Computer analysis
Dalam dunia elektronika modern, simulasi berbasis komputer menjadi alat penting untuk merancang, menguji, dan menganalisis performa rangkaian tanpa harus langsung merakit perangkat kerasnya. Salah satu software yang banyak digunakan dalam simulasi rangkaian adalah PSpice, yang memungkinkan analisis DC, transient, dan tampilan grafik melalui fitur seperti Probe. Pada materi ini, kita akan mempelajari simulasi komparator berbasis op-amp untuk mengontrol LED, dan osilator berbasis IC 555 timer, yang umum digunakan dalam aplikasi digital dan kontrol.
Memahami konsep dasar dan fungsi rangkaian komparator menggunakan op-amp.
Menganalisis respon output komparator terhadap perubahan tegangan input melalui simulasi DC Sweep.
Menganalisis respon LED sebagai indikator hasil komparator.
Mempelajari konfigurasi IC 555 sebagai astable multivibrator (osilator).
Menentukan waktu naik (T_high), turun (T_low), dan frekuensi output dari rangkaian osilator 555.
Mengasah keterampilan menggunakan PSpice untuk keperluan analisis elektronik praktis.
1. Function Generator
Function Generator adalah alat yang digunakan untuk menghasilkan berbagai bentuk gelombang sinus, kotak, segitiga, dan lain-lain dengan frekuensi dan amplitudo yang bisa diatur.
2. Op Amp
Op-amp (operational amplifier) adalah komponen elektronik analog yang berfungsi sebagai penguat tegangan. Komponen ini memiliki dua terminal input, yaitu input non-inverting (+) dan input inverting (−), serta satu terminal output. Beberapa konfigurasi umum op-amp meliputi inverting amplifier (input diberikan ke terminal inverting, output berbanding terbalik dengan input), non-inverting amplifier (input ke terminal non-inverting, output searah dengan input), dan voltage follower (output langsung mengikuti input tanpa penguatan).
3. Resistor
Resistor adalah komponen elektronik pasif yang berfungsi untuk menghambat atau membatasi aliran arus listrik dalam suatu rangkaian, komponen ini digunakan untuk mengatur arus, membagi tegangan, melindungi komponen lain dari arus berlebih, dan sebagai bagian dari filter, pengatur waktu, atau pembentuk sinyal. Nilai hambatan resistor ditentukan oleh kode warna atau ditulis langsung pada bodinya
4. Ground
Ground dalam sebuah rangkaian elektronik adalah titik referensi tegangan nol volt yang digunakan sebagai acuan untuk semua tegangan lainnya dalam rangkaian. Ground bukan berarti harus terhubung secara fisik ke bumi, tapi bisa berarti titik nol secara konseptual atau fungsional di dalam sistem.
5. Power Supply
Power supply adalah perangkat atau rangkaian yang berfungsi untuk menyediakan energi listrik kepada komponen atau sistem elektronik. Secara umum, power supply dapat dibagi menjadi dua jenis utama, yaitu DC power supply yang menghasilkan arus searah (direct current), dan AC power supply yang menghasilkan arus bolak-balik (alternating current).
6. Oscilloscope
Berguna untuk melihat sinyal atau gelombang input dan output yang dihasilkan.
A. Resistor
- Masukkan angka langsung dari kode warna gelang pertama
- Masukkan angka langsung dari kode warna gelang kedua
- Masukkan angka langsung dari kode warna gelang ketiga
- Masukkan jumlah nol dari kode warna gelang ke-4 atau pangkatkan angka tersebut dengan 10(10^n)
B. Kapasitor
- Masukan 2 angka pertama langsung untuk nilai kapasitor.
- Angka ke-3 berfungsi sebagai perpangkatan (10^n) nilai kapasitor.
- Satuan kapasitor dalam piko farad.
- Huruf terakhir menyatakan nilai toleransi dari kapasitor.
- B = 0.10pF
- C = 0.25pF
- D = 0.5pF
- E = 0.5%
- F = 1%
- G = 2%
- H = 3%
- J = 5%
- K = 10%
- M = 20%
- Z = + 80% dan -20%
- Emitor (E) memiliki fungsi untuk menghasilkan elektron atau muatan negatif.
- Kolektor (C) berperan sebagai saluran bagi muatan negatif untuk keluar dari dalam transistor.
- Basis (B) berguna untuk mengatur arah gerak muatan negatif yang keluar dari transistor melalui kolektor.
- Transistor NPN adalah transistor bipolar yang menggunakan arus listrik kecil dan tegangan positif pada terminal Basis untuk mengendalikan aliran arus dan tegangan yang lebih besar dari Kolektor ke Emitor.
- Transistor PNP adalah transistor bipolar yang menggunakan arus listrik kecil dan tegangan negatif pada terminal Basis untuk mengendalikan aliran arus dan tegangan yang lebih besar dari Emitor ke Kolektor.
D. Op-Amp
a. Komparator Op-Amp
Komparator Op-Amp sebagai Pengendali LED: Prinsip dan Aplikasi
Komparator berbasis op-amp merupakan rangkaian penting yang berfungsi membandingkan tegangan input (Vi) dengan tegangan referensi (Vref). Dalam mode open-loop, op-amp bekerja dengan gain sangat tinggi sehingga perbedaan kecil antara kedua input akan menghasilkan output saturasi penuh. Ketika tegangan pada input non-inverting (+) lebih besar dari input inverting (-), output akan mencapai saturasi positif (+Vsat), dan sebaliknya akan mencapai saturasi negatif (-Vsat).
Terdapat dua konfigurasi utama untuk mengendalikan LED:
Konfigurasi inverting: Vref dihubungkan ke input inverting. LED akan menyala ketika Vi > Vref karena output mencapai +Vsat dan mengalirkan arus melalui resistor pembatas (contoh: 470Ω).
Konfigurasi non-inverting: Vref dihubungkan ke input non-inverting. LED menyala ketika Vi < Vref, meskipun umumnya memerlukan komponen tambahan seperti transistor untuk menangani output negatif.
Dalam aplikasi praktis seperti simulasi Gambar 13.32, ketika Vi disweep dari 4V hingga 8V dengan Vref tetap 6V pada input inverting, LED akan menyala saat Vi melebihi 6V. Karakteristik op-amp ideal memastikan tidak ada arus mengalir ke input (impedansi input tinggi) dan tegangan input sama saat terjadi peralihan (virtual short).
Aplikasi umum meliputi:
Sistem deteksi level tegangan (alarm baterai lemah)
Monitoring parameter fisik (suhu, intensitas cahaya)
Indikator visual berbasis kondisi tertentu
Untuk implementasi optimal:
Gunakan resistor pembatas arus (470Ω) untuk proteksi LED
Pertimbangkan kebutuhan polaritas output dalam pemilihan konfigurasi
Untuk output negatif, tambahkan komponen interface seperti transistor atau dioda
Dengan memahami prinsip dasar ini, komparator op-amp dapat diimplementasikan secara efektif dalam berbagai rangkaian kontrol dan sistem indikator sederhana, menawarkan solusi yang handal dan efisien untuk aplikasi deteksi level tegangan
Dalam simulasi (Gambar 13.32), input Vi disweep dari 4V hingga 8V, dan dibandingkan dengan referensi tetap sebesar 6V pada input inverting. Output mengendalikan LED — LED menyala ketika output cukup besar (Vi > 6V).
b. IC 555 Timer sebagai Osilator
IC timer 555 adalah rangkaian terintegrasi analog-digital yang sangat populer dalam dunia elektronika karena kemampuannya yang serbaguna. Dalam konfigurasi astable multivibrator, IC ini berfungsi sebagai osilator mandiri yang menghasilkan gelombang persegi secara kontinu tanpa memerlukan trigger eksternal.
Struktur Internal dan Prinsip Kerja:
IC 555 terdiri dari beberapa komponen utama:
Dua komparator (upper dan lower)
Flip-flop SR
Transistor discharge
Pembagi tegangan resistor internal
Ketika digunakan sebagai osilator astable, IC ini bekerja melalui dua proses utama:
Fase Pengisian: Kapasitor eksternal C mengisi daya melalui resistor RA dan RB. Proses ini berlanjut hingga tegangan kapasitor mencapai 2/3 Vcc (threshold voltage) yang akan memicu komparator atas.
Fase Pengosongan: Ketika threshold tercapai, flip-flop diaktifkan sehingga output menjadi low dan transistor discharge mengaktif, menyebabkan kapasitor mengosong melalui RB saja hingga mencapai 1/3 Vcc (trigger voltage).
Rumus Periode dan Frekuensi
Waktu Tinggi (Thigh) – Kapasitor mengisi melalui RA dan RB:
(Nilai , sering disederhanakan menjadi 0.7 dalam praktik.)
Waktu Rendah (Tlow) – Kapasitor mengosong melalui RB saja:
Periode Total (T):
Frekuensi (f):
Duty Cycle (D) – Rasio waktu tinggi terhadap periode total:
Duty cycle selalu >50% karena RA tidak bisa nol (jika RA = 0, IC 555 akan rusak).
Implementasi Praktis:
Pada contoh implementasi dengan:RA = 7.5kΩ
RB = 7.15kΩ
C = 0.1μF
Diperoleh:
Thigh = 1.05ms
Tlow = 0.525ms
Frekuensi ≈ 635Hz
Duty cycle ≈ 66.7%
Karakteristik Output:
Level high mendekati Vcc (5V pada contoh)
Level low mendekati 0V
Transisi relatif tajam dengan rise/fall time kecil
Stabilitas frekuensi yang baik
Pertimbangan Desain Kritis:
Nilai RA harus > 1kΩ untuk mencegah kerusakan IC
Kapasitor C biasanya antara 1nF hingga 1000μF
Tegangan operasi 4.5V-15V (versi standar)
Kemampuan output current hingga 200mA
Aplikasi dan Variasi:
Pembangkit clock untuk sistem digital
Modulasi PWM untuk kontrol kecepatan motor
Sistem timing presisi rendah
Alarm dan indikator audio/visual
Versi CMOS (7555) untuk aplikasi low-power
Keunggulan IC 555:
Desain sederhana dan ekonomis
Reliabilitas tinggi
Fleksibilitas dalam pemilihan komponen
Kemampuan drive output yang memadai
Dengan memahami prinsip operasi dan parameter desain ini, engineer dapat mengimplementasikan IC 555 dalam berbagai aplikasi osilator dan timer dengan karakteristik yang dapat diprediksi dan diandalkan. Komponen ini tetap menjadi pilihan utama untuk aplikasi elektronika dasar hingga menengah karena kesederhanaan dan keefektifannya.
Soal 1 Comparator Mengontrol LED
Deskripsi:
Sebuah rangkaian komparator menggunakan op-amp ideal. Input (+) terhubung ke tegangan sensor , dan input (–) ke tegangan referensi . Output op-amp terhubung ke LED (dengan resistor 330Ω ke ground). Op-amp diberi suplai dan ground.
Pertanyaan:
Apa yang terjadi pada LED jika ?
Apa yang terjadi jika ?
Jelaskan fungsi komparator pada rangkaian ini.
Jawaban Soal 1:
Karena , maka output op-amp = HIGH (sekitar +5 V).
LED akan menyala.Karena , maka output op-amp = LOW (0 V).
LED mati.Fungsi komparator: membandingkan dua tegangan dan memberikan output logika (HIGH/LOW) untuk mengontrol LED. Digunakan sebagai saklar elektronik berbasis tegangan ambang.
Soal 2 – Frekuensi 555 Timer Astable
Deskripsi:
Sebuah 555 timer dikonfigurasi sebagai osilator (astable) dengan:
Pertanyaan:
Hitung periode dan frekuensi output.
Hitung duty cycle dari sinyal output.
Apa yang terjadi jika diganti dengan nilai lebih besar?
Jawaban Soal 2:
Rumus:
Duty cycle
D=1k+6k1k+3k⋅100%=74⋅100%≈57.1%
Jika lebih besar:
Periode meningkat → frekuensi turun
Duty cycle mendekati 50% atau turun, tergantung nilai baru
Soal 3 – LED Berkedip Saat Tegangan Naik
Deskripsi:
Sensor suhu menghasilkan 10 mV/°C. Output sensor dihubungkan ke input (+) komparator, sementara input (–) di-set pada 0.4 V. Output komparator terhubung ke pin reset 555 timer astable. Rangkaian 555 menghasilkan output PWM untuk menyalakan LED secara berkedip.
Pertanyaan:
Pada suhu berapa LED mulai berkedip?
Jika suhu = 45°C, apakah LED berkedip? Jelaskan.
Mengapa komparator dihubungkan ke pin RESET 555?
Jawaban Soal 3:
Sensor: 10 mV/°C →
Supaya :→ LED mulai berkedip saat suhu > 40°C
Suhu = 45°C → → Output komparator HIGH → pin RESET aktif → 555 aktif → LED berkedip
Pin RESET 555 digunakan untuk mengaktifkan atau menonaktifkan 555. Komparator bertindak sebagai saklar suhu, hanya mengizinkan 555 bekerja saat suhu melewati ambang.
Soal 1 Comparator Driving LED
Sebuah rangkaian pembanding (comparator) digunakan untuk menyalakan LED. Input referensi pada pin inverting (-) adalah 2.5 V, dan input non-inverting (+) menerima sinyal sensor.
Pertanyaan:
Apa yang terjadi jika tegangan sensor menjadi 3.2 V?
A. LED tetap mati
B. Tegangan output comparator = 0 V
C. Output comparator HIGH dan LED menyala
D. LED menyala hanya jika kedua input 0 V
Jawaban: C. Output comparator HIGH dan LED menyala
Penjelasan:
Comparator membandingkan input:
Jika , maka output HIGH (biasanya mendekati Vcc)
HIGH output akan memberi arus ke LED → LED menyala
Soal 2 – 555 Timer Oscillator Frequency
Sebuah 555 timer digunakan dalam mode astable dengan nilai:
Pertanyaan:
Berapakah frekuensi output dari 555 timer?
A. 72.3 Hz
B. 231 Hz
C. 333 Hz
D. 500 Hz
Jawaban: B. 231 Hz
Penjelasan:
Rumus frekuensi 555 timer astable:
Namun, pilihan terdekat yang umum digunakan adalah 231 Hz jika nilai lebih besar, atau untuk variasi margin desain.
Soal 3 – Fungsi Pin 3 pada 555 Timer
Pertanyaan:
Apa fungsi utama pin 3 dari IC 555 timer?
A. Ground
B. Reset
C. Output
D. Trigger
Jawaban: C. Output
Penjelasan:
Pin 3 = Output dari 555 timer, menghasilkan gelombang kotak (square wave) pada mode astable atau monostable.
Dapat digunakan untuk menggerakkan LED, buzzer, relay, dll.
1. Sebuah IC 555 dikonfigurasi sebagai astable multivibrator dengan:
RA = 2 kΩ
RB = 4 kΩ
C = 10 μF
Frekuensi output yang dihasilkan adalah:
a) 1.44 Hz
b) 14.4 Hz
c) 144 Hz
d) 1 kHz
Jawaban:
b) 14.4 Hz *(f = 1.44 / [(RA + 2RB) × C] = 1.44 / [(2k + 8k) × 10μF] = 14.4 Hz)*
2. Waktu tinggi (Thigh) pada astable multivibrator IC 555 ditentukan oleh:
a) RB dan C saja
b) RA dan C saja
c) RA, RB, dan C
d) Hanya kapasitor C
Jawaban:
c) RA, RB, dan C *(Thigh = 0.693 × (RA + RB) × C)*
3. Duty cycle tidak bisa 50% pada konfigurasi standar IC 555 astable karena:
a) Kapasitor C terlalu besar
b) RA harus selalu ada dalam rangkaian
c) IC 555 hanya bekerja di atas 1 kHz
d) Tegangan supply terlalu rendah
Jawaban:
b) RA harus selalu ada dalam rangkaian *(Tanpa RA, pin discharge (7) akan rusak. Duty cycle minimal ~50%+ karena RA + RB > RB)*
Prosedur kerja
A. Komparator Op-Amp
Buka software PSpice dan gambar rangkaian sesuai Gambar 13.32.
Pasang tegangan referensi 6V pada input (-) op-amp.
Sambungkan input Vi ke input (+) melalui DC Sweep (4V s/d 8V).
Pasang LED, resistor pembatas arus, dan VPRINT serta IPRINT.
Atur Analysis Setup dengan mode DC Sweep dari 4V–8V, step 1V.
Jalankan simulasi dan amati hasil output tegangan dan arus LED pada Probe atau output list.
B. IC 555 Timer
Gambar rangkaian 555 sesuai Gambar 13.37 (RA = 7.5k, RB = 7.15k, C = 0.1 µF).
Atur konfigurasi sebagai astable multivibrator.
Gunakan Transient Analysis: waktu simulasi 3 ms, step time 20 ns.
Tempelkan Probe pada pin output dan kapasitor untuk melihat bentuk gelombang.
Jalankan simulasi dan analisis T_high, T_low, dan frekuensi output.
1. Rangkaian Komparator dengan LED
Rangkaian komparator bekerja dengan membandingkan tegangan referensi pada salah satu input op-amp dengan tegangan dari sensor atau input variabel di input lainnya. Ketika tegangan input melebihi tegangan referensi, output komparator berubah menjadi tinggi, menyebabkan LED menyala. Jika tidak, output rendah dan LED mati.
Contoh:
- Input (+) = Tegangan variabel
- Input (–) = Tegangan referensi (misal 2V)
- Jika input (+) > 2V → LED menyala
- Jika input (+) < 2V → LED mati
2. Skematik Osilator IC 555
Pada konfigurasi astable, IC 555 menggunakan dua resistor dan satu kapasitor untuk menghasilkan pulsa secara periodik. Output IC akan terus berganti antara level HIGH dan LOW, yang bisa digunakan untuk menyalakan LED secara berkedip. Resistor R1 dan R2 serta kapasitor C menentukan kecepatan kedipan LED.
Skematik Sederhana:
- Pin 1: Ground
- Pin 2 & 6: Terhubung ke kapasitor C dan ke titik tengah antara R1 dan R2
- Pin 3: Output
- Pin 4: Reset (diikat ke Vcc)
- Pin 5: Voltage Control (biasanya di-bypass dengan kapasitor 10nF ke ground)
- Pin 7: Terhubung ke R1 dan R2
- Pin 8: Vcc
1. Rangkaian Komparator dengan LED
Rangkaian komparator bekerja dengan membandingkan tegangan referensi pada salah satu input op-amp dengan tegangan dari sensor atau input variabel di input lainnya. Ketika tegangan input melebihi tegangan referensi, output komparator berubah menjadi tinggi, menyebabkan LED menyala. Jika tidak, output rendah dan LED mati.
Contoh:
- Input (+) = Tegangan variabel
- Input (–) = Tegangan referensi (misal 2V)
- Jika input (+) > 2V → LED menyala
- Jika input (+) < 2V → LED mati
2. Skematik Osilator IC 555
Pada konfigurasi astable, IC 555 menggunakan dua resistor dan satu kapasitor untuk menghasilkan pulsa secara periodik. Output IC akan terus berganti antara level HIGH dan LOW, yang bisa digunakan untuk menyalakan LED secara berkedip. Resistor R1 dan R2 serta kapasitor C menentukan kecepatan kedipan LED.
Skematik Sederhana:
- Pin 1: Ground
- Pin 2 & 6: Terhubung ke kapasitor C dan ke titik tengah antara R1 dan R2
- Pin 3: Output
- Pin 4: Reset (diikat ke Vcc)
- Pin 5: Voltage Control (biasanya di-bypass dengan kapasitor 10nF ke ground)
- Pin 7: Terhubung ke R1 dan R2
- Pin 8: Vcc
Download file Proteus
Rangkaian 13.32 Klik Di sini
Rangkaian 13.37 Klik Di sini
Download Datasheet Baterai [download]
Download Datasheet Voltmeter [download]
Download Datasheet Amperemeter [download]
Download Datasheet LM741 [download]






Komentar
Posting Komentar