Cari disini

Google
 

Friday, August 31, 2007

Umpan-balik Negatif

Pada satu jurnal medis dipaparkan bahwa di dalam tubuh manusia bekerja suatu mekanisme yang menjaga keseimbangan, sehingga tubuh dapat berfungsi dengan baik. Seperti dicontohkan di dalam jurnal tersebut, ada fungsi dari sistem endokrin yang mengatur konsentrasi gula dalam darah. Jika misalnya kita meminum segelas susu atau memakan sepotong permen coklat yang manis, maka tubuh akan bereaksi terhadap masukan ini. Glukosa yang diserap dari susu atau permen itu akan menyebabkan kadar gula darah meninggi. Naiknya kadar gula darah ini merangsang sel-sel endokrin yang ada di pankreas untuk melepas hormon insulin ke dalam darah. Insulin ini ternyata adalah katalis bagi penyerapan glukosa ke dalam sel-sel tubuh. Walhasil, kadar gula dalam darah kembali turun. Sebaliknya jika kadar dula darah sangat rendah, maka endokrin tidak akan dirangsang untuk melepas insulin. Demikianlah sehingga kadar gula di dalam darah tetap normal dan seimbang.

Dalam rangkaian elektronik terutama pada sistem pengaturan, umpan balik negatif memegang peran yang penting. Pada sistem pengaturan, selalu ada masukan (input), keluaran (output), proses serta umpan balik. Misalnya adalah sistem pengatur suhu ruangan dengan air-conditioner (AC). Dalam sistem ini sebagai input adalah suhu ruangan yang ingin dicapai. Lalu prosesnya adalah dengan bekerjanya kompresor AC yang mendinginkan ruangan. Sebagai umpan balik adalah suhu ruangan saat ini yang diumpan ke sistem melalui sebuah sensor temperatur. Sensor di sini dapat disamakan sebagai indra bagi sistem pendingin. Jika suhu udara saat ini masih lebih hangat daripada suhu yang diinginkan, maka kompresor bekerja sampai kemudian tercapai keseimbangan.

Sistem audio hi-fi juga menggunakan umpan balik negatif, untuk mencapai kadar fidelity maksimum. Sistem echo-cancellation pada peralatan audio dan telekomunikasi adalah bagaimana meredam acoustic feedback yang masuk kembali melalui mikrofon misalnya. Prinsipnya yaitu mengurangi sinyal apapun yang masuk melalui input dengan sinyal echo dari original input.

Penguat op-amp yang stabil juga dibuat dengan umpanbalik negatif. Penguat op-amp umumnya memiliki open-loop voltage gain yang sangat besar 100.000 kali bahkan idealnya adalah tak terhingga. Nilai penguatan ini sangat besar dan kisarannya sangat lebar sehingga sistem menjadi labil. Penguat op-amp tidak akan stabil tanpa rangkaian umpanbalik. Penguat inverting maupun non-inverting yang dibuat dengan op-amp selalu menerapkan umpanbalik negatif. Dengan umpanbalik negatif tersebut, penguatan op-amp dapat diperkirakan dengan pasti.

Mekanisme di atas tidak lain adalah rangkaian dengan feedback negatif. Dikatakan feedback negatif karena reaksinya yang 'melawan' kondisi dari masukan. Jika terlalu tinggi akan direndahkan dan jika terlalu rendah akan ditinggikan. Hal itu berlangsung sampai kondisi keseimbangan yang diinginkan tercapai. Contoh lain di dalam tubuh manusia adalah rasa sakit ketika dicubit, rasa haus, rasa lapar dan rasa capek. Umpanbalik ciptaan-Nya ini sangat luar biasa dalam menjaga kesimbangan fisik. Menurut hemat penulis rasa kenyang dan rasa senang mestinya adalah feedback negatif. Kalau tidak, anda akan makan terus dan tertawa terus tiada henti bukan ? Selain indra yang lima, manusia memiliki nurani dan empati sebagai indra dari jiwa. Sanjungan bisa jadi adalah umpan balik positif yang kadang menjerumuskan. Kritikan mestinya merupakan umpan balik negatif yang menjaga keseimbangan nurani.

-end-

HC versus HCT

Kompatibilitas komponen CMOS terhadap TTL


Beberapa waktu yang lalu, kami mendapat cerita dari seorang rekan yang bekerja di industri penyediaan perangkat telekomunikasi. Sebanyak ribuan modul yang sudah dipasang dan beroperasi harus segera ditarik dan diganti dengan modul yang baru. Dikatakan perangkat yang terkoneksi secara remote tersebut tidak berfungsi dengan baik. Tetapi anehnya, sebagian perangkat yang sama lainnya bekerja baik dan normal sebagaimana mestinya.

R&D dari pabrikan penyedia alat tersebut segera melakukan tugasnya menganalisa problem yang mereka hadapi. Selidik punya selidik akhirnya ditemukan ternyata kedua perangkat yang sama itu memiliki perbedaan. Perbedaannya ada pada penggunaan komponen logik. Modul pada perangkat yang bekerja normal menggunakan komponen logik dengan marka tertulis 74HCxxx. Sedangkan perangkat yang satunya menggunakan komponen dengan marka tertulis 74HCTxxx. Ketika diteliti lebih lanjut, kemudian diketahui penyebabnya adalah tercampurnya reel (selongsong tempat komponen) komponen 74HCxxx yang seharusnya dengan komponen dengan 74HCTxxx. Sehingga pada saat pabrikasi, secara tidak sengaja komponen yang seharusnya 74HCxxx terpasang menjadi 74HCTxxx.

Di sini masalahnya bukan karena komponen logik tipe HC lebih baik dan komponen jenis HCT tidak baik. Tetapi modul perangkat yang dimaksud memang dirancang dengan menggunakan komponen IC logik jenis HC.

Seperti yang kita ketahui, komponen IC logik umumnya dimulai dengan angka 54 atau 74 yang kemudian diikuti marka huruf. Angka 54 adalah tipe dengan spesifikasi militer and 74 adalah tipe untuk umum. Huruf yang menyertai setelah angka 54/74 seperti LS, AS atau ALS menunjukkan komponen logik tersebut dari tipe TTL (Transitor Transistor Logic), yaitu komponen IC logik yang dibuat dengan dasar transistor bipolar. Misalnya komponen itu tertulis dengan marka 54LS/74LS. Komponen logik ada juga yang dibuat dengan dasar transistor CMOS yang dikenal dengan 54HC/74HC dimana marka HC adalah singkatan dari High speed CMOS.

Perancang rangkaian elektronik biasanya menggunakan komponen tipe HC untuk mendapatkan sistem dengan performa kecepatan tinggi (high speed) dan sekaligus konsumsi daya-nya yang rendah (low power). Selain itu pabrikan juga membuat komponen tipe HCT (High speed CMOS TTL) yang merupakan satu keluarga dengan tipe HC karena sama-sama dibuat dengan teknologi CMOS. Namun komponen HCT dibuat agar input/output nya kompatibel dengan level TTL. Huruf T pada marka HCT berarti TTL.

tabel-1 : karakteristik tegangan input/output

beberapa tipe komponen IC logik

Mengapa diperlukan komponen logik tipe HCT ? Jawabannya barangkali dapat diketahui dari karakteristik level tegangan input/output untuk masing-masing tipe komponen yang ada pada tabel-1. Pada tabel ini di tunjukkan berapa nilai tegangan output logika 1 atau logika 0 komponen LS/HC/HCT. Juga ditunjukkan ambang dari tegangan input minimum atau maksimum dari tiap tipe komponen yang dapat dinyatakan sebagai logika 1 atau logika 0. Pada tabel tersebut terlihat ada masalah ketidak cocokan (incompatibility) antara level tegangan output dari komponen tipe LS yang TTL dengan ambang minimum level tengangan input komponen HC yang CMOS.

Level tengangan output logika 1 (high) untuk tipe LS pada tabel adalah 2.7 volt. Sementara untuk komponen tipe HC, ambang tegangan minimum untuk dapat dinyatakan sebagai logika 1 (high) setidaknya mesti sebesar 3.15 volt. Artinya jika komponen LS dipakai untuk men-drive komponen HC maka level tegangan logika 1 keluaran LS tidaklah cukup bagi input komponen logik tipe HC. Kendala interfacing yang demikian sering juga ditemui pada suatu desain yang menggunakan mikrokontroler dimana peripheral input-outputnya berstandard TTL. Sementara untuk mendapatkan tingkat kecepatan dan konsumsi daya yang kecil, perancangnya ingin menggunakan CMOS sebagai eksternal komponen lainnya.

Untuk contoh kasus seperti inilah komponen tipe HCT dibuat, sehingga tidak ada masalah interface antara output TTL dengan input CMOS. Sebab komponen HCT standardnya sudah sama-sama TTL. Misalnya dipasaran banyak ditemui 74HCT373 yaitu latch yang sering digunakan untuk men-decode data dari address/data bus sebuah mikroprosessor. Karena kompatibel, komponen HCT dapat langsung dipasang menggantikan komponen logik TTL seperti tipe LS. Misalnya komponen 74LS14 secara langsung dapat digantikan dengan 74HCT14 yang konsumsi dayanya lebih kecil.

gambar-1 : pull-up resistor untuk interfacing

input komponen HC terhadap output LS

Lalu mengapa komponen HC masih diperlukan, mengapa tidak semua saja dibuat menjadi HCT ? Ternyata katanya untuk membuat komponen tipe HCT, teknologi saat ini masih terbentur pada beberapa kendala yang ujungnya adalah penurunan performansi. Diantaranya yang pasti komponen HCT memerlukan rangkaian translator level CMOS ke level TTL dan sebaliknya, sehingga tambahan rangkaian ini menyebabkan ukuran dice (bahan pembuat IC) komponen menjadi lebih besar atau lebih padat. Tambahan rangkaian translator menyebabkan adanya efek tundaan propagasi (propagation delay), sehingga kecepatan HCT menjadi pertimbangan untuk rangkaian yang bersifat speed/time critical.

Dibandingkan dengan komponen tipe HC yang hemat energi (low power), konsumsi daya komponen HCT menjadi lebih besar. Kendala dan batasan inilah yang menyebabkan tidak semua komponen logik HC memiliki padanan komponen HCT. Selain itu sebenarnya ada cara untuk mengatasi masalah interface komponen tipe LS yang TTL dengan tipe HC yang CMOS. Seperti pada gambar-1, sebuah resistor pull-up (4.7K ~ 10K) dapat ditambahkan pada output TTL untuk menjamin level tegangan logik 1 (high) adalah sama dengan tegangan suplai VCC (misalnya 5 volt).

Metode resistor pull-up sebagai interfacing bagi komponen lain sudah umum dipakai untuk menjamin kompatibilitas TTL. Bahkan sering didapati ada internal resistor pull-up pada tiap-tiap port input/output sebuah mikroprosesor/mikrokontroler. Sehingga tambahan resistor pull-up eksternal tidak lagi diperlukan.

Kalau dibalik, komponen HC/HCT mestinya tidak ada masalah kompatibilitas jika dipakai untuk men-drive komponen tipe LS. Sebab kalau kembali dilihat pada tabel-1, tegangan output komponen tipe HC/HCT (3.7 volt) sudah cukup untuk memenuhi batas ambang minimum sebagai tegangan logika 1 bagi input komponen LS (2.0 volt).

Ada suatu garis bawah yang dapat ditarik dari pengalaman rekan di atas. Terkadang dari satu hal sederhana dapat menjadi sesuatu yang rumit. Ada kalanya hal yang demikian ikut melibatkan biaya yang tidak sedikit. Walaupun pada akhirnya problem itu dapat diselesaikan ketika masalahnya sudah ter-identifikasi. Sebab katanya, kalau masalahnya sudah diketahui maka sisanya adalah bagaimana menyelesaikannya.

-end-

Phenomena Memory Effect

Sejak pemakaian laptop dan telepon genggam menjadi lumrah, sekarang ini kita semakin akrab dengan jenis-jenis batere yang digunakan. Tipe batere yang banyak dipakai adalah NiCd (Nickel Cadmium), NiMH (Nickel Metal Hydride) dan ada Li-ion (Lithium Ion) dan Li-ion Polymer. Dikalangan penggemar tamiya (mobil balap mainan), batere tipe Alkalin menjadi pilihan karena relatif murah. Kesemua tipe batere ini adalah tipe batere yang dapat di-isi ulang (rechargeable). Sering kita mendengar keluhan bahwa batere tipe NiCd tidak awet, sebab setelah beberapa kali di isi ulang ternyata kapasitasnya menjadi berkurang. Batere NiCd disebut memiliki masalah memory effect sedangkan batere NiMH yang lebih ringan, dikatakan lebih awet dan tidak mengalami masalah ini. Tetapi sering juga ada beberapa penjelasan mengatakan bahwa batere tipe NiMH juga mengalami masalah yang sama. Belakangan ini pengguna laptop dan telepon genggam akrab dengan tipe betere Lithium-ion dan Lithium-ion Polymer yang lebih ringan lagi dibandingkan batere tipe NiMH. Tipe batere Li-ion dan Li-ion Polymer diiklankan tidak memiliki problem memory effect dan lebih awet dibandingkan dengan tipe batere lainnya. Tulisan berikut barangkali merupakan anjuran bagaimana agar batere NiCd yang lebih murah itu (walau relatif lebih berat) dapat awet pemakaiannya. Prinsip ini juga dapat diterapkan pada tipe batere lain agar lebih awet dan tidak cepat rusak.


Istilah memory effect

Sebenarnya istilah memory effect rancu dan salah kaprah, sebab batere bukanlah komponen yang memiliki memori. Ada yang mengatakan batere NiCd akan “mengingat” kapasitas pada saat pengisian yang pertama. Ada juga yang mengatakan jika batere diisi ulang (charge) pada keadaan belum sepenuhnya kosong, maka kapasitas penuhnya akan berkurang menjadi setengahnya. Jika tadinya batere dapat beroperasi selama 1 jam, lalu menjadi setengah jam. Sampai akhirnya jika hal sama dilakukan berulang-ulang, waktu operasi batere hanya mampu bertahan beberapa detik saja. Walaupun sudah diisi penuh, waktu bicara telepon genggam menjadi sangat pendek dan waktu operasi laptop (tanpa power AC) menjadi sangat singkat. Untuk menghindari masalah memory effect, pengguna dianjurkan untuk mengisi (charge) batere hanya jika batere itu benar-benar kosong (fully discharged) atau batere harus dikosongkan sebelum mengisinya sampai penuh. Tetapi apakah benar demikian ? Batere adalah adalah komponen sumber energi listrik (elektron) yang berasal dari reaksi kimia dan tentu saja tidak ada memori didalamnya. Istilah memory effect memang salah kaprah untuk menjelaskan kerusakan batere yang menyebabkan kapasitasnya berkurang. Namun apa sebenarnya yang terjadi dan bagaimana menjelaskan phenomena ini yang pada kenyataannya batere jenis tersebut memang sering mengalami masalah yang demikian.


Anatomi batere NiCd

Satu sel batere NiCd dibuat dengan katoda (terminal positif) dari bahan Nickelic Hydroxide (NiOOH) dan anoda (terminal negatif) dari bahan metal Cadmium (Cd). Larutan elektrolit yang digunakan biasanya Potassium Hydroxide (KOH) dengan air (H2O) sebagai bahan pelarut. Elektrolit pada batere NiCd tidak ikut dalam reaksi, namun air dalam hal ini ion hydroxide (OH) ikut berperan penting. Reaksi kimia dua arah yang terjadi pada sel batere NiCd adalah sebagai berikut. Reaksi kimia pada batere secara umum dikenal dengan istilah reaksi redoks (redox) yaitu reduksi dan oksidasi.



2NiOOH + Cd +2H2O « 2Ni(OH)2 + Cd(OH)2



Reaksi dari kiri ke kanan adalah reaksi reduksi pengosongan batere (discharge). Reaksi ini terjadi ketika terminal positif terhubung dengan terminal negatif melalui satu beban resistif. Batere dikatakan habis jika seluruh ion-ion hydroxide (OH) yang tadinya ada diterminal positif berupa Nickelic Hydroxide (NiOOH) berpindah ke terminal negatif metal Cadmiun (Cd). Dengan berpindahnya ion (elektron) tersebut, Cadmiun teroksidasi menjadi Cadmium Hydroxide Cd(OH)2. Pada saat yang sama terminal positif ter-reduksi menjadi Nikelous Hydroxide Ni(OH)2. Sampai di sini tidak ada masalah sebab ini adalah proses normal dari penggunaan batere.



Lalu reaksi dari kanan ke kiri adalah proses sebaliknya yaitu proses pengisian (charge) batere. Dimana dengan mengalirkan sejumlah arus konstan pada terminalnya (dengan polaritas yang sebaliknya), kembali ion-ion hydroxide berpindah dari terminal negatif ke terminal positif. Proses ini akan kembali membentuk Nikelic Hydroxide pada terminal positif dan metal Cadmiun pada terminal negatif. Batere dikatakan penuh jika seluruh ion-ion hydroxide telah berpindah tempat. Sampai disini juga tidak ada masalah, sebab ini merupakan proses normal dari pengisian batere.


Hindari Overcharging

Namun apa yang terjadi jika pengisian ini terus berlangsung (overcharging). Kelebihan elektron yang disuntikan pada batere akan menguraikan air (H2O) membentuk Oksigen (O2) pada terminal positif dan Hidrogen (H2) pada terminal negatif batere. Jika semakin banyak, oksigen dan hidrogen bisa bertemu dan akibatnya dapat menimbulkan ledakan. Batere di-disain sedemikian rupa dengan mebuat terminal negatif Cadmiun yang sudah dioksidasi terlebih dahulu (pre-oxidiced), sehingga kelebihan Hidrogen dan Oksigen yang terbentuk akibat overcharging masih dapat diserap membentuk Cadmiun (Cd) pada terminal negatif. Tetapi tentu ada batasnya. Jika overcharging terus berlangsung, kelebihan gas oksigen dan hidrogen akan terbentuk di dalam sel batere. Pembuat batere mensiasati hal ini dengan melengkapi ventilasi pada batere. Semacam lubang kecil agar gas hidrogen dan oksigen dapat keluar jika ada kelebihan akibat overcharging. Hal ini menyebabkan unsur air (H2O) yang memegang peran dalam perpindahan ion-ion OH pada batere menjadi berkurang. Mudah dipahami, akibatnya adalah berkurangnya kemampuan atau kapasitas batere untuk menyimpan/menghasilkan energi listrik. Anjuran yang paling manjur agar batere lebih awet adalah dengan menghindari overcharging. Selalu dianjurkan agar tidak mengisi batere sehari semalam sampai luber.


Batere lebih awet pada suhu kerja optimum

Overcharging juga menyebabkan suhu meningkat dan batere menjadi panas. Unsur-unsur logam dan material yang terbentuk pada proses pengisian batere adalah berupa kristal berukuran mikro. Kristal-kristal halus akan mudah terurai pada saat batere dipergunakan (discharge). Namun panas akan menyebabkan kristal yang terbentuk adalah kristal-kristal yang relatif besar dan padat. Hal ini mengakibatkan proses penguraiannya saat batere digunakan akan menjadi lebih sulit. Dengan kata lain, jika kristal yang terbentuk semakin padat dan bertumpuk, batere menjadi kehilangan daya simpan alias rusak. Panas menjadi musuh utama batere, tidak hanya panas akibat dari overcharging juga panas lain dari lingkungan luar. Tips untuk ini adalah menjaga agar batere bekerja pada kondisi suhu optimum yang dianjurkan menurut spesifikasinya.


Hindari over-discharged

Proses pengosongan batere yang berlebihan juga bisa menyebabkan kerusakan. Satu kemasan batere NiCd telepon gengam sebesar 6 volt misalnya, jika dibongkar di dalamnya terdiri dari 5 sel batere yang masing-masing sebesar 1.2 volt dan terhubung seri. Tiap sel tidak selalu identik satu dengan yang lainnya. Ada kalanya jika batere dikosongkan berlebihan (over-discharged), ada satu atau dua sel yang tegangannya menjadi lebih kecil dengan sel batere yang lain. Akibatnya polaritas sel batere yang memiliki tegangan lebih kecil menjadi terbalik (reverse polarity) dan menyebabkan batere keseluruhannya menjadi rusak. Setidaknya mempertimbangkan anjuran pakai pada kemasan batere umumnya untuk tidak mencampur batere baru dengan batere yang lama.

referensi : dari berbagai sumber

-end-

Catu Daya 5 volt 5 A

Pada satu tulisan di website ini, ada artikel yang membahas tentang desain catu daya teregulasi (regulated power supply) dengan menggunakan komponen regulator tegangan positif seri 78XX. Misalnya adalah regulator tengangan positif 5 volt dengan komponen 7805. Dengan menggunakan komponen seperti ini, dengan mudah dapat dibuat rangkaian catu daya yang sangat baik regulasi tegangan keluarannya. Namun, komponen 7805 hanya bisa efektif mencatu arus sampai 1 A saja. Catu daya 5 volt umumnya banyak sekali digunakan untuk mencatu berbagai aplikasi, sehingga kadang kala catu arus 1A tidak cukup.

Pada tulisan kali ini electroniclab menyajikan desain catu daya teregulasi 5 volt yang dapat mensuplai arus sampai 5 A, setidaknya ini yang pernah diuji coba di workshop electroniclab. Sebenarnya rangkaian ini bisa mencatu sampai 10 A atau bahkan lebih jika pembaca tahu kiat-kiat untuk memodifikasinya.

Inti dari rangkaian ini tentu saja adalah rangkaian dasar regulator 5 volt dengan 7805. Perbedaannya adalah, pada rangkaian ini ditambahkan rangkaian pass transistor yang terdiri dari transistor Q1 serta 2 buah resistor R1 dan R2. Komponen 7805 memegang kendali meregulasi tegangan output, dan rangkaian pass transistor berperan penting untuk mengalirkan arus selebihnya ke beban RL.

Transistor yang digunakan adalah transistor PNP yaitu MJ2955. Transistor ini dikenal dengan sebutan bipolar silicon power transistor yang banyak dijumpai di pasar. Pembaca pada prinsipnya bisa mengantikannya dengan power transistor bipolar lain, asal saja dengan karakteristik yang hampir sama. Dari datasheet, dapat diketahui bahwa transistor ini termasuk kategori transistor power karena arus kolektor Ic dapat mencapai 15A dengan disipasi daya yang bisa mencapai 115 watts. Tentu dalam mendesain suatu rangkaian semestinya batas-batas maksimum ini perlu diketahui, sehingga tidak melampaui batas optimum yang dapat dicapai.

Catu daya 5V 5A dengan pass transistor

Perhatikan gambar rangkaian diatas. Pada arus loop tertutup yang melewati resistor R1, R2 dan emiter-base transistor Q1, dapat dirumuskan secara matematis :

I1R1 = IeR2 + Vbe(on) ……… (1)

Untuk transistor silicon biasanya Vbe(on) = 0.7 volt, yaitu tegangan base-emitor yang menyebabkan transistor mulai bekerja (ON). Dari datasheet diketahui tegangan ini Vbe(on) ini dapat bervariasi antara 0.6 ~ 1.4 volt tergantung dari besar arus Ic yang melewati transistor tersebut. Namun untuk penyederhanaan perhitungan, kita tetapkan saja Vbe(on) = 0.7 volt.

I1 adalah arus yang melewati 7805 yang seterusnya akan mensuplai beban RL. Dengan rangkaian ini kita akan menetapkan besar arus yang boleh melewati 7805, misalkan anda menetapkan arus I1 = 500 mA. Lalu bagaimana caranya mensuplai arus ke beban RL sampai 5A ? Tentu saja arus selebihnya akan dilewatkan melalui transistor MJ2955. Dari rumus (1) dapat dimengerti bahwa arus Ie yang melewati R2 akan mulai mengalir hanya jika tegangan jepit pada resistor R1 lebih besar dari Vbe(on) atau secara matematis :

I1R1 >= Vbe(on) …. (2)

Jika besaran di atas disubsitusikan ke rumus (2) maka dapat dihitung besar R1 yang dibutuhkan adalah :

R1 = Vbe(0n)/I1 = 0.7/0.5 = 1.4 Ohm

Bagaimana menetapkan besar arus I1 = 500 mA, boleh kah lebih atau kurang. Jika kita runut sedikit ke belakang, pertama kita ingin membuat catu daya dengan Io = 5 A. Pada rangkaian di atas, Io = Ic + Io’. Kalau kita anggap Io’ cukup kecil dibanding Ic, maka dapat ditulis Ic = Io. Dari teori transistor diketahui bahwa Ic = Hfe Ib. Dari datasheet MJ2955 diketahui besar Hfe ini 20 ~ 70. Anda bisa mencari transistor dengan Hfe = 50. Jika ini yang dipakai, maka arus base yang mesti disuplai adalah Ib = Ic/Hfe = 5/50 = 100 mA. Dengan perhitungan ini tidak salah kalau diasumsikan arus masksimum yang boleh melewati R1 sebesar 500 mA. Karena akan cukup mensuplai arus base Ib (sebesar 100 mA) yang diperlukan transistor Q1 mensuplai arus Ic mencapai 5 A.

Besar resistansi R2 dapat dihitung dengan loop dari Vin ke Vout melalui transistor Q1 yang dirumuskan dengan :

Vin = IeR2 + Vce(on) + Vout …. (3)

Vin adalah tegangan keluaran dari rangkaian penyearah yang dibuat dari rangkaian trafo, dioda bridge dan kapasitor elco. Jika misalnya Vin = 7 volt dan tegangan keluaran Vout = 5 volt, maka rumus (3) dapat ditullis menjadi :

7 = IeR2 + Vce(on) + 5

atau

IeR2 + Vce(on) = 2 volt ….. (4)

Inilah garis beban atau garis kerja transistor Q1. Dengan anggapan bahwa Ie = Ic = 5 A dan Vce(on) = 0 volt (ideal) ketika transistor Q1 bekerja (ON), maka dapat dihitung besar R2 = 2/5 = 0.4 Ohm. Selesai … ? tentu saja belum, karena harus ditentukan besar watt dari resistor ini. Dari rumus umum P = I2R dapat dihitung disipasi daya pada resistor R2 adalah P = 52(0.4) = 10 watt (minimun), maka yang digunakan adalah resistor 0.4 Ohm 20 watt supaya aman.

Demikian urutan dari perancangan catu daya ini. Tentu rancangan ini dapat dimodifikasi sesuai dengan kebutuhan. Sebagai tips terakhir, Dengan arus yang demikian besar, temperatur resistor dan transistor akan sedemikian panas. Sangat dianjurkan menggunakan heatsink untuk transistor Q1 dan juga resitor R2. Komponen 7805 mestinya tidak memerlukan heatsink, karena arus yang melewati komponen ini relatif kecil sekali. Kapasitor elco C1 adalah anjuran dari datasheet 7805 agar tegangan output lebih stabil.

Untuk kebutuhan arus yang lebih besar lagi, transistor Q1 bisa diganti dengan transistor Darlington atau dengan cara meng-cascade rangkaian pass transistor menjadi 2 atau 3 tingkat. Pada prinsipnya, perhitungan di atas dapat juga diterapkan untuk mendesain rangkaian catu daya lain misalnya 12 volt ataupun 24 volt.

-end-

Catu Daya

prinsip kerja catu daya linear


Perangkat elektronika mestinya dicatu oleh suplai arus searah DC (direct current) yang stabil agar dapat dengan baik. Baterai atau accu adalah sumber catu daya DC yang paling baik. Namun untuk aplikasi yang membutuhkan catu daya lebih besar, sumber dari baterai tidak cukup. Sumber catu daya yang besar adalah sumber bolak-balik AC (alternating current) dari pembangkit tenaga listrik. Untuk itu diperlukan suatu perangkat catu daya yang dapat mengubah arus AC menjadi DC. Pada tulisan kali ini disajikan prinsip rangkaian catu daya (power supply) linier mulai dari rangkaian penyearah yang paling sederhana sampai pada catu daya yang ter-regulasi.

PENYEARAH (RECTIFIER)

Prinsip penyearah (rectifier) yang paling sederhana ditunjukkan pada gambar-1 berikut ini. Transformator diperlukan untuk menurunkan tegangan AC dari jala-jala listrik pada kumparan primernya menjadi tegangan AC yang lebih kecil pada kumparan sekundernya.

gambar 1 : rangkaian penyearah sederhana

Pada rangkaian ini, dioda berperan untuk hanya meneruskan tegangan positif ke beban RL. Ini yang disebut dengan penyearah setengah gelombang (half wave). Untuk mendapatkan penyearah gelombang penuh (full wave) diperlukan transformator dengan center tap (CT) seperti pada gambar-2.

gambar 2 : rangkaian penyearah gelombang penuh

Tegangan positif phasa yang pertama diteruskan oleh D1 sedangkan phasa yang berikutnya dilewatkan melalui D2 ke beban R1 dengan CT transformator sebagai common ground.. Dengan demikian beban R1 mendapat suplai tegangan gelombang penuh seperti gambar di atas. Untuk beberapa aplikasi seperti misalnya untuk men-catu motor dc yang kecil atau lampu pijar dc, bentuk tegangan seperti ini sudah cukup memadai. Walaupun terlihat di sini tegangan ripple dari kedua rangkaian di atas masih sangat besar.

gambar 3 : rangkaian penyearah setengah gelombang dengah filter C

Gambar 3 adalah rangkaian penyearah setengah gelombang dengan filter kapasitor C yang paralel terhadap beban R. Ternyata dengan filter ini bentuk gelombang tegangan keluarnya bisa menjadi rata. Gambar-4 menunjukkan bentuk keluaran tegangan DC dari rangkaian penyearah setengah gelombang dengan filter kapasitor. Garis b-c kira-kira adalah garis lurus dengan kemiringan tertentu, dimana pada keadaan ini arus untuk beban R1 dicatu oleh tegangan kapasitor. Sebenarnya garis b-c bukanlah garis lurus tetapi eksponensial sesuai dengan sifat pengosongan kapasitor.

gambar 4 : bentuk gelombang dengan filter kapasitor

Kemiringan kurva b-c tergantung dari besar arus I yang mengalir ke beban R. Jika arus I = 0 (tidak ada beban) maka kurva b-c akan membentuk garis horizontal. Namun jika beban arus semakin besar, kemiringan kurva b-c akan semakin tajam. Tegangan yang keluar akan berbentuk gigi gergaji dengan tegangan ripple yang besarnya adalah :

Vr = VM -VL …....... (1)



dan tegangan dc ke beban adalah Vdc = VM + Vr/2 ..... (2)

Rangkaian penyearah yang baik adalah rangkaian yang memiliki tegangan ripple paling kecil. VL adalah tegangan discharge atau pengosongan kapasitor C, sehingga dapat ditulis :

VL = VM e -T/RC .......... (3)

Jika persamaan (3) disubsitusi ke rumus (1), maka diperoleh :

Vr = VM (1 - e -T/RC) ...... (4)

Jika T << RC, dapat ditulis : e -T/RC » 1 - T/RC ..... (5)

sehingga jika ini disubsitusi ke rumus (4) dapat diperoleh persamaan yang lebih sederhana :

Vr = VM(T/RC) .... (6)

VM/R tidak lain adalah beban I, sehingga dengan ini terlihat hubungan antara beban arus I dan nilai kapasitor C terhadap tegangan ripple Vr. Perhitungan ini efektif untuk mendapatkan nilai tengangan ripple yang diinginkan.

Vr = I T/C ... (7)

Rumus ini mengatakan, jika arus beban I semakin besar, maka tegangan ripple akan semakin besar. Sebaliknya jika kapasitansi C semakin besar, tegangan ripple akan semakin kecil. Untuk penyederhanaan biasanya dianggap T=Tp, yaitu periode satu gelombang sinus dari jala-jala listrik yang frekuensinya 50Hz atau 60Hz. Jika frekuensi jala-jala listrik 50Hz, maka T = Tp = 1/f = 1/50 = 0.02 det. Ini berlaku untuk penyearah setengah gelombang. Untuk penyearah gelombang penuh, tentu saja fekuensi gelombangnya dua kali lipat, sehingga T = 1/2 Tp = 0.01 det.

Penyearah gelombang penuh dengan filter C dapat dibuat dengan menambahkan kapasitor pada rangkaian gambar 2. Bisa juga dengan menggunakan transformator yang tanpa CT, tetapi dengan merangkai 4 dioda seperti pada gambar-5 berikut ini.

gambar 5 : rangkaian penyearah gelombang penuh dengan filter C

Sebagai contoh, anda mendisain rangkaian penyearah gelombang penuh dari catu jala-jala listrik 220V/50Hz untuk mensuplai beban sebesar 0.5 A. Berapa nilai kapasitor yang diperlukan sehingga rangkaian ini memiliki tegangan ripple yang tidak lebih dari 0.75 Vpp. Jika rumus (7) dibolak-balik maka diperoleh.

C = I.T/Vr = (0.5) (0.01)/0.75 = 6600 uF.

Untuk kapasitor yang sebesar ini banyak tersedia tipe elco yang memiliki polaritas dan tegangan kerja maksimum tertentu. Tegangan kerja kapasitor yang digunakan harus lebih besar dari tegangan keluaran catu daya. Anda barangkalai sekarang paham mengapa rangkaian audio yang anda buat mendengung, coba periksa kembali rangkaian penyearah catu daya yang anda buat, apakah tegangan ripple ini cukup mengganggu. Jika dipasaran tidak tersedia kapasitor yang demikian besar, tentu bisa dengan memparalel dua atau tiga buah kapasitor.
REGULATOR

Rangkaian penyearah sudah cukup bagus jika tegangan ripple-nya kecil, namun ada masalah stabilitas. Jika tegangan PLN naik/turun, maka tegangan outputnya juga akan naik/turun. Seperti rangkaian penyearah di atas, jika arus semakin besar ternyata tegangan dc keluarnya juga ikut turun. Untuk beberapa aplikasi perubahan tegangan ini cukup mengganggu, sehingga diperlukan komponen aktif yang dapat meregulasi tegangan keluaran ini menjadi stabil.

Rangkaian regulator yang paling sederhana ditunjukkan pada gambar 6. Pada rangkaian ini, zener bekerja pada daerah breakdown, sehingga menghasilkan tegangan output yang sama dengan tegangan zener atau Vout = Vz. Namun rangkaian ini hanya bermanfaat jika arus beban tidak lebih dari 50mA.

gambar 6 : regulator zener

Prinsip rangkaian catu daya yang seperti ini disebut shunt regulator, salah satu ciri khasnya adalah komponen regulator yang paralel dengan beban. Ciri lain dari shunt regulator adalah, rentan terhadap short-circuit. Perhatikan jika Vout terhubung singkat (short-circuit) maka arusnya tetap I = Vin/R1. Disamping regulator shunt, ada juga yang disebut dengan regulator seri. Prinsip utama regulator seri seperti rangkaian pada gambar 7 berikut ini. Pada rangkaian ini tegangan keluarannya adalah :

Vout = VZ + VBE ........... (8)

VBE adalah tegangan base-emitor dari transistor Q1 yang besarnya antara 0.2 - 0.7 volt tergantung dari jenis transistor yang digunakan. Dengan mengabaikan arus IB yang mengalir pada base transistor, dapat dihitung besar tahanan R2 yang diperlukan adalah :

R2 = (Vin - Vz)/Iz .........(9)

Iz adalah arus minimum yang diperlukan oleh dioda zener untuk mencapai tegangan breakdown zener tersebut. Besar arus ini dapat diketahui dari datasheet yang besarnya lebih kurang 20 mA.

gambar 7 : regulator zener follower

Jika diperlukan catu arus yang lebih besar, tentu perhitungan arus base IB pada rangkaian di atas tidak bisa diabaikan lagi. Dimana seperti yang diketahui, besar arus IC akan berbanding lurus terhadap arus IB atau dirumskan dengan IC = bIB. Untuk keperluan itu, transistor Q1 yang dipakai bisa diganti dengan tansistor darlington yang biasanya memiliki nilai b yang cukup besar. Dengan transistor darlington, arus base yang kecil bisa menghasilkan arus IC yang lebih besar.

Teknik regulasi yang lebih baik lagi adalah dengan menggunakan Op-Amp untuk men-drive transistor Q, seperti pada rangkaian gambar 8. Dioda zener disini tidak langsung memberi umpan ke transistor Q, melainkan sebagai tegangan referensi bagi Op-Amp IC1. Umpan balik pada pin negatif Op-amp adalah cuplikan dari tegangan keluar regulator, yaitu :

Vin(-) = (R2/(R1+R2)) Vout ....... (10)

Jika tegangan keluar Vout menaik, maka tegangan Vin(-) juga akan menaik sampai tegangan ini sama dengan tegangan referensi Vz. Demikian sebaliknya jika tegangan keluar Vout menurun, misalnya karena suplai arus ke beban meningkat, Op-amp akan menjaga kestabilan di titik referensi Vz dengan memberi arus IB ke transistor Q1. Sehingga pada setiap saat Op-amp menjaga kestabilan :

Vin(-) = Vz ......... (11)

gambar 8 : regulator dengan Op-amp

Dengan mengabaikan tegangan VBE transistor Q1 dan mensubsitusi rumus (11) ke dalam rumus (10) maka diperoleh hubungan matematis :

Vout = ( (R1+R2)/R2) Vz........... (12)

Pada rangkaian ini tegangan output dapat diatur dengan mengatur besar R1 dan R2.

Sekarang mestinya tidak perlu susah payah lagi mencari op-amp, transistor dan komponen lainnya untuk merealisasikan rangkaian regulator seperti di atas. Karena rangkaian semacam ini sudah dikemas menjadi satu IC regulator tegangan tetap. Saat ini sudah banyak dikenal komponen seri 78XX sebagai regulator tegangan tetap positif dan seri 79XX yang merupakan regulator untuk tegangan tetap negatif. Bahkan komponen ini biasanya sudah dilengkapi dengan pembatas arus (current limiter) dan juga pembatas suhu (thermal shutdown). Komponen ini hanya tiga pin dan dengan menambah beberapa komponen saja sudah dapat menjadi rangkaian catu daya yang ter-regulasi dengan baik.

gambar 9 : regulator dengan IC 78XX / 79XX

Misalnya 7805 adalah regulator untuk mendapat tegangan 5 volt, 7812 regulator tegangan 12 volt dan seterusnya. Sedangkan seri 79XX misalnya adalah 7905 dan 7912 yang berturut-turut adalah regulator tegangan negatif 5 dan 12 volt.

Selain dari regulator tegangan tetap ada juga IC regulator yang tegangannya dapat diatur. Prinsipnya sama dengan regulator OP-amp yang dikemas dalam satu IC misalnya LM317 untuk regulator variable positif dan LM337 untuk regulator variable negatif. Bedanya resistor R1 dan R2 ada di luar IC, sehingga tegangan keluaran dapat diatur melalui resistor eksternal tersebut.

Hanya saja perlu diketahui supaya rangkaian regulator dengan IC tersebut bisa bekerja, tengangan input harus lebih besar dari tegangan output regulatornya. Biasanya perbedaan tegangan Vin terhadap Vout yang direkomendasikan ada di dalam datasheet komponen tersebut. Pemakaian heatshink (aluminium pendingin) dianjurkan jika komponen ini dipakai untuk men-catu arus yang besar. Di dalam datasheet, komponen seperti ini maksimum bisa dilewati arus mencapai 1 A.

--end--

Asitektur Mikroprosesor

Sejak Intel mengeluarkan seri 4004 sekitar tahun 1970 dikenal ada dua jenis arsitektur mikroprosesor dilihat dari cara penggunaan memorinya. Jauh sebelum ini, pada tahun 1944 Howard Aiken dari Harvard University bekerja sama dengan engineer IBM membuat mesin electromechanical yang terbuat dari banyak sekali transistor tabung dan relay. Mesin ini dikenal sebagai komputer pertama di dunia yang diberi nama Harvard Mark I. Belakangan baru diketahui bahwa sebelumnya pada tahun 1941 Konrad Zuse dari Jerman sudah membuat mesin yang dapat diprogram dan bekerja dengan sistem biner. Namun karena Jerman kala itu terisolasi saat perang dunia ke-II, Harvard Mark I diyakini sebagai komputer pertama yang memakai prinsip digital.

Mesin Harvard ini tidak lain adalah mesin kalkulator yang dikendalikan oleh pita kertas yang berisi instruksi. Waktu itu belum terpikirkan konsep komputer yang memakai memori. Hanya sebelumnya Alan Turing seorang ahli matematika Inggris pada tahun 1939 mengemukanan konsep mesin universal (universal machine). Hampir satu dekade kemudian pada tahun 1945, Dr. John von Neumann ahli matematika yang lahir di Budapest Hongaria, membuat tulisan mengenai konsep komputer yang menurutnya penting untuk menyimpan instruksi dan data pada memori. Sehingga mesin komputer ini dapat bekerja untuk berbagai keperluan.

Dari dulu hingga saat ini konsep dasar dari komputer yang dikendalikan oleh program sekuensial masih sama, yaitu terdiri dari CPU, Memori dan I/O (input-output). CPU (Central Processing Unit) sendiri terdiri dari blok unit control dan ALU (Aritmathic Logic Unit). Konsep dasarnya semua sama, tetapi kemudian adalah bagaimana implementasi dan realisasinya. Desainer dan pabrik mikroprosesor membuatnya dengan arsitektur yang berbeda-beda.

Sebagai pionir era komputer digital, nama Harvard dan Von Neumann diadopsi untuk menggambarkan dua tipe arsitektur mikroprosesor. Kedua arsitektur itu berbeda pada cara penempatan memorinya dan dikenal dengan sebutan arsitektur Harvard dan arsitektur Von Neumann.

Arsitektur Von Neumann adalah arsitektur komputer yang menempatkan program (ROM=Read Only Memory) dan data (RAM=Random Access Memory) dalam peta memori yang sama. Arsitektur ini memiliki address dan data bus tunggal untuk mengalamati program (instruksi) dan data. Contoh dari mikrokontroler yang memakai arsitektur Von Neumann adalah keluarga 68HC05 dan 68HC11 dari Motorola.

Sebaliknya, arsitektur Harvard memiliki dua memori yang terpisah satu untuk program (ROM) dan satu untuk data (RAM). Intel 80C51, keluarga Microchip PIC16XX, Philips P87CLXX dan Atmel AT89LSXX adalah contoh dari mikroprosesor yang mengadopsi arsitektur Harvard. Kedua jenis arsitektur ini masing-masing memiliki keungulan tetapi juga ada kelemahannya.

Dengan arsitektur Von Neuman prosesor tidak perlu membedakan program dan data. Prosesor tipe ini tidak memerlukan control bus tambahan berupa pin I/O khusus untuk membedakan program dan data. Karena kemudahan ini, tidak terlalu sulit bagi prosesor yang berarsitektur Von Neumann untuk menambahan peripheral eksternal seperti A/D converter, LCD, EEPROM dan devais I/O lainnya. Biasanya devais eksternal ini sudah ada di dalam satu chips, sehingga prosesor seperti ini sering disebut dengan nama mikrokontroler (microcontroller).

Arsitektur Von Neumann

Keuntungan lain dengan arrrsitektur Von Neumann adalah pada fleksibilitas pengalamatan program dan data. Biasanya program selalu ada di ROM dan data selalu ada di RAM. Arsitektur Von Neumann memungkinkan prosesor untuk menjalankan program yang ada didalam memori data (RAM). Misalnya pada saat power on, dibuat program inisialisasi yang mengisi byte di dalam RAM. Data di dalam RAM ini pada gilirannya nanti akan dijalankan sebagai program. Sebaliknya data juga dapat disimpan di dalam memori program (ROM). Contohnya adalah data look-up-table yang ditaruh di ROM. Data ini ditempatkan di ROM agar tidak hilang pada saat catu daya mati. Pada mikroprosesor Von Neumann, instruksi yang membaca data look-up-table atau program pengambilan data di ROM, adalah instruksi pengalamatan biasa. Sebagai contoh, pada mikrokontroler 8bit Motorola 68HC11 program itu ditulis dengan :

LDAA $4000 ; A <-- $4000

Program ini adalah instruksi untuk mengisi accumulator A dengan data yang ada di alamat 4000 (ROM).

Instruksi tersebut singkat hanya perlu satu baris saja. Pada prinsipnya, kode biner yang ada di ROM atau di RAM bisa berupa program dan bisa juga berupa data.

Arsitektur Von Neumann bukan tidak punya kelemahan, diantaranya adalah bus tunggalnya itu sendiri. Sehingga instruksi untuk mengakses program dan data harus dijalankan secara sekuensial dan tidak bisa dilakukan overlaping untuk menjalankan dua isntruksi yang berurutan. Selain itu bandwidth program harus sama dengan banwitdh data. Jika memori data adalah 8 bits maka program juga harus 8 bits. Satu instruksi biasanya terdiri dari opcode (instruksinya sendiri) dan diikuti dengan operand (alamat atau data). Karena memori program terbatas hanya 8 bits, maka instruksi yang panjang harus dilakukan dengan 2 atau 3 bytes. Misalnya byte pertama adalah opcode dan byte berikutnya adalah operand. Secara umum prosesor Von Neumann membutuhkan jumlah clock CPI (Clock per Instruction) yang relatif lebih banyak dan walhasil eksekusi instruksi dapat menjadi relatif lebih lama.

Arsitektur Harvard

Pada mikroprosesor yang berarsitektur Harvard, overlaping pada saat menjalankan instruksi bisa terjadi. Satu instruksi biasanya dieksekusi dengan urutan fetch (membaca instruksi ), decode (pengalamatan), read (membaca data), execute (eksekusi) dan write (penulisan data) jika perlu. Secara garis besar ada dua hal yang dilakukan prosesor yaitu fetching atau membaca perintah yang ada di memori program (ROM) dan kemudian diikuti oleh executing berupa read/write dari/ke memori data (RAM). Karena pengalamatan ROM dan RAM yang terpisah, ini memungkinkan CPU untuk melakukan overlaping pada saat menjalankan instruksi. Dengan cara ini dua instruksi yang beurutan dapat dijalankan pada saat yang hampir bersamaan. Yaitu, pada saat CPU melakukan tahap executing instruksi yang pertama, CPU sudah dapat menjalankan fetching instruksi yang ke-dua dan seterusnya. Ini yang disebut dengan sistem pipeline, sehingga program keseluruhan dapat dijalankan relatif lebih cepat.

prinsip pipeline

Pada arsitektur Harvard, lebar bit memori program tidak mesti sama dengan lebar memori data. Misalnya pada keluarga PICXX dari Microchip, ada yang memiliki memori program dengan lebar 12,14 atau 16 bits, sedangkan lebar data-nya tetap 8 bits. Karena bandwith memori program yang besar (16 bits), opcode dan operand dapat dijadikan satu dalam satu word instruksi saja. Tujuannya adalah supaya instruksi dapat dilakukan dengan lebih singkat dan cepat.

Kedua hal di atas inilah yang membuat prosesor ber-arsitektur Harvard bisa memiliki CPI yang kecil. PICXX dari Microchip dikenal sebagai mikroprosesor yang memiliki 1 siklus mesin (machine cycle) untuk tiap instruksinya, kecuali instruksi percabangan.

Dari segi kapasitas memori, tentu arsitektur Harvard memberi keuntungan. Karena memori program dan data yang terpisah, maka kavling total memori program dan data dapat menjadi lebih banyak. Mikrokontroler 8bit Motorola 68HC05 memiliki peta memori 64K yang dipakai bersama oleh RAM dan ROM. Oleh sebab itu pengalamatan ROM dan RAM hanya dapat mencapai 64K dan tidak lebih. Sedangkan pada mikrokontroler Intel keluarga 80C51 misalnya, memori program (ROM) dan memori data (RAM) masing-masing bisa mencapai 64K.

Tetapi ada juga kekurangannya, arsitektur Harvard tidak memungkinkan untuk menempatkan data pada ROM. Kedengarannya aneh, tetapi arsitektur ini memang tidak memungkinkan untuk mengakses data yang ada di ROM. Namun hal ini bisa diatasi dengan cara membuat instruksi dan mekanisme khusus untuk pengalamatan data di ROM. Mikroprosesor yang memiliki instruksi seperti ini biasanya disebut ber-arsitektur Modified Harvard. Instruksi yang seperti ini dapat ditemukan pada keluarga MCS-51 termasuk Intel 80C51, P87CLXX dari Philips dan Atmel AT89LSXX. Tetapi instruksi itu keseluruhannya menjadi program yang lebih panjang seperti contoh program dengan 80C51 berikut ini.

MOV DPTR,#4000 ;DPTR = $4000

CLR A ;@A = 0

MOVC A,@A+DPTR ;A <-- (DPTR+@A)

Urutan program di atas adalah :

1. load/isi data pointer dengan #4000

2. set accumulator A = 0 sebagai offset

3. load/isi accumulator A dengan data di alamat 4000+offset

Bandingkan dengan instruksi 68HC11 yang cukup dengan satu instruksi LDAA $4000.

Seperti yang dikemukan pada tulisan ini, Arsitektur Harvard dan Von Neuman keduanya memiliki kelebihan sekaligus juga kekurangan. Dalam memilih prosesor tentu saja tidak hanya dengan mempertimbangkan arsitekturnya. Motorola dengan varian singlechip-nya ada yang dilengkapi dengan konventer A/D dan D/A, PWM control, port I/O, EEPROM dan sebagainya. Tetapi tidak ketinggalan juga keluarga Intel 80C51 dan klonnya, memperkenalkan bus serial I2C yang sangat praktis untuk penambahan devais eksternal. Intel based MCS-51 adalah arsitektur yang paling banyak diadopsi misalnya oleh Philips dan Atmel, sehingga kompatibilitas diantaranya semakin besar.

Karena desain arsitektur yang demikian, jumlah siklus mesin (machine cycle) per instruksi keluarga 68HC05/11 relatif lebih banyak dari keluarga 80C31/51. Misalnya instruksi 68HC05 Motorola untuk program percabangan, seperti contoh dibawah ini diselesaikan dengan 6 siklus mesin.

Motorola 68HC05/11 :

DECX

BNE LOOP

Intel 80C31/51 :

DJNZ R0,LOOP

Dibandingkan dengan 80C51 Intel, instruksi yang sama dapat diselesaikan dengan 2 siklus mesin saja.

Namun demikian satu siklus instruksi, kecepatannya ditentukan juga oleh peran kristal/osilator. Satu siklus mesin mikrokontroler Motorola adalah frekuensi kristal dibagi 4 sedangkan untuk Intel dibagi 12. Sehingga jika menggunakan kristal yang sesuai, program percabangan itu dapat diselesaikan oleh kedua contoh mikrokontroler di atas dalam waktu yang relatif sama.

-end-

Operational Amplifier

Operational Amplifier atau di singkat op-amp merupakan salah satu komponen analog yang popular digunakan dalam berbagai aplikasi rangkaian elektronika. Aplikasi op-amp popular yang paling sering dibuat antara lain adalah rangkaian inverter, non-inverter, integrator dan differensiator. Pada pokok bahasan kali ini akan dipaparkan beberapa aplikasi op-amp yang paling dasar, dimana rangkaian feedback (umpan balik) negatif memegang peranan penting. Secara umum, umpanbalik positif akan menghasilkan osilasi sedangkan umpanbalik negatif menghasilkan penguatan yang dapat terukur.


Op-amp ideal

Op-amp pada dasarnya adalah sebuah differential amplifier (penguat diferensial) yang memiliki dua masukan. Input (masukan) op-amp seperti yang telah dimaklumi ada yang dinamakan input inverting dan non-inverting. Op-amp ideal memiliki open loop gain (penguatan loop terbuka) yang tak terhingga besarnya. Seperti misalnya op-amp LM741 yang sering digunakan oleh banyak praktisi elektronika, memiliki karakteristik tipikal open loop gain sebesar 104 ~ 105. Penguatan yang sebesar ini membuat op-amp menjadi tidak stabil, dan penguatannya menjadi tidak terukur (infinite). Disinilah peran rangkaian negative feedback (umpanbalik negatif) diperlukan, sehingga op-amp dapat dirangkai menjadi aplikasi dengan nilai penguatan yang terukur (finite). Impedasi input op-amp ideal mestinya adalah tak terhingga, sehingga mestinya arus input pada tiap masukannya adalah 0. Sebagai perbandingan praktis, op-amp LM741 memiliki impedansi input Zin = 106 Ohm. Nilai impedansi ini masih relatif sangat besar sehingga arus input op-amp LM741 mestinya sangat kecil.

Ada dua aturan penting dalam melakukan analisa rangkaian op-amp berdasarkan karakteristik op-amp ideal. Aturan ini dalam beberapa literatur dinamakan golden rule, yaitu :


Aturan 1 : Perbedaan tegangan antara input v+ dan v- adalah nol (v+ - v- = 0 atau v+ = v- )

Aturan 2 : Arus pada input Op-amp adalah nol (i+ = i- = 0)


Inilah dua aturan penting op-amp ideal yang digunakan untuk menganalisa rangkaian op-amp.


Inverting amplifier

Rangkaian dasar penguat inverting adalah seperti yang ditunjukkan pada gambar 1, dimana sinyal masukannya dibuat melalui input inverting. Seperti tersirat pada namanya, pembaca tentu sudah menduga bahwa fase keluaran dari penguat inverting ini akan selalu berbalikan dengan inputnya. Pada rangkaian ini, umpanbalik negatif di bangun melalui resistor R2.

gambar 1 : penguat inverter

Input non-inverting pada rangkaian ini dihubungkan ke ground, atau v+ = 0. Dengan mengingat dan menimbang aturan 1 (lihat aturan 1), maka akan dipenuhi v- = v+ = 0. Karena nilainya = 0 namun tidak terhubung langsung ke ground, input op-amp v- pada rangkaian ini dinamakan virtual ground. Dengan fakta ini, dapat dihitung tegangan jepit pada R1 adalah vin – v- = vin dan tegangan jepit pada reistor R2 adalah vout – v- = vout. Kemudian dengan menggunakan aturan 2, di ketahui bahwa :

iin + iout = i- = 0, karena menurut aturan 2, arus masukan op-amp adalah 0.

iin + iout = vin/R1 + vout/R2 = 0

Selanjutnya

vout/R2 = - vin/R1 .... atau

vout/vin = - R2/R1

Jika penguatan G didefenisikan sebagai perbandingan tegangan keluaran terhadap tegangan masukan, maka dapat ditulis

…(1)

Impedansi rangkaian inverting didefenisikan sebagai impedansi input dari sinyal masukan terhadap ground. Karena input inverting (-) pada rangkaian ini diketahui adalah 0 (virtual ground) maka impendasi rangkaian ini tentu saja adalah Zin = R1.



Non-Inverting amplifier

Prinsip utama rangkaian penguat non-inverting adalah seperti yang diperlihatkan pada gambar 2 berikut ini. Seperti namanya, penguat ini memiliki masukan yang dibuat melalui input non-inverting. Dengan demikian tegangan keluaran rangkaian ini akan satu fasa dengan tegangan inputnya. Untuk menganalisa rangkaian penguat op-amp non inverting, caranya sama seperti menganalisa rangkaian inverting.


gambar 2 : penguat non-inverter

Dengan menggunakan aturan 1 dan aturan 2, kita uraikan dulu beberapa fakta yang ada, antara lain :

vin = v+

v+ = v- = vin ..... lihat aturan 1.

Dari sini ketahui tegangan jepit pada R2 adalah vout – v- = vout – vin, atau iout = (vout-vin)/R2. Lalu tegangan jepit pada R1 adalah v- = vin, yang berarti arus iR1 = vin/R1.

Hukum kirchkof pada titik input inverting merupakan fakta yang mengatakan bahwa :

iout + i(-) = iR1

Aturan 2 mengatakan bahwa i(-) = 0 dan jika disubsitusi ke rumus yang sebelumnya, maka diperoleh

iout = iR1 dan Jika ditulis dengan tegangan jepit masing-masing maka diperoleh

(vout – vin)/R2 = vin/R1 yang kemudian dapat disederhanakan menjadi :

vout = vin (1 + R2/R1)

Jika penguatan G adalah perbandingan tegangan keluaran terhadap tegangan masukan, maka didapat penguatan op-amp non-inverting :

… (2)

Impendasi untuk rangkaian Op-amp non inverting adalah impedansi dari input non-inverting op-amp tersebut. Dari datasheet, LM741 diketahui memiliki impedansi input Zin = 108 to 1012 Ohm.



Integrator

Opamp bisa juga digunakan untuk membuat rangkaian-rangkaian dengan respons frekuensi, misalnya rangkaian penapis (filter). Salah satu contohnya adalah rangkaian integrator seperti yang ditunjukkan pada gambar 3. Rangkaian dasar sebuah integrator adalah rangkaian op-amp inverting, hanya saja rangkaian umpanbaliknya (feedback) bukan resistor melainkan menggunakan capasitor C.


gambar 3 : integrator

Mari kita coba menganalisa rangkaian ini. Prinsipnya sama dengan menganalisa rangkaian op-amp inverting. Dengan menggunakan 2 aturan op-amp (golden rule) maka pada titik inverting akan didapat hubungan matematis :


iin = (vin – v-)/R = vin/R , dimana v- = 0 (aturan1)

iout = -C d(vout – v-)/dt = -C dvout/dt; v- = 0

iin = iout ; (aturan 2)


Maka jika disubtisusi, akan diperoleh persamaan :


iin = iout = vin/R = -C dvout/dt, atau dengan kata lain


...(3)


Dari sinilah nama rangkaian ini diambil, karena secara matematis tegangan keluaran rangkaian ini merupakan fungsi integral dari tegangan input. Sesuai dengan nama penemunya, rangkaian yang demikian dinamakan juga rangkaian Miller Integral. Aplikasi yang paling populer menggunakan rangkaian integrator adalah rangkaian pembangkit sinyal segitiga dari inputnya yang berupa sinyal kotak.

Dengan analisa rangkaian integral serta notasi Fourier, dimana

f = 1/t dan

…(4)

penguatan integrator tersebut dapat disederhanakan dengan rumus

…(5)

Sebenarnya rumus ini dapat diperoleh dengan cara lain, yaitu dengan mengingat rumus dasar penguatan opamp inverting

G = - R2/R1. Pada rangkaian integrator (gambar 3) tersebut diketahui

Dengan demikian dapat diperoleh penguatan integrator tersebut seperti persamaan (5) atau agar terlihat respons frekuensinya dapat juga ditulis dengan

…(6)

Karena respons frekuensinya yang demikian, rangkain integrator ini merupakan dasar dari low pass filter. Terlihat dari rumus tersebut secara matematis, penguatan akan semakin kecil (meredam) jika frekuensi sinyal input semakin besar.

Pada prakteknya, rangkaian feedback integrator mesti diparalel dengan sebuah resistor dengan nilai misalnya 10 kali nilai R atau satu besaran tertentu yang diinginkan. Ketika inputnya berupa sinyal dc (frekuensi = 0), kapasitor akan berupa saklar terbuka. Jika tanpa resistor feedback seketika itu juga outputnya akan saturasi sebab rangkaian umpanbalik op-amp menjadi open loop (penguatan open loop opamp ideal tidak berhingga atau sangat besar). Nilai resistor feedback sebesar 10R akan selalu menjamin output offset voltage (offset tegangan keluaran) sebesar 10x sampai pada suatu frekuensi cutoff tertentu.



Differensiator

Kalau komponen C pada rangkaian penguat inverting di tempatkan di depan, maka akan diperoleh rangkaian differensiator seperti pada gambar 4. Dengan analisa yang sama seperti rangkaian integrator, akan diperoleh persamaan penguatannya :

…(7)

Rumus ini secara matematis menunjukkan bahwa tegangan keluaran vout pada rangkaian ini adalah differensiasi dari tegangan input vin. Contoh praktis dari hubungan matematis ini adalah jika tegangan input berupa sinyal segitiga, maka outputnya akan mengahasilkan sinyal kotak.


gambar 4 : differensiator

Bentuk rangkain differensiator adalah mirip dengan rangkaian inverting. Sehingga jika berangkat dari rumus penguat inverting

G = -R2/R1

dan pada rangkaian differensiator diketahui :

maka jika besaran ini disubtitusikan akan didapat rumus penguat differensiator

…(8)


Dari hubungan ini terlihat sistem akan meloloskan frekuensi tinggi (high pass filter), dimana besar penguatan berbanding lurus dengan frekuensi. Namun demikian, sistem seperti ini akan menguatkan noise yang umumnya berfrekuensi tinggi. Untuk praktisnya, rangkain ini dibuat dengan penguatan dc sebesar 1 (unity gain). Biasanya kapasitor diseri dengan sebuah resistor yang nilainya sama dengan R. Dengan cara ini akan diperoleh penguatan 1 (unity gain) pada nilai frekuensi cutoff tertentu.


Penutup

Uraian diatas adalah rumusan untuk penguatan opamp ideal. Pada prakteknya ada beberapa hal yang mesti diperhatikan dan ditambahkan pada rangkaian opamp. Antara lain, Tegangan Ofset (Offset voltage), Arus Bias (Bias Current), Arus offset (offset current) dan lain sebagainya. Umumnya ketidak ideal-an op-amp dan bagaimana cara mengatasinya diterangkan pada datasheet opamp dan hal ini spesifik untuk masing-masing pabrikan.


Semiconductor

Semikonduktor

Prinsip Dasar

oleh aswan hamonangan

Semikonduktor merupakan elemen dasar dari komponen elektronika seperti dioda, transistor dan sebuah IC (integrated circuit). Disebut semi atau setengah konduktor, karena bahan ini memang bukan konduktor murni. Bahan- bahan logam seperti tembaga, besi, timah disebut sebagai konduktor yang baik sebab logam memiliki susunan atom yang sedemikian rupa, sehingga elektronnya dapat bergerak bebas.

Sebenarnya atom tembaga dengan lambang kimia Cu memiliki inti 29 ion (+) dikelilingi oleh 29 elektron (-). Sebanyak 28 elektron menempati orbit-orbit bagian dalam membentuk inti yang disebut nucleus. Dibutuhkan energi yang sangat besar untuk dapat melepaskan ikatan elektron-elektron ini. Satu buah elektron lagi yaitu elektron yang ke-29, berada pada orbit paling luar.

Orbit terluar ini disebut pita valensi dan elektron yang berada pada pita ini dinamakan elektron valensi. Karena hanya ada satu elektron dan jaraknya 'jauh' dari nucleus, ikatannya tidaklah terlalu kuat. Hanya dengan energi yang sedikit saja elektron terluar ini mudah terlepas dari ikatannya.

ikatan atom tembaga

Pada suhu kamar, elektron tersebut dapat bebas bergerak atau berpindah-pindah dari satu nucleus ke nucleus lainnya. Jika diberi tegangan potensial listrik, elektron-elektron tersebut dengan mudah berpindah ke arah potensial yang sama. Phenomena ini yang dinamakan sebagai arus listrik.

Isolator adalah atom yang memiliki elektron valensi sebanyak 8 buah, dan dibutuhkan energi yang besar untuk dapat melepaskan elektron-elektron ini. Dapat ditebak, semikonduktor adalah unsur yang susunan atomnya memiliki elektron valensi lebih dari 1 dan kurang dari 8. Tentu saja yang paling "semikonduktor" adalah unsur yang atomnya memiliki 4 elektron valensi.

Susunan Atom Semikonduktor

Bahan semikonduktor yang banyak dikenal contohnya adalah Silicon (Si), Germanium (Ge) dan Galium Arsenida (GaAs). Germanium dahulu adalah bahan satu-satunya yang dikenal untuk membuat komponen semikonduktor. Namun belakangan, silikon menjadi popular setelah ditemukan cara mengekstrak bahan ini dari alam. Silikon merupakan bahan terbanyak ke dua yang ada dibumi setelah oksigen (O2). Pasir, kaca dan batu-batuan lain adalah bahan alam yang banyak mengandung unsur silikon. Dapatkah anda menghitung jumlah pasir dipantai.

Struktur atom kristal silikon, satu inti atom (nucleus) masing-masing memiliki 4 elektron valensi. Ikatan inti atom yang stabil adalah jika dikelilingi oleh 8 elektron, sehingga 4 buah elektron atom kristal tersebut membentuk ikatan kovalen dengan ion-ion atom tetangganya. Pada suhu yang sangat rendah (0oK), struktur atom silikon divisualisasikan seperti pada gambar berikut.

struktur dua dimensi kristal Silikon

Ikatan kovalen menyebabkan elektron tidak dapat berpindah dari satu inti atom ke inti atom yang lain. Pada kondisi demikian, bahan semikonduktor bersifat isolator karena tidak ada elektron yang dapat berpindah untuk menghantarkan listrik. Pada suhu kamar, ada beberapa ikatan kovalen yang lepas karena energi panas, sehingga memungkinkan elektron terlepas dari ikatannya. Namun hanya beberapa jumlah kecil yang dapat terlepas, sehingga tidak memungkinkan untuk menjadi konduktor yang baik.

Ahli-ahli fisika terutama yang menguasai fisika quantum pada masa itu mencoba memberikan doping pada bahan semikonduktor ini. Pemberian doping dimaksudkan untuk mendapatkan elektron valensi bebas dalam jumlah lebih banyak dan permanen, yang diharapkan akan dapat mengahantarkan listrik. Kenyataanya demikian, mereka memang iseng sekali dan jenius.

Tipe-N

Misalnya pada bahan silikon diberi doping phosphorus atau arsenic yang pentavalen yaitu bahan kristal dengan inti atom memiliki 5 elektron valensi. Dengan doping, Silikon yang tidak lagi murni ini (impurity semiconductor) akan memiliki kelebihan elektron. Kelebihan elektron membentuk semikonduktor tipe-n. Semikonduktor tipe-n disebut juga donor yang siap melepaskan elektron.

doping atom pentavalen

Tipe-P

Kalau silikon diberi doping Boron, Gallium atau Indium, maka akan didapat semikonduktor tipe-p. Untuk mendapatkan silikon tipe-p, bahan dopingnya adalah bahan trivalen yaitu unsur dengan ion yang memiliki 3 elektron pada pita valensi. Karena ion silikon memiliki 4 elektron, dengan demikian ada ikatan kovalen yang bolong (hole). Hole ini digambarkan sebagai akseptor yang siap menerima elektron. Dengan demikian, kekurangan elektron menyebabkan semikonduktor ini menjadi tipe-p.

doping atom trivalen

Resistansi

Semikonduktor tipe-p atau tipe-n jika berdiri sendiri tidak lain adalah sebuah resistor. Sama seperti resistor karbon, semikonduktor memiliki resistansi. Cara ini dipakai untuk membuat resistor di dalam sebuah komponen semikonduktor. Namun besar resistansi yang bisa didapat kecil karena terbatas pada volume semikonduktor itu sendiri.

Dioda PN

Jika dua tipe bahan semikonduktor ini dilekatkan--pakai lem barangkali ya :), maka akan didapat sambungan P-N (p-n junction) yang dikenal sebagai dioda. Pada pembuatannya memang material tipe P dan tipe N bukan disambung secara harpiah, melainkan dari satu bahan (monolitic) dengan memberi doping (impurity material) yang berbeda.

sambungan p-n

Jika diberi tegangan maju (forward bias), dimana tegangan sisi P lebih besar dari sisi N, elektron dengan mudah dapat mengalir dari sisi N mengisi kekosongan elektron (hole) di sisi P.

forward bias

Sebaliknya jika diberi tegangan balik (reverse bias), dapat dipahami tidak ada elektron yang dapat mengalir dari sisi N mengisi hole di sisi P, karena tegangan potensial di sisi N lebih tinggi.

Dioda akan hanya dapat mengalirkan arus satu arah saja, sehingga dipakai untuk aplikasi rangkaian penyearah (rectifier). Dioda, Zener, LED, Varactor dan Varistor adalah beberapa komponen semikonduktor sambungan PN yang dibahas pada kolom khusus.

Transistor Bipolar

Transistor merupakan dioda dengan dua sambungan (junction). Sambungan itu membentuk transistor PNP maupun NPN. Ujung-ujung terminalnya berturut-turut disebut emitor, base dan kolektor. Base selalu berada di tengah, di antara emitor dan kolektor. Transistor ini disebut transistor bipolar, karena struktur dan prinsip kerjanya tergantung dari perpindahan elektron di kutup negatif mengisi kekurangan elektron (hole) di kutup positif. bi = 2 dan polar = kutup. Adalah William Schockley pada tahun 1951 yang pertama kali menemukan transistor bipolar.

Transistor npn dan pnp

Akan dijelaskan kemudian, transistor adalah komponen yang bekerja sebagai sakelar (switch on/off) dan juga sebagai penguat (amplifier). Transistor bipolar adalah inovasi yang mengantikan transistor tabung (vacum tube). Selain dimensi transistor bipolar yang relatif lebih kecil, disipasi dayanya juga lebih kecil sehingga dapat bekerja pada suhu yang lebih dingin. Dalam beberapa aplikasi, transistor tabung masih digunakan terutama pada aplikasi audio, untuk mendapatkan kualitas suara yang baik, namun konsumsi dayanya sangat besar. Sebab untuk dapat melepaskan elektron, teknik yang digunakan adalah pemanasan filamen seperti pada lampu pijar.

Bias DC

Transistor bipolar memiliki 2 junction yang dapat disamakan dengan penggabungan 2 buah dioda. Emiter-Base adalah satu junction dan Base-Kolektor junction lainnya. Seperti pada dioda, arus hanya akan mengalir hanya jika diberi bias positif, yaitu hanya jika tegangan pada material P lebih positif daripada material N (forward bias). Pada gambar ilustrasi transistor NPN berikut ini, junction base-emiter diberi bias positif sedangkan base-colector mendapat bias negatif (reverse bias).

arus elektron transistor npn

Karena base-emiter mendapat bias positif maka seperti pada dioda, elektron mengalir dari emiter menuju base. Kolektor pada rangkaian ini lebih positif sebab mendapat tegangan positif. Karena kolektor ini lebih positif, aliran elektron bergerak menuju kutup ini. Misalnya tidak ada kolektor, aliran elektron seluruhnya akan menuju base seperti pada dioda. Tetapi karena lebar base yang sangat tipis, hanya sebagian elektron yang dapat bergabung dengan hole yang ada pada base. Sebagian besar akan menembus lapisan base menuju kolektor. Inilah alasannya mengapa jika dua dioda digabungkan tidak dapat menjadi sebuah transistor, karena persyaratannya adalah lebar base harus sangat tipis sehingga dapat diterjang oleh elektron.

Jika misalnya tegangan base-emitor dibalik (reverse bias), maka tidak akan terjadi aliran elektron dari emitor menuju kolektor. Jika pelan-pelan 'keran' base diberi bias maju (forward bias), elektron mengalir menuju kolektor dan besarnya sebanding dengan besar arus bias base yang diberikan. Dengan kata lain, arus base mengatur banyaknya elektron yang mengalir dari emiter menuju kolektor. Ini yang dinamakan efek penguatan transistor, karena arus base yang kecil menghasilkan arus emiter-colector yang lebih besar. Istilah amplifier (penguatan) menjadi salah kaprah, karena dengan penjelasan di atas sebenarnya yang terjadi bukan penguatan, melainkan arus yang lebih kecil mengontrol aliran arus yang lebih besar. Juga dapat dijelaskan bahwa base mengatur membuka dan menutup aliran arus emiter-kolektor (switch on/off).

Pada transistor PNP, fenomena yang sama dapat dijelaskan dengan memberikan bias seperti pada gambar berikut. Dalam hal ini yang disebut perpindahan arus adalah arus hole.

arus hole transistor pnp

Untuk memudahkan pembahasan prinsip bias transistor lebih lanjut, berikut adalah terminologi parameter transistor. Dalam hal ini arah arus adalah dari potensial yang lebih besar ke potensial yang lebih kecil.

arus potensial

IC : arus kolektor

IB : arus base

IE : arus emitor

VC : tegangan kolektor

VB : tegangan base

VE : tegangan emitor

VCC : tegangan pada kolektor

VCE : tegangan jepit kolektor-emitor

VEE : tegangan pada emitor

VBE : tegangan jepit base-emitor

ICBO : arus base-kolektor

VCB : tegangan jepit kolektor-base

Perlu diingat, walaupun tidak perbedaan pada doping bahan pembuat emitor dan kolektor, namun pada prakteknya emitor dan kolektor tidak dapat dibalik.

penampang transistor bipolar

Dari satu bahan silikon (monolitic), emitor dibuat terlebih dahulu, kemudian base dengan doping yang berbeda dan terakhir adalah kolektor. Terkadang dibuat juga efek dioda pada terminal-terminalnya sehingga arus hanya akan terjadi pada arah yang dikehendaki.

-end-