Wednesday, December 2, 2009

Umpan Balik (Feedback)

UMPAN BALIK (FEED BACK) NEGATIF

Dalam sistem kendali umpan balik sebagian dari output dikembalikan ke input. Sinyal yang kembali ini bergabung dengan input asal, yang menghasilkan perubahan besar dalam penampilan dari sistem. Umpan Balik Negatif, berarti sinyal yang kembali mempunyai fase yang melawan sinyal input. Keuntungan dari umpan balik negatif adalah menstabilkan penguatan memperbaiki impedansi input dan output, mengurangi efek distorsi nonlinear, dan menambah lebar pita. Suatu penguat umpan balik mempunyai dua bagian yaitu sebuah penguat dan sebuah rangkaian umpan balik. Tergantung pada hubungan output, tegangan output atau arus yang menggerakkan rangkaian umpan balik. Rangkaian umpan balik mengembalikan sinyal ke input yang memodifikasi semua gerak dari sistem. Tujuan utama umpan balik adalah memungkinkan input secara persis mengendalikan output.

Ada empat hubungan umpan balik dasar yakni rangkaian umpan balik Seri-Paralel (SP), umpan balik Paralel-Paralel (PP), umpan balik Seri-Seri (SS), dan umpan balik Paralel-Seri (PS). Dari keempat jenis hubungan tersebut, masing-masing mempunyai sifat-sifat yang khusus yang secara ideal cocok untuk aplikasi tertentu namun yang paling banyak dipakai adalah umpan balik SP dan PP.

Umpan Balik

SP

PP

SS

PS

Hubungan Input

Seri

Paralel

Seri

Paralel

Sinyal Input

V in

I in

Vin

I in

Hubungan Paralel

Paralel

Paralel

Seri

Seri

Sinyal Output

V out

V out

I out

I out

Rasio yang distabilkan

V out / V in

V out / I in

I out / V in

I out / I in

Umpan Balik Negatif Seri-Paralel (SP)

Pada Rangkaian Umpan Balik Seri-Paralel (SP) input dari penguat dan rangkaian umpan balik dalam hubungan seri, tetapi output dalam hubungan parallel. Dengan hubungan ini variabel input pengontrol adalah Vin dan variabel output yang dikontrol adalah Vout. semua tujuan dari umpan balik SP adalah menghasilkan kestabilan tinggi dan rasio yang tepat dari Vout/Vin. Dalam suatu sistem kendali umpan balik SP input ke penguat dalam disebut tegangan kesalahan (error). Tegangan ini adalah perbedaan antara sinyal input dan sinyal umpan balik. Dalam sistem kendali tipikal, tegangan kesalahan mendekati nol alasannya adalah penguat tegangan A sangat tinggi dari 10.000 sampai lebih dari 1.000.000. karena ayunan tegangan output dari kebanyakan penguat sekitar 10V, tegangan kesalahan pada frekuensi rendah adalah pada suatu tempat dalam daerah microvolt. Karenanya dibandingkan dengan tegangan sinyal lain dalam rangkaian, Verror adalah kecil tak berarti. (Verror 0).

Penguatan tegangan keseluruhan dari penguat umpan balik SP adalah stabil dan harganya tetap serta teliti karena perubahan yang terjadi dalam tegangan output diberikan kembali ke input yang menyebabkan tegangan kesalahan berubah dalam arah yang berlawanan. Efek keseluruhannya adalah tegangan output sebenarnya tidak tergantung dari perubahan dari penguatan A. Di titik terakhir, penguatan dalam A disebut Penguatan Loop Terbuka karena merupakan penguatan yang akan kita peroleh jika lintasan umpan balik dibuka. Disisi lain penguatan keseluruhan dari sistem ASP disebut Penguatan Loop Tertutup karena merupakan penguatan yang akan kita peroleh jika ada loop tertutup atau lintasan sinyal penuh disekitar rangkaian.

Penguat dalam mempunyai impedansi (frekuensi yang membandingkan antara penguat dan tahanan) input Zin dan impedansi Zout. Tetapi penguat keseluruhan mempunyai impedansi input Zin(SP). Impedansi input bertambah jika Vin bertambah maka I in juga bertambah sehingga menimbulkan tegangan kesalahan yang lebih besar dari tegangan output yang lebih besar. Akibatnya tegangan umpan balik BV out bertambah melawan pertambahan semula dalam I in. ini berarti umpan balik negatif SP menambah impedansi input yang terlihat oleh sumber. Impedansi output berkurang jika RL berkurang maka I out bertambah sehingga menimbulkan jatuh tegangan yang lebih besar pada impedansi Thevein Zout dari penguat dalam. Hal ini menghasilkan tegangan output Vout yang lebih rendah tetapi kemudian tegangan umpan balik BVout juga berkurang. Hal ini menyebabkan Verror bertambah dan hampir sepenuhnya mengofset pengurangan tegangan output yang semula. Dengan kata lain, walaupun RL berkurang, tegangan output menujukkan hampir sama sekali tidak berubah, dibandingkan dengan yang akan terjadi tanpa umpan balik. Hal ini berarti bahwa umpan balik negatif SP mengurangi impedansi output.

Dengan mengorbankan penguatan loop terbuka, kita dapat melakukan perbaikan yang besar mengenai penguatan loop tertutup. Seperti yang telah ditunjukkan lebih dulu, stabilitas penguatan diperbaiki, impedansi input bertambah dan impedansi output berkurang. Tingkat sinyal yang besar mempunyai distorsi non linear karena penguatan tegangannya berubah pada titik yang berbeda dalam siklus. Misalnya, setengah siklus positif mungkin diperpanjang dan setengah siklus negatif mungkin diperpendek. Perubahan dalam penguatan dalam merupakan sebeb cacat nonlinear. Umpan balik negatif SP mengurangi distorsi nonlinear karena umpan balik tersebut menghilangkan efek dari perubahan penguatan dalam. Selama perioda loop terbuka jauh lebih besar dari pada penguatan loop tertutup, tegangan output hampir tidak dipengaruhi dalam menimbulkan cacat dari sinyal yang dapat diabaikan. Umpan Balik Negatif SP juga dapat menambah lebar pita karena penguatan loop terbuka jauh lebih besar dari pada penguatan loop tertutup. Jika penguatan dalam diturunkan 3dB, penguatan loop tertutup masih mendekati 1/B ini berarti lebar pita dari penguat keseluruhan lebih besar dari pada lebar pita dari penguat dalam. Umpan Balik SP tidak mempunyai pengaruh pada slew rate atau lebar pita daya sampai tegangan output mendapat kesempatan untuk berubah tidak ada sinyal umpan balik dan tidak ada manfaat dari umpan balik negatif.

Umpan Balik Negatif Paralel-Paralel (PP)

Pada Rangkaian Umpan Balik Negatif Paralel-Paralel (PP), tegangan input menggerakkan terminal inverting dari penguat sedangkan terminal non inverting ditanahkan ke sinyal output yang diperkuat dan dibalik kemudian dimasukkan ke ujung kanan dari resistor umpan balik R. cara yang termudah untuk mendapatkan apa yag dilakukan rangkaian adalah memilerkannya yaitu memecah R menjadi dua komponen Miller. Jika penguat adalah rangkaian diskrit, kita dapat mengharapkan penguatan sebesar 100 atau lebih; jika penguat adalah penguat operatif, penguatan akan lebih baik dari 10.000. Arus yang dapat diabaikan mengalir kedalam penguat dalam dan hampir semua I in mengalir melalui resistansi input Miller. Perbedaan antara umpan balik negatif SP dan PP yakni impedansi input SP mendekati tak terhingga, sedangkan impedansi input PP mendekati nol. Karena impedansi input sangat rendah, input inverting disebut pertanahan semu (Virtual Ground). Ini berarti input inverting bekerja sebagai titik pertanahan dalam arti bahwa tegangan kesalahan kira-kira nol. Dipihak lain input inverting bukan titik pertanahan yang sesungguhnya karena dia tidak melepaskan arus input; hampir seluruh arus input mengalir melalui resistor umpan balik R karena adanya efek Miller.

Konsep pertanahan semu menyederhanakan analisa dari rangkaian penguat operatif inverting sehingga penting untuk mengingat dua ide tentang pertanahan semu berikut ini :

1. Input inverting adalah pada potensial tanah (secara ideal)

2. Semua arus input mengalir melalui resistor umpan balik (secara ideal)

Seperti pada umpan balik SP, umpan balik PP membuat impedansi output Thevein mendekati nol. Dengan kata lain, rangkaian output cenderung untuk bekerja sebagai sumber tegangan yang sempurna. Harga dari Zout(PP) tergantung pada impedansi sumber Rs yang dihubungkan ke input inverting. Dengan penurunan yang serupa dengan yang diberikan umpan balik negatif SP. Penguat umpan balik negatif PP mendekati konverter arus-tegangan yang sempurna pada sebuah alat dengan impedansi input nol, impedansi output nol dan hubungan yang tetap antara Iin dan Vout. Dengan Umpan balik negatif PP kita dapat membuat ammeter elektronik yang resistansinya mendekati nol.

Umpan Balik Negatif Seri-Seri (SS)

Pada umpan balik negatif seri-seri (SS), tegangan input menggerakkan terminal input non-inverting. Tegangan umpan balik menggerakkan terminal input inverting. Karena hubungan input seri, impedansi input mendekati tak terhingga dengan penurunan langsung seperti penurunan untuk umpan balik SP. Sedangkan output dari penguat umpan balik SS bekerja seperti sumber arus. Sebuah umpan balik negatif SS secara ideal bertingkah laku seperti Konverter tegangan ke arus yang sempurna, suatu alat dengan impedansi input tak terhingga, impedansi output tak terhingga dan hubungan tetap antara Vin dan I out.

Umpan Balik Negatif Paralel-Seri (PS)

Pada umpan balik negatif Paralel-Seri (PS) arus input menggerakkan terminal inverting, terminal non-inverting ditanahkan. Karena efek miller, input inverting dalam adalah pertanahan semu (virtual ground). Dengan kata lain Zin(PS) mendekati nol demikian juga hubungan output seri cenderung untuk bertindak sebagai sumber arus sempurna yaitu Zout(PS) mendekati tak terhingga. Dengan umpan balik PS, variabel input adalah I in dan variabel output adalah I out.

Hubungan output paralel sering dipandang sebagai umpan balik tegangan karena tegangan output dari penguat menggerakkan rangkaian umpan balik tersebut. Umpan balik tegangan menstabilkan tegangan output terhadap perubahan dalam penguatan loop terbuka, impedansi dalam, dan sebagainya. Dengan perkataan lain, umpan balik tegangan cenderung membuat rangkaian output bekerja sebagai sumber tegangan sempurna. Dipihak lain hubungan output seri sering dipandang sebagai umpan balik arus. Karena arus output menggerakkan rangkaian umpan balik. Umpan balik arus menstabilkan arus output terhadap perubahan dalam penguatan loop terbuka, impedansi dalam, dan sebagainya. Dengan kata lain umpan balik arus membuat rangkaian output bekerja hampir seperti sebuah sumber arus yang sempurna.

Sinyal umpan balik yang kembali dapat dipasang seri atau paralel dengan input seperti yang telah ditunjukkan, hubungan input seri menimbulkan impedansi input yang mendekati tak terhingga. Dengan hubungan ini variabel input yang mengontrol adalah tegangan Vin dengan kata lain, hubungan input paralel menghasilkan impedensi input yang mendekati nol; dalam hal ini, veriabel input yang mengontrol adalah arus Iin.

SP

PP

SS

PS

Rasio Stabil

Vout / Vin

Vout / Iin

Iout / Vin

Iout / Iin

Impedansi input

Bertambah

Berkurang

Bertambah

Berkurang

Impedansi output

Berkurang

Berkurang

Bertambah

Bertambah

Distorsi

Berkurang

Berkurang

Berkurang

Berkurang

Lebar pita

Bertambah

Bertambah

Bertambah

Bertambah

Rangkaian ekivalen

Penguatan tegangan

Konverter arus ke tegangan

Konverter tegangan ke arus

Penguatan Arus

UMPAN BALIK (FEED BACK) POSITIF

Penggunaan utama dari umpan balik positif adalah dalam osilator. Rangkaian yang membangkitkan sinyal output tanpa sinyal input. Dalam sebuah osilator, sebagian dari output diberikan kembali ke input; sinyal umpan balik ini adalah satu-satunya input ke penguat dalam.

Gambar diatas menunjukkan Sebuah tegangan V yang menggerakkan terminal kesalahan (error terminals) dari penguat. Sinyal yang diperkuat AV menggerakkan rangkaian umpan balik untuk menimbulkan tegangan umpan balik ABV. Tegangan ini kembali ke titik x. jika pergeseran fase melalui penguat daln rangkaian umpan balik benar, sinyal pada titik x akan tepat sefase dengan sinyal yang menggerakkan teminal kesalahan dari penguat. Dinyatakan dengan cara lain, jika pergeseran fase keliling seluruh loop adalah 0o, kita dapatkan umpan balik positif. Harga dari AB (penguatan loop)adalah penting. Dalam osilator praktis, harga dari penguatan loop AB lebih besar dari satu, jika daya dipasang. Tegangan permulaan (starting voltage) dari sebuah osilator terpasang pada tiap resistor didalam osilator. Tiap resistor membangkitkan tegangan derau(noise); tegangan ini ditimbulkan oleh gerakan random dari elektron dalam resistor.

Osilator Pergeseran Fase

Pada sebuah osilator pergeseran fase, penguat mempunyai pergeseran fase 180o karena sinyal menggerakkan input inverting. Output penguat diberikan kembali ke tiga jaringan mendahului kaskade (Penguat). Jaringan mendahului menimbulkan pergeseran fase 0o dan 90o, tergantung pada frekuensi. Karena itu, pada frekuensi tertentu pergeseran fase total dari tiga jaringan mendahului sama dengan 180o. Hasilnya pergeseran fase keliling seluruh loop akan menjadi 360o Ekivalen dengan 0o. Jika AB pada frekuensi ini lebih besar dari pada satu, osilasi dapat dimulai.

Osilator jembatan Wien

Osilator Jembatan Wien adalah rangkaian osilator standar untuk semua frekuensi rendah dalam jangkauan 5Hz sampai kira-kira 1MHz. Ini hampir selalu dipakai dalam pembangkit audio komersil dan biasanya lebih disukai untuk penggunaan frekuensi rendah lainnya. Untuk memahami bagaimana osilator Wien bekerja, kita harus memahami jaringan lead lag.

Dengan rangkaian umpan balik, untuk frekuensi rendah sudut fase mendahului dan untuk frekuensi tinggi ketinggalan. Yang terutama penting ada satu frekuensi dimana pergeseran fase tepat sama dengan 0o. Sifat yang penting ini memungkinkan jaringan lead lag menentukan frekuensi osilasi. Osilator Jembatan Wien menggunakan umpan balik positif dan negatif. Umpan balik positif melalui jaringan lead lag ke input non-inverting. Umpan balik negatif melalui pembagi tegangan ke input inverting.

Jaringan lead lag adalah sisi kiri dari jembatan dan pembagi tegangan pada sisi kanan. Jembatan khusus ini dikenal sebagai Jembatan Wien dan digunakan dalam berbagai aplikasi disamping osilator. Tegangan kesalahan adalah output dari jembatan. Jika jembatan mendekati seimbang, maka tegangan kesalahan mendekati nol. Jembatan ini merupakan contoh dari saringan takik (notch filter), sebuah rangkaian dengan output nol pada frekuensi tertentu.

Osilator LC

Walaupun pada frekuensi rendah baik sekali, osilator jembatan Wien tidak cocok untuk frekuensi tinggi diatas 1MHz. Harga R dan C nya menjadi terlalu kecil dan pergeseran fase dari penguat menjadi persoalan. Osilator LC digunakan pada frekuensi kurang dari 1 sampai diatas 500MHz. Dengan sebuah penguat dan rangkaian resistan LC kita dapat mengumpan balik sinyal dengan amplitudo dan fase yang benar untuk memungkinkan osilasi.

Osilator CE

Osilator CE terbagi menjadi 4 yaitu :

1) Osilator Hartley, osilator ini banyak digunakan dalam radio transistor dan alat penerima hiburan lainnya. Pada osilator ini induktor yang ditap (tapped) sebagai sinyal umpan balik kembali ke basis.

2) Osilator Colpitts, merupakan rangkaian yang baik sekali dan banyak digunakan dalam pembangkit sinyal komersil diatas 1MHz. kapasitor jenis ini mengandalkan tap kapasitif bukan tap induktif. Tegangan yang ditimbulkan C2 digunakan untuk menggerakkan basis.

3) Osilator Clapp, osilator ini mirip dengan osilator colpitts karena adanya tap kapasitif. Tetapi cabang induktif, mempunyai kapasitor C3. Osilator ini menghasilkan frekuensi yang lebih stabil dari pada osilator Colpitts

4) Osilator Crystal Kuarts, osilator ini mengandalkan ketelitian dan kestabilan frekuensi. Dalam rangkaian ekivalen AC, sinyal umpan balik datang dari tap kapasitif. Kristal bekerja seperti sebuah induktor yang besar dalam hubungan seri dengan sebuah kapasitor yang kecil.

Umpan balik ringan (B kecil) menghasilkan operasi kelas A. Dengan umpan balik ringan harga dari A hanya sedikit lebih besar dai 1/B. Jika dipasang daya, osilasi terjadi dan sinyal berayun makin lama makin besar dari garis beban AC. Dengan penambahan ayunan sinyal ini, operasi berubah dari sinyal kecil ke sinyal besar. Penguatan tegangan sinyal besar adalah lebih kecil dari pada penguatan tegangan sinyal kecil; karena itu dengan umpan balik ringan harga dari AB dapat berkurang menjadi satu tanpa pemotongan.

Dengan umpan balik berat (B besar) pemotongan terjadi pada salah satu atau kedua puncak, tergantung pada rangkaian osilator, Jumlah umpan balik dan faktor-faktor lainnya. Hal ini mengurangi penguatan dan mengurangi AB menjadi satu. Jika umpan balik terlalu berat kita kehilangan beberapa sinyal output.

Kristal Kuarts

Beberapa kristal yang ditemukan di alam menunjukkan efek piezoelekrik (Gelombang elektromagnetik yang menentukan frekensi getaran); jika kita memasang tegangan AC melalui kristal kuarts mereka akan bervibrasi pada frekuensi dari tegangan AC yang dipasang. Bahan utama yang menimbulkan efek piezoelekrik ini adalah Kuarts, garam Rochelle, dan tourmaline.

Garam Rochelle mempunyai aktivitas piezoelekrik yang besar untuk suatu tegangan AC yang diberikan. Mereka bervibrasi lebih dari Kuarts atau tourmaline. Secara mekanis, mereka adalah yang paling lemah karena mudah pecah. Garam Rochelle telah digunakan untuk membuat microphone, pickup gramophone, headset, dan pengeras suara.

Tourmaline menunjukkan aktivitas piezoelekrik yang terkecil, tetapi diantara ketiganya paling kuat. Kristal ini juga yang paling mahal. Kadang-kadang digunakan pada frekuensi yang sangat tinggi.

Kuarts adalah kompromi antara aktivitas piezoelekrik dari garam Rochellle dan kekuatan dari tourmalline. Karena tidak mahal dan dapat diperoleh di alam, kuarts digunakan secara luas untuk osilator RF dan filter. Bentuk alami dari kuarts adalah prisma heksagonal dengan piramid pada ujung-ujungnya. Untuk mendapatkan kristal yang berguna dari sini kita harus mengiris lempeng empat persegi panjang dari kristal alam. Jumlah lempeng yang diperoleh dari kristal alam tergantung pada ukuran dari lempeng dan sudut pemotongan. Untuk pengunaan dalam rangkaian elektronika, lempeng harus dipasang antara dua pelat logam dalam rangkaian; jumlah vibrasi kristal tergantung pada frekuensi dari tegangan yang dipasang. Dengan mengubah frekuensi kita dapat menemukan frekuensi resonan dimana vibrasi kristal mencapai aksimum. Karena energi untuk vibrasi harus diberikan oleh sumber AC, arus AC menjadi maksimum pada tiap frekuensi resonan.

Untuk waktu yang lama kristal dipotong dan dipasang untuk bervibrasi paling baik pada salah satu frekuensi resonannya, biasanya frekuensi dasar atau frekuensi yang terendah. Frekuensi resonan yang lebih tinggi disebut nada tambahan adalah hampir kelipatan eksak dari frekuensi dasar. Kristal kuarts bekerja dengan baik sampai 10MHz pada frekuensi dasar. Untuk mencapai frekuensi yang lebih tinggi dapat menggunakan kristal yang dipasang untuk bervibrasi pada nada tambahan dengan cara ini, kita dapat mencapai frekuensi sampai 100MHz.

Sebab lain yang tak kentara dari osilasi frekuensi tinggi adalah loop pertanahan, perbedaan potensial antara kedua loop tertanahan. Semua pertanahan AC secara ideal paa potensial yang sama. Tetapi dalam kenyataannya casis atau apapun yang bertindak sebagai tanah mempunyai sedikit impedensi yang tidak nol yang bertambah dengan frekuensi. Karena itu jika arus pertanahan AC dari tingkat yang lebih dulu, kita mendapatkan cukup umpan balik positif yang tidak diinginkan yang menyebabkan osilasi. Pemecahan untuk persoalan loop pertanahan adalah tata letak yang tepat dari tiap tingkat untuk mencegah arus pertanahan AC dari tingkat yang belakang mengalir melalui lintasan pertanahan tingkat yang lebih dulu. Satu cara menyelesaikannya adalah dengan sistem pertanahan satu titik, hal ini berarti mengembalikan pertanahan semua tingkat ke satu titik. Dengan cara ini tidak ada perbedaan potensial antara dua titik pertanahan.

THYRISTOR

Thyristor adalah alat semikonuktor empat lapis yang digunakan umpan balik dalam untuk menimbulkan gerak pengancingan. Pengancingan ideal adalah cara khusus untuk menggabungkan transistor pengimbang. Pengancing ideal (Ideal Latch) dapat berada pada salah satu keadaan yakni tebuka atau tertutup. Jika berada pada kedudukan terbuka, dia tetap terbuka sampai suatu arus input mendorongnya untuk menutup. Jika dalam keadaan tertutup, dia tetp pada kedudukan tersebut sampai suatu arus mendorongnya untuk membuka.

Dioda Empat Lapis

Dioda empat lapis (disebut juga dioda Shockley) diklasifiksikan sebagai dioda karena mempunyai dua penghubung luar. Karena mempunyai empat daerah (region) yang didop. Dioda terebut sering disebut dioda PNPN. Cara untuk menutup dioda empat lapis ialah dengan breakover. Ini berarti menaikkan tegangan catu yang cukup untuk merusak salah satu dioda kolektor. Jika hal ini terjadi, arus yang bertambah mulai menggerakkan regeneratif dan kedua transistor jenuh. Secara ideal, dioda empat lapis kemudian tampak dihubung singkat atau tertutup. Secara ideal, dioda empat lapis kemudian kemudian tampak dihubung singkat (shorted) atau tertutup. Sedangkan untuk membuka dioda empat lapis adalah dengan penurunan arus rendah. Hal ini berarti mengurangi tegangan catu hampir menjadi nol, dimana titik tersebut transistor keluar dari keadaan jenuh dan regenerasi membuka pengancing. Transistor dalam keluar dari keadaan jenuh jika arus dikurangi ke harga yang rendah yang disebut arus penahan (holding current).

Silicon Controlled Rectifier (SCR)

Silicon Controlled Recrifier merupakan empat daerah yang didop yang dipisahkan menjadi dua transistor. Ini berarti silicn controlled Rectifier (SCR) ekivalen dengan pengancing dengan input penyulut luar ke basis bawah. Sekali dikancing SCR tetap terkancing untuk selamanya. Cara untuk membukanya adalah mengurangi arus dibawah arus penahan (holding current). Gerakannya kemudian serupa dengan dioda empat lapis; penurunan arus rendah menggerakkan kedua transistor dalam terputus dan SCR terbuka. Transistor UniJunction mempunyai dua daerah yang didop dengan tiga penghubung luar; emiter, basis 1 dan basis2.

No comments: