chapter 12&13

[KEMBALI KE MENU SEBELUMNYA]

DAFTAR ISI

1. Pendahuluan

2. Tujuan

3. Alat dan Bahan

4. Dasar Teori

5. Percobaan

6. Link Download

1. Pendahuluan[Kembali]

     Dalam dunia elektronika modern, simulasi berbasis lomputer mnjadi alat penting  untuk merancangg, menguji dan menganalisis perfolrma rangkaian tanpa hharus merangkai langsung perangkat keras nya. 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 mempelajaari simulasi komparator berbasis op-amp untuk mengontrol mengontrol LED , dan osilator brbasis IC 555 timer yang umum digunakan dalam aplikasi digital dan kontrol.

2. Tujuan[Kembali]

• memahami konsep dasar dan fungsi rangkaian komparator menggunakan op-amp
• menganalisis respon output komparator terhadap perubahan tegangan input input melalui simulasi sweep
• menbganalisis respon LED sebagai komparator hasil indikator
• mempelajari konfigurasi IC 555 timer sebagai  transient multi vibrator
• menentukan t naik dan t turun
• mengasah keterampilan dalam menggunakan PSpice

3. Alat dan Bahan[Kembali]

Komparator (Op-Amp, misalnya 741)
LED dan resistor pembatas arus
Sumber tegangan DC
Tegangan input variabel (Vi)
VPRINT dan IPRINT (komponen PSpice untuk mengukur tegangan dan arus)
IC 555 Timer
Resistor RA dan RB
Kapasitor (C)
Ground dan VCC
Probe untuk menampilkan grafik (transien atau DC)

4. Dasar Teori[Kembali]

A. Dasar Teori

a. Komparator Op-Amp
Komparator menggunakan op-amp dalam mode open-loop untuk membandingkan dua tegangan input: non-inverting (+) dan inverting (−). Jika tegangan pada input non-inverting lebih besar dari input inverting, maka output akan menuju tegangan saturasi positif; sebaliknya, akan menuju saturasi negatif.
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).

Gambar 13.32 menunjukkan rangkaian pembagi tegangan yang memberikan tegangan referensi sebesar 6 V ke input inverting (−) dari op-amp. Dengan konfigurasi ini, jika tegangan input (Vi) di bawah 6 V, output op-amp akan berada pada tegangan saturasi negatif (mendekati 0 V). Sebaliknya, jika Vi di atas 6 V, output akan berada pada tegangan saturasi positif (mendekati 10 V).
LED terhubung sedemikian rupa sehingga akan menyala ketika output op-amp berada pada tegangan tinggi (sekitar 10 V), yaitu saat Vi > 6 V. Jika Vi < 6 V, output rendah (sekitar 0 V) dan LED akan mati.
Gambar 13.34 menyajikan tabel yang menunjukkan tegangan output dan arus LED untuk nilai Vi antara 4 V hingga 8 V. Tabel tersebut menunjukkan bahwa arus LED hampir nol untuk Vi hingga 6 V, dan sekitar 20 mA ketika Vi mencapai atau melebihi 6 V, yang cukup untuk menyalakan LED.
Program 13.2—Operasi Komparator
Operasi IC komparator dapat didemonstrasikan menggunakan op-amp 741 seperti yang ditunjukkan pada Gambar 13.35. Sinyal input berupa gelombang sinusoidal dengan puncak 5 V diterapkan ke input non-inverting (+). Analisis dilakukan secara transien dengan langkah cetak 20 ns dan waktu simulasi 3 ms. Karena sinyal input diterapkan ke input non-inverting, output akan sefase dengan input. Ketika input melebihi 0 V, output akan berada pada tegangan saturasi positif (sekitar 5 V). Sebaliknya, ketika input di bawah 0 V, output akan berada pada tegangan saturasi negatif, yaitu 0 V karena tegangan suplai negatif diatur ke 0 V.

b. IC 555 Timer sebagai Osilator
IC 555 dapat dikonfigurasi sebagai astable multivibrator, menghasilkan gelombang persegi tanpa perlu pemicu eksternal. Periode osilasi ditentukan oleh waktu pengisian dan pengosongan kapasitor melalui dua resistor RA dan RB:
Thigh= 0.7(RA + RB)C
Tlow = 0.7(RB)C 
f = 1/Thigh+Tlow 

Output akan berosilasi antara logika tinggi (sekitar 5V) dan rendah (0V).

B. Example

C. Problem

Soal 1  Comparator Mengontrol LED

Deskripsi:

Sebuah rangkaian komparator menggunakan op-amp ideal. Input (+) terhubung ke tegangan sensor $V_{sensor}$, dan input (–) ke tegangan referensi $V_{ref}=2.5V$. Output op-amp terhubung ke LED (dengan resistor 330Ω ke ground). Op-amp diberi suplai $+5V$ dan ground.

Pertanyaan:

1. Apa yang terjadi pada LED jika $V_{sensor}=3V$?

2. Apa yang terjadi jika $V_{sensor}=2V$?

3. Jelaskan fungsi komparator pada rangkaian ini.

     Jawaban Soal 1:

1. Karena $V_{sensor}=3V>V_{ref}=2.5V$, maka output op-amp = HIGH (sekitar +5 V).
   LED akan menyala.

2. Karena $V_{sensor}=2V<V_{ref}=2.5V$, maka output op-amp = LOW (0 V).
   LED mati.

3. 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:

• $R_1=1k\mathrm{\Omega }$

• $R_2=3k\mathrm{\Omega }$

• $C=1\mu F$

Pertanyaan:

1. Hitung periode $T$ dan frekuensi output.

2. Hitung duty cycle dari sinyal output.

3. Apa yang terjadi jika $R_2$ diganti dengan nilai lebih besar?

    Jawaban Soal 2:

    Rumus:

• $T=0.693\cdot (R_1+2R_2)\cdot C$

• $f=\frac{1}{T}$

• Duty cycle $D=\frac{R_1+R_2}{R_1+2R_2}\cdot 100\mathrm{\%}$

$$T=0.693\cdot (1k+2\cdot 3k)\cdot 1\mu F=0.693\cdot 7k\cdot 1\mu F=4.851ms$$$$f=\frac{1}{4.851\times {10}^{-3}}\approx 206Hz$$

                                     f=4.851×10−31​≈206Hz

$$D=\frac{1k+3k}{1k+6k}\cdot 100\mathrm{\%}=\frac{4}{7}\cdot 100\mathrm{\%}\approx 57.1\mathrm{\%}$$

                                            D=1k+6k1k+3k​⋅100%=74​⋅100%≈57.1%

3. Jika $R_2$ 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:

1. Pada suhu berapa LED mulai berkedip?

2. Jika suhu = 45°C, apakah LED berkedip? Jelaskan.

3. Mengapa komparator dihubungkan ke pin RESET 555?

Jawaban Soal 3:

1. Sensor: 10 mV/°C →
   $V_{sensor}=10mV\cdot T$
   Supaya $V_{sensor}>0.4V$:

   $$T>\frac{0.4}{0.01}={40}^{\circ }C$$

   → LED mulai berkedip saat suhu > 40°C

1. Suhu = 45°C → $V_{sensor}=0.45V>0.4V$ → Output komparator HIGH → pin RESET aktif → 555 aktif → LED berkedip

2. Pin RESET 555 digunakan untuk mengaktifkan atau menonaktifkan 555. Komparator bertindak sebagai saklar suhu, hanya mengizinkan 555 bekerja saat suhu melewati ambang.

D. Latihan Soal

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 $V_{+}>V_{-}$, 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:

• $R_1=1k\mathrm{\Omega }$

• $R_2=2k\mathrm{\Omega }$

• $C=1\mu F$

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:

$$f=\frac{1.44}{(R_1+2R_2)\cdot C}=\frac{1.44}{(1k+4k)\cdot 1\mu F}=\frac{1.44}{5\times {10}^{-3}}=288Hz$$

Namun, pilihan terdekat yang umum digunakan adalah 231 Hz jika nilai $R_2$ 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.

5. Percobaan[Kembali]

Rangkaian fig. 13.32

Prosedur kerja

komparator op-amp

1. buka soft ware pc pice dan rangkai rangkaian sesuai gambar 13.32
2. pasang tegangan referensi 6V pada input - op-amp
3. sambungkan input Vi ke input (+) melalui dc sweep
4. pasang LED, resistor pembatas arus, VPRINT dan IPRINT
5. atur analisi set-up dengan mode dc sweep dari 4V-8V, step 1V
6. jalankan simulasi dan amati hasil output tegangan dan arus LED pada probe atau outputlist

Prinsip Kerja

komparator op-amp

1. rangkaian memberi tegangaan referensi 6V pada (-) op-amp
2. ketika Vi<6V output saturasi negatif maka LED mati
3. ketika Vi>6V output saturasi positif maka LED hidup
4. output dan arus LED diamati pada VPRINT dan IPRINT
5. DCsweep dilakukan dari Vi=4V sampai 8V untuk melihat perubahan

Rangkaian fig. 13.37

Prosedur kerjaa

IC 555 Timer

1. Gambarkan rangkaian 555 sesuai dengan fig 13.37
2. atur konfigurasi sebagai astable multivibrator
3. gunakan transient analisis waktu simulasi 3ms , step time 20ns
4. tempelkan probe pada pin output dan kapassitor untuk melihat benyuk gelombang
5. jalankan simulassi dengan analisis T_high, T_low dan frekuensi output

Prinsip Kerja

IC 555 Timer

1. kapasitor C akan mengisi melalui RA dan RB
2. saat tegangan mencapai batas atas  (sekitar 2/3 VCC) flip flop internal mengubah keadaan output menjadi rendah
3. kapasitor kemuan mengosong melalui RB hingga tegangan turun menjadi 1/3 VCC dan output kembali tinggi
4. proses ini terus berulang hingga menghasilkan gelombang persegi pada output

6. Link Download[Kembali]

Rangkaian 13.32 disini

Rangkaian 13.37 disini