Sub 11.4 (Fig 11.17, 11.23, 11.24)

[menuju akhir]

[KEMBALI KE MENU SEBELUMNYA]

DAFTAR ISI

1. Pendahuluan

2. Tujuan

3. Alat dan bahan

4. Dasar Teori

5. Prinsip Kerja

6. Problem

7. Soal Latihan

8. Percobaan

9. Download File

 

1. Pendahuluan (kembali)

           Dalam analisis rangkaian listrik, dikenal dua jenis sumber energi: sumber bebas (independent source) dan sumber terkendali (controlled source). Sumber bebas memiliki nilai tetap yang tidak bergantung pada elemen lain dalam rangkaian. Sebaliknya, sumber terkendali adalah elemen aktif yang besarannya ditentukan oleh tegangan atau arus pada bagian lain dari rangkaian tersebut. Sumber terkendali banyak digunakan dalam pemodelan komponen elektronik seperti transistor dan op-amp, sehingga pemahaman terhadap prinsip dan karakteristik sumber terkendali menjadi sangat penting dalam studi teknik elektro dan elektronika.

2. Tujuan (kembali)

• Memahami konsep dasar sumber terkendali serta perbedaannya dengan sumber bebas dalam rangkaian listrik.

• Mengidentifikasi dan membedakan jenis-jenis sumber terkendali, seperti VCVS, VCCS, CCVS, dan CCCS.

• Mampu menerapkan sumber terkendali dalam analisis rangkaian, baik menggunakan metode analitik seperti Hukum Kirchhoff, analisis nodal dan mesh, maupun simulasi perangkat lunak.

• Menjelaskan peran penting sumber terkendali dalam pemodelan komponen aktif, seperti transistor, op-amp, dan perangkat elektronik lainnya.

• Mengembangkan kemampuan analisis dan desain rangkaian yang melibatkan sumber terkendali untuk keperluan aplikasi elektronika dan sistem kendali.

3. Alat dan Bahan (kembali)

-opamp 

-resistor 

-ground

-Power supply

4. Dasar Teori (kembali)

Sumber terkendali (controlled source atau dependent source) adalah elemen aktif dalam rangkaian yang memberikan tegangan atau arus berdasarkan input dari tegangan atau arus di lokasi lain dalam rangkaian. Terdapat empat jenis utama dari sumber terkendali:

1. VCCS (Voltage-Controlled Current Source)
   Arus keluaran tergantung pada tegangan di bagian lain rangkaian.
   Bentuk umum:

·       di mana g adalah transkonduktansi (S), dan Vx adalah tegangan pengendali.

·       VCVS (Voltage-Controlled Voltage Source)
Tegangan keluaran tergantung pada tegangan di bagian lain rangkaian.
Bentuk umum:

·      -  di mana μμ adalah penguatan tegangan (unitless).

·      -  CCCS (Current-Controlled Current Source)
Arus keluaran tergantung pada arus di bagian lain rangkaian.
Bentuk umum:

·     - di mana ββ adalah penguatan arus.

·     - CCVS (Current-Controlled Voltage Source)
Tegangan keluaran tergantung pada arus di bagian lain rangkaian.
Bentuk umum:

1. di mana $r$ adalah transimpedansi (Ohm).

Sumber terkendali biasanya digunakan untuk memodelkan komponen elektronik aktif, seperti transistor, karena karakteristik mereka sangat cocok dengan perilaku penguatan arus dan tegangan.

5. Prinsip Kerja (kembali)

Sumber terkendali bekerja dengan memanfaatkan informasi dari titik tertentu dalam rangkaian sebagai input pengendali, yang kemudian mempengaruhi nilai dari arus atau tegangan yang dihasilkan oleh sumber tersebut. Input pengendali ini tidak mengonsumsi daya (idealnya), sehingga tidak memengaruhi titik pengukuran aslinya.

Contohnya, pada sebuah VCVS, jika tegangan input $V_x$ meningkat, maka tegangan output dari sumber juga akan meningkat secara proporsional, sesuai dengan konstanta penguatannya. Hal ini memungkinkan elemen ini untuk mengatur atau memperkuat sinyal dalam berbagai konfigurasi rangkaian elektronik.

6. Problem (kembali)

Soal 1 – VCVS (Voltage-Controlled Voltage Source) Circuit

Deskripsi:
Sebuah rangkaian penguat non-inverting menggunakan op-amp ideal memiliki resistor umpan balik $R_f = 100\,k\Omega$ dan resistor input $R_{in} = 20\,k\Omega$. Tegangan input $V_{in}$ sebesar 0.5 V diberikan ke input.

Pertanyaan:

1. Hitung tegangan output $V_{out}$ dari op-amp.

2. Gambar skema rangkaiannya.

3. Apakah rangkaian ini memenuhi karakteristik VCVS? Jelaskan.

 jawaban :

Diketahui:

• $R_f = 100\,k\Omega$

• $R_{in} = 20\,k\Omega$

• $V_{in} = 0.5\,V$

• Op-amp ideal, konfigurasi non-inverting. 

Rumus penguat non-inverting:

Penjelasan VCVS:

• Output tegangan dikendalikan oleh tegangan input.

• Ada penguatan linier berdasarkan nilai resistor → sesuai karakteristik VCVS.

• Jadi, rangkaian ini adalah implementasi praktis dari VCVS menggunakan op-amp.

Soal 2 – CCCS (Current-Controlled Current Source) dengan Transistor

Deskripsi:
Rangkaian berikut menggunakan dua transistor NPN (Q1 dan Q2) dalam konfigurasi current mirror. Arus input $I_{in}$ sebesar 1 mA diberikan ke kolektor Q1. Asumsikan transistor identik dan memiliki $\beta$ sangat besar.

Pertanyaan:

1. Berapa besar arus keluaran $I_{out}$ pada kolektor Q2?

2. Jelaskan bagaimana konfigurasi ini mewakili bentuk praktis dari CCCS.

3. Bagaimana efek mismatch (ketidaksamaan) antara Q1 dan Q2 terhadap kinerja rangkaian?

Diketahui:

• Dua transistor NPN identik (current mirror)

• $I_{in} = 1\,mA$

• $\beta$ besar → abaikan arus basis

Jawaban:

1. Karena transistor identik dan konfigurasi cermin arus:

   $${\mathrm{I }}_{ou\mathrm{t }}{\mathrm{I }}_{i\mathrm{n }}=1mA$$

   
   

2. Penjelasan CCCS:

   • Arus keluaran dikendalikan oleh arus input.

   • Tidak tergantung tegangan beban (selama dalam batas kerja transistor).

   • Implementasi praktis CCCS menggunakan pasangan transistor.

3. Efek mismatch:

   • Jika Q1 dan Q2 tidak identik, maka arus output tidak akan sama dengan input.

   • Dapat menyebabkan kesalahan cermin arus → kurang akurat.

   • Penting menggunakan transistor berpasangan atau chip IC yang presisi.

Soal 3 – Analisis Kombinasi VCVS dan CCCS

Deskripsi:
Sebuah rangkaian terdiri atas dua blok:

• Blok A: VCVS dengan gain 5, menguatkan sinyal input $V_{in}$.

• Blok B: CCCS yang menghasilkan arus keluaran sebesar $2 \times I_{ref}$, dengan $I_{ref}$ berasal dari beban yang dikendalikan oleh $V_{out}$ dari blok A. $V_{in} = 1\,V$, dan beban yang terhubung menghasilkan $I_{ref} = \frac{V_{out}}{10\,k\Omega}$.

Pertanyaan:

1. Hitung nilai $V_{out}$ dari blok A.

2. Tentukan $I_{ref}$ dan $I_{out}$ dari blok B.

3. Sebutkan aplikasi praktis dari kombinasi VCVS dan CCCS seperti ini.

Diketahui:

• Blok A: VCVS dengan gain 5

• $V_{in} = 1\,V$

• Beban resistif $10\,k\Omega$

• Blok B: CCCS dengan gain 2 terhadap arus $I_{ref}$

Jawaban:

1. Tegangan output dari blok A:

   $$V_{out} = 5 \cdot V_{in} = 5 \cdot 1 = 5\,V$$

2. Arus referensi (lewat beban 10kΩ):

   $$I_{ref} = \frac{V_{out}}{R} = \frac{5\,V}{10\,k\Omega} = 0.5\,mA$$

   CCCS menghasilkan arus output:

   $$I_{out} = 2 \cdot I_{ref} = 2 \cdot 0.5\,mA = 1\,mA$$

3. Aplikasi praktis:

• Rangkaian kontrol arus beban yang tergantung pada sinyal tegangan input.

• Driver LED atau aktuator yang membutuhkan kontrol arus presisi berdasarkan tegangan sensor.

• Rangkaian sistem penguat dan konversi sinyal (analog signal conditioning)

7. Soal Latihan (kembali)

Soal 1 – Practical VCVS (Voltage-Controlled Voltage Source)

Sebuah op-amp digunakan sebagai VCVS, dengan tegangan input $V_{in}$ masuk ke non-inverting terminal, dan feedback resistif antara output dan inverting input. Nilai $R_1$= 10\,k\Omega, $R_2 = 40\,k\Omega$.

Pertanyaan:

Berapa tegangan output jika $V_{in} = 0.5\,V$?

A. 0.5 V
B. 1 V
C. 2.5 V
D. 5 V

Jawaban: C. 2.5 V

Penjelasan:

Rumus gain untuk non-inverting amplifier (VCVS):

$$V_{out} = V_{in} \cdot \left(1 + \frac{R_2}{R_1}\right) = 0.5 \cdot (1 + 4) = 0.5 \cdot 5 = 2.5\,V$$

Soal 3 – Sirkuit Pengendali Tegangan dan Arus

Perhatikan konfigurasi: Sebuah VCVS mengendalikan tegangan input ke rangkaian CCCS. Output VCVS diatur agar memberikan tegangan sesuai input sensor, dan CCCS memberi arus tetap ke beban.

Pertanyaan:

Apa manfaat menggunakan kombinasi VCVS dan CCCS dalam satu sistem?

A. Menurunkan daya sistem
B. Mengurangi noise sepenuhnya
C. Mengatur tegangan dan arus secara fleksibel dan terisolasi
D. Meningkatkan efisiensi LED

Jawaban: C. Mengatur tegangan dan arus secara fleksibel dan terisolasi

Penjelasan:

Menggunakan VCVS memungkinkan pengaturan tegangan yang presisi, dan CCCS memberi arus konstan ke beban (misalnya transistor atau LED array), yang penting untuk kestabilan dan kontrol daya di sistem elektronik.

$$8.\; Percobaan$$ (kembali)

$$9.\; Download\; File$$(kembali)

10.video simulasi (klik disini)