, Sur un nouveau theoremed’electricite dynamique (On a new theorem ofdynamic electricity), Comptes rendus hebdo-madaires des seances de l’Academie des Sci-ences, 97(1883), pp. 159-161.

[2] Resistor Guide, www.resistorguide.com, diak-ses pada 3 Februari 2015 pukul 11:20.

[3] Capacitor Guide, www.capacitorguide.com,diakses pada 3 Februari 2015 pukul 12:00.

FI-5283: Rangkaian Analog dan Digital