SISKOM BAB 5

Elektronik Dasar 

A. Elektronika Dasar

Mempelajari elektronika pada dasarnya berhubungan dengan materi elektronika yang tampak dan tidak tampak. Materi elektronika yang tampak dapat dijumpai pada komponen elektronika, rangkaian elektronika, perangkat dan peralatan elektronik. Adapun materi elektronika tidak tampak berwujud sinyal yang diproses oleh sistem dan rangkaian elektronika secara spesifik. Materi yang tidak tampak dapat diukur dan dirasakan output-nya. Faktor penting yang dilakukan sebelum merangkai sebuah proyek elektronika (rangkaian) adalah menguji dan mengukur komponen terlebih dahulu untuk mengetahui kondisi dan besarannya sesuai kebutuhan. Sebab jika salah satu komponen rusak, maka rangkaian elektronik tersebut tidak akan bekerja dengan baik. Alat untuk menguji dan mengukur komponen elektronika bernama multimeter (AVO meter).

1. Kelistrikan

Kelistrikan identik dengan sifat benda yang muncul dari adanya muatan listrik. Suatu benda dinyatakan bermuatan listrik negatif jika kelebihan elektron, dan bermuatan listrik positif jika kekurangan elektron. Secara alami, muatan listrik positif selalu mengalir dari titik berpotensial tinggi menuju titik potensial rendah. Aliran ini disebut sebagai arah arus listrik konvensional. Namun sesungguhnya, muatan listrik yang bergerak di dalam konduktor merupakan muatan listrik negatif (elektron) dengan arah aliran elektron berbanding terbalik dengan arah aliran muatan positif.

Arus listrik identik dengan mengalirnya elektron secara berkesinambungan pada konduktor akibat perbedaan jumlah elektron pada beberapa lokasi yang jumlah elektronnya tidak sama. Arus listrik dibagi menjadi listrik arus searah (Direct Current/DC) yang arahnya tetap dan listrik arus bolak-balik (Alternating Current/AC) yang arusnya besar serta arahnya selalu berubah-ubah. Secara mendasar satuan SI untuk arus listrik adalah Ampere (A). Secara formal, satuan Ampere didefinisikan sebagai arus konstan. Bila dipertahankan satuan ini akan menghasilkan gaya sebesar 2 x 107 Newton/meter, yang mana di antara dua penghantar lurus yang sejajar dengan luas penampang diabaikan, serta berjarak 1 meter satu sama lain dalam ruang hampa udara.

2. Komponen Elektronika

Komponen elektronika berupa alat pendukung suatu rangkaian elektronik yang menempel langsung pada papan rangkaian PCB, CCB, protoboard maupun veroboard dengan cara disolder atau tidak menempel langsung pada papan rangkaian (dengan bantuan alat penghubung tertentu, misalnya kabel). Komponen elektronika ini terdiri atas satu atau beberapa unsur materi. Desain rangkaian yang diinginkan dapat berfungsi sesuai dengan fungsi masing-masing komponen, ada yang untuk mengatur arus dan tegangan, meratakan arus, menyekat arus, memperkuat sinyal arus dan masih banyak fungsi lainnya.

a. Resistor

Komponen ini berfungsi untuk mengatur aliran arus listrik. Misalnya resistor dipasang seri dengan LED (Light-Emitting Diode) untuk membatasi besar arus yang melalui LED. Resistor yang biasa kita jumpai memiliki nilai resistansi yang direpresentasikan oleh kode warna pada badan resistor. Ketika melewati resistor, energi listrik diubah menjadi energi panas. Oleh karena itu, resistor memiliki rating daya yang merepresentasikan seberapa besar arus maksimum yang diperkenankan melewati resistor.

Jenis-jenis resistor tetap, antara lain resistor kawat, resistor batang karbon. resistor keramik, resistor film karbon, dan resistor film metal. Sedangkan jenis-jenis yang termasuk ke dalam resistor variabel, antara lain potensiometer geser, Trimpot. NTC dan PTC, serta LDR. Rating daya resistor yang banyak digunakan adalah watt atau ½ watt. Resistor tersebut adalah resistor dengan label kode warna yang banyak di pasaran. Selain itu, ada pula resistor dengan rating tegangan 5 watt atau lebih besar. Untuk resistor jenis ini, nilai resistansi dan rating tegangannya dapat dibaca secara langsung di badan resistornya.

b. Kapasitor

Michael Faraday (1791-1867) merupakan orang yang pertama kali menemukan kapasitor, sehingga namanya diabadikan menjadi satuan farad (F). Kapasitor identik dengan komponen yang bekerja dengan menyimpan muatan. Aplikasi kapasitor di antaranya digunakan sebagai filter pada rangkaian penyearah tegangan. Desain kapasitor ada dua bentuk, yaitu aksial dan radial. Ada dua tipe kapasitor, yaitu polar dan nonpolar/bipolar. Perbedaan dari keduanya adalah pada ketentuan pemasangan kaki-kakinya. Polaritas pada kapasitor polar dapat diketahui melalui label polaritas (negatif atau positif) kaki kapasitornya atau panjang-pendek kaki-kakinya. Pemasangan kapasitor polar ini harus sesuai dengan polaritasnya. Sedangkan untuk pemasangan kapasitor nonpolar, tidak memiliki ketentuan pada pemasangan polaritas kaki-kakinya karena tidak memiliki label polaritasnya.

1) Kapasitor Polar

Kapasitor polar yang banyak dijumpai di pasaran, antara lain kapasitor elektrolit dan kapasitor tantalum. Hal ini dikarenakan rating tegangan keduanya sangat rendah, antara 6,3 volt - 35 volt. Pada badan kapasitor tersebut tercetak label polaritas yang menunjukkan polaritas kaki komponen yang sejajar dengan label polaritas tersebut.

2) Kapasitor Nonpolar

Kapasitor nonpolar memiliki rating tegangan paling kecil 50 volt. Kapasitor nonpolar yang banyak digunakan biasanya memiliki rating tegangan 250 volt atau lebih. Nilai kapasitansi kapasitor nonpolar yang tercetak pada label berupa kode angka atau kode warna.

3) Kapasitor Variabel

Kapasitor jenis ini biasanya digunakan di dalam rangkaian tuning radio. Nilai kapasitansinya relatif kecil, biasanya di antara 100 pF dan 500 pF.

4) Kapasitor Trimmer

Kapasitor trimmer adalah ukuran mini dari kapasitor variabel. Kapasitor ini didesain untuk dapat dipasangkan langsung pada PCB dan diatur nilainya hanya pada saat pembuatan rangkaian. Nilai kapasitansi kapasitor ini biasanya kurang dari 100 pF. Di dalam rentang nilai kapasitansinya, kapasitor trimmer memiliki nilai minimum yang lebih besar dari nol.

e. Transistor

Komponen ini berfungsi sebagai penguat arus. Karena besar arus yang dikuatkan dapat diubah ke dalam bentuk tegangan, maka dapat dikatakan juga bahwa transistor dapat menguatkan tegangan. Selain itu, transistor juga dapat berfungsi sebagai switch elektronik. Ada dua jenis transistor, yaitu NPN dan PNP. Transistor memiliki tiga kaki yang masing-masing harus dipasang secara tepat. Kesalahan pemasangan kaki-kaki transistor akan dapat merusakan transistor secara langsung. Perlu dicatat bahwa pada badan tran- sistor tidak ada label yang menunjukan bahwa kaki transistor tersebut adalah B, C, atau E. Dengan demikian, sebelum memasang sebuah transistor, pastikan di mana kaki B, C, dan E dengan membaca datasheet- nya. Di dalam penggunaannya harus pula diperhatikan dua rating: daya disipasi kolektor, yaitu VCE x IC, dan breakdown voltage, yaitu VBE reverse.

f. Transformator

Transformator disingkat trafo. Trafo terdiri atas dua buah lilitan yaitu lilitan primer dan lilitan sekunder. Trafo bekerja berdasarkan sistem perubahan gaya medan listrik, yang dapat digunakan untuk menaikkan atau menurunkan tegangan listrik AC.

g. Relay

Relay identik dengan sakelar (switch) elektrik yang bekerja berdasarkan medan magnet. Relay terdiri dari suatu lilitan dan switch mekanik yang akan bergerak jika terdapat arus listrik yang mengalir melalui lilitan. Susunan kontak pada relay adalah sebagai berikut.

I. Tranducer

Tranducer identik dengan pengoperasian kerja suatu rangkaian yang lebih mudah diukur atau dikendalikan oleh besaran listrik di mana terjadi perubahan dari suatu besaran ke besaran lainnya. Komponen elektronika yang termasuk ke dalam tranducer di antaranya LDR (Light Dependent Resistance), NTC (Negative Temperature Coeffisient), dan PTC (Positive Temperature Coeffisient).

3. Skema Rangkaian Elektronika

Skema rangkaian elektronika diperlukan sebagai panduan dalam pembuatan rangkaian elektronika. Skema rangkaian elektronika sebaiknya didesain dahulu sebelum melakukan proses pembuatan rangkaian elektronika. Proses pembuatan skema rangkaian elektronika dapat dilakukan dengan cara manual dan aplikasi komputer.

a. Layout PCB

Layout PCB (papan rangkaian tercetak) berfungsi merakit komponen-komponen elektronika menjadi rangkaian elektronika. Layout PCB sebagai hasil penerapan skema rangkaian elektronika yang telah disesuaikan dengan bentuk fisik kom- ponen dan tata letak komponen elektronika untuk membuat suatu sistem atau fungsi pemroses sinyal.

B. Merangkai Kelistrikan dan Komponen Elektronika

Guna membuat sebuah proyek elektronika, membutuhkan komponen elek- tronika, metode konstruksi, dan media untuk merangkai komponen. Media yang paling umum digunakan adalah PCB (Printed Circuit Board) yang terbuat dari pertinaks dilapisi tembaga tipis. PCB siap pakai yang tersedia di pasaran dapat digunakan untuk berbagai proyek elektronika, misalnya radio, amplifier, preamp Mic, pemancar, tone control, power supply, dan lain-lain.

1. Rangkaian Elektronika

Pada dasarnya, setiap rangkaian elektronika dibangun dengan tujuan untuk melakukan pemrosesan sinyal analog maupun digital. Rangkaian listrik identik dengan arus yang mengalir pada suatu rangkaian. Secara mendasar, rangkaian elektronika diklasifikasikan menjadi rangkaian terbuka dan rangkaian tertutup. Arus listrik akan mengalir pada rangkaian terbuka, dan akan terputus pada rangkaian tertutup. Bentuk penerapan dari rangkaian terbuka/tertutup dapat dilihat pada saklar.

a. Rangkaian Elektronika Menurut Jenisnya

Menurut jenisnya, rangkaian elektronika diklasifikasikan sebagai berikut.

1) Rangkaian Seri

Resistor yang disambung secara seri identik dengan jika ujung kaki belakang tahanan R disambungkan pada ujung kaki depan tahanan R, dan ujung kaki belakang R, disambungkan pada ujung kaki depan tahanan R, hingga seterusnya. Ketiga rangkaian resistor tersebut dapat diganti dengan satu resistor tanpa mengubah keadaan (baik arus maupun tegangan). Arus yang masuk pada rangkaian seri akan melewati tahanan R₁, R_{2} dan R_{3} Rangkaian seri memiliki arus yang sama disetiap masing-masing tahanan, sedangkan jumlah seluruh tegangan di setiap masing-masing tahanan sama dengan tegangan sumber.

2) Rangkaian Paralel

Tahanan (resistor) yang dihubungkan secara paralel dapat diketahui jika semua ujung kaki depan tahanan R_{1} R_{2} dan R_{3} disimpulkan pada satu titik dan semua ujung kaki belakangnya juga disambungkan atau disimpulkan pada satu titik. Hal yang perlu diperhatikan adalah besarnya arus yang melalui tiap tahanan akan berbeda sesuai dengan nilai tahanannya, sedangkan beda potensial setiap tahanan identik dengan tegangan sumber. Oleh sebab itu, arus yang masuk pada rangkaian tersebut akan terbagi di titik a, sebagian arus melalui R_{1} dan sebagiannya lagi melalui R_{2} serta sisanya R_{3} Jika arus yang melalui tahanan R_{1} dinyatakan dengan I₁, R_{2} dinyatakan dengan I_{2} dan R_{3} dinyatakan dengan maka bentuk persamaan rangkaian paralel adalah sebagai berikut.

c. Rangkaian Elektronika Menurut Prinsip Kerjanya

Menurut prinsip kerjanya, rangkaian elektronika diklasifikasikan sebagai berikut.

1) Rangkaian Elektronika Dasar

Rangkaian elektronika dasar merupakan gabungan 2 atau lebih komponen elektronika pasif yang telah membentuk suatu sistem pemroses sinyal. Bentuk- bentuk contoh rangkaian elektronika dasar di antaranya adalah pembagi arus, pembagi tegangan, filter LC, filter RC, dan filter RLC. Contoh rangkaian elektronika dasar tersebut dapat dikatakan sebagai rangkaian elektronika sederhana. Karena hanya dibangun oleh 2 atau 3 komponen elektronika pasif yang dirangkai seri maupun paralel.

2) Rangkaian Elektronika Bertingkat

Rangkaian elektronika bertingkat adalah pengembangan rangkaian elektronika dasar agar dapat memberikan performa yang lebih baik dari rangkaian elektronika dasar. Pada rangkaian elektronika bertingkat dibangun dari rangkai- an elektronika dasar yang ditambah suatu rangkaian penguat sederhana dan disusun 1 tingkat maupun beberapa tingkat.

3) Rangkaian Elektronika Kompleks

Rangkaian elektronika kompleks adalah rangkaian elektronika yang dibentuk dari beberapa rangkaian elektronika dasar dan bertingkat dengan beberapa fungsi pemroses sinyal berbeda yang disusun untuk membentuk suatu sistem pemroses sinyal terpadu. Sebagai contoh rangkaian elektronika kompleks adalah power supply dengan regulator arus dan tegangan, rangkaian mixer audio, rangkaian transmitter atau pemancar radio, rangkaian amplifier, dan rangkaian elektronika yang lain. Rangkaian elektronika yang telah membentuk suatu sistem pemroses sinyal yang diperjual belikan di toko elektronika sering disebut sebagai kit elektronik. Hal ini dikarenakan produk elektronik tersebut membentuk suatu bagian-bagian rangkaian elektronika. Apabila digabungkan akan membentuk suatu sistem atau perangkat elektronika yang lengkap.

2. Merakit Rangkaian Elektronika

Running LED identik dengan lampu berjalan yang dibangun menggunakan LED yang dengan urutan tertentu sehingga seperti berjalan pada saat dihidupkan. Aplikasi tersebut bisa dipasang sebagai aksesoris pada motor maupun hiasan dan ornamen yang membutuhkan cahaya berjalan yang menarik.

Decade counter pada running LED dapat menggunakan dua buah IC CMOS seri MC 14017 yang memiliki karakteristik mengaktifkan salah satu bit output serta mampu memberikan arus hingga 10 mA, di mana arus tersebut cukup untuk menyalakan sebuah LED dengan kecerahan yang bagus. Salah satu kelebihan dari IC CMOS adalah mampu bekerja secara baik dengan suplai tegangan yang memiliki area kerja sangat lebar (antara 3 VDC hingga 18 VDC). Adapun pulsa clock-nya dapat dibentuk menggunakan MC14011 (jenis IC CMOS gerbang NAND). Untuk mengatur frekuensi output dari osilator clock dapat menggunakan potensiometer R. Jika kecerahan LED dirasa kurang, maka nilai resistor R₁ dapat diganti menjadi 220 ohm agar nyala LED pada rangkaian running LED menjadi lebih cerah. Skema rangkaian listrik yang dibutuhkan adalah sebagai berikut.

Rangkaian osilator clock dibangun dari rangkaian MC14011, R₂, potensiometer R, dan kapasitor C₂. Frekuensi kerjanya diatur dengan mengatur nilai resistansi potensiometer R, tetapi dapat diperbesar pada nilai kapasitor C₂. Rangkaian C₁ dan R, akan mereset MC 14017 pada saat power-up. Pada saat pertama kali dihidupkan, kapasitor C, akan mengisi muatannya yang memunculkan tegangan di R₁, sehingga MC 14017 reset. Setelah beberapa saat, kapasitor C, akan penuh dan tegangan pada R, turun menuju 0 volt. Dalam kondisi seperti ini, maka MC 14017 mulai dari kondisi awal dimana Q akan aktif yang diikuti oleh Q, setelah MC 14017 mendapatkan pulsa clock. Setelah mendapatkan 10 kali pulsa clock, maka secara otmatis MC 14017 akan reset dan kembali pada kondisi awal yaitu pada Q kembali aktif. Sakelar SW, dan SW, digunakan untuk menentukan operasi 1 kerja dari running LED ini. Jika kedua sakelar ini terbuka, maka tidak ada LED yang bergerak. Semua LED akan diam pada posisi terakhirnya. Jika sakelar SW, ditutup, maka hanya LED D₁₁ sampai D20 saja yang bergerak. Jika hanya sakelar SW, saja yang ditutup maka hanya LED D₁-D₁ saja yang bergerak. Tetapi jika kedua sakelar ini ditutup maka semua LED akan bergerak. Urutan keaktifan dari output MC 14017 adalah sesuai dengan urutan output Q Q₁..., Q10.