Fundamental Elektronika – Pendahuluan
Pada bagian ini kita akan menjelajahi fundamental elektronika yang bisa membantu kita mendapatkan pemahaman yang lebih baik tentang semua subjek dalam kursus ini. Praktis semua aspek sound engineering berhubungan dengan tekanan suara dikonversi menjadi sinyal elektrik melibatkan hukum dan prinsip elektronika. Pemahaman yang baik akan konsep-konsep ini memungkinkan kita bekerja dengan kesadaran lebih tinggi, sehingga mendapatkan hasil yang lebih baik. Kita akan menyelidiki sifat-sifat elektronika dan penggunaannya pada sirkuit sederhana, dimana karakteristiknya terkait dengan yang umumnya ada pada peralatan sound engineering
Listrik
Listrik adalah nama umum yang diberikan untuk serangkaian kuantitas dan hukum yang akan kita selidiki. Setiap kuantitas yang diperkenalkan memiliki huruf yang menjadi identitasnya di dalam formula dan rangkaian listrik. Kuantitas fisik yang paling penting adalah arus (I) yang diukur dalam Ampere, dihasilkan oleh arus elektron melalui konduktor. Elektron, seperti semua elemen fisik lainnya, terdiri dari atom yaitu suatu partikel dengan nukleus yang memiliki muatan tertentu, secara umum diidentifikasi sebagai positif dan sejumlah elektron (dengan muatan negatif) yang mengelilingi orbit nukleus (fakta sebenarnya lebih rumit, tetapi untuk memudahkan penggunaan dalam kursus ini maka digunakan penyederhanaan seperlunya). Elektron dipertahankan tetap dalam posisinya oleh nukleus yang memiliki polaritas berlawanan sehingga saling menarik. Dua elemen dengan polaritas berbeda saling menarik sedangkan elemen dengan berbeda saling menolak. Kekuatan penarikan atau penolakan bergantung kepada jenis atom (dengan kata lain material yang terlibat): logam memiliki kekuatan tarikan yang lemah, sedangkan material insulasi memiliki kekuatan tarikan yang lebih susah dikalahkan. Kita akan lihat inilah alasan mengapa logam merupakan konduktor yang baik sedangkan insulator tidak. Kita ambil contoh kabel perunggu, konduktor yang baik, dan kita kenakan pada kedua ujungnya muatan negatif dan positif.
Gambar 4.1 Arus listrik
Elektron milik atom perunggu dalam konduktor memiliki polaritas negatif sehingga tertarik oleh muatan positif dan ditolak oleh muatan negatif pada ujung-ujung kabel. Karena kekuatan tarikan dalam material konduktor lemak, elektron tercuri dari nukleus sehingga terjadi aliran muatan (q). Unit ukuran untuk jumlah muatan adalah Coulomb (C). Pada titik ini kita tahu bahwa arus adalah kuantitas muatan yang melalui konduktor dalam unit waktu 1 sekon. Arus diukur dalam Ampere.
Sekarang kita akan mendefinisikan muatan yang diberikan kepada konduktor. Akumulasi lokal muatan positif atau negatif disebut potensial. Aplikasi dua muatan yang berbeda pada masing-masing ujung konduktor menciptakan perbedaan potensial yang disebut tegangan dan diukur dalam Volt. Pemberian tegangan pada kedua ujung konduktor menghasilkan aliran muatan yang nilainya bergantung kepada tegangan dan karakteristik dari konduktornya.
Ketika tegangan (atau arus) konstan terhadap waktu, disebut continuous tension atau tegangan kontinyu (atau continuous current/arus kontinyu) sedangkan bila bervariasi terhadap waktu disebut alternate tension (atau alternate current). Contoh sederhana alternate current atau arus berubah adalah soket listrik rumah tangga dimana terdapat alternate tension pada laju sinusoidal dengan frekuensi 50 Hz dan amplitudo 220 Volt.
Komponen Elektronik
Sejarah elektronik telah ditandai dengan pengenalan komponen-komponen yang membuka jalur untuk solusi dan teknologi baru. Revolusi sesungguhnya terjadi dengan ditemukannya transistor, yang didahului oleh dioda, keduanya menandakan lahirnya elektronik digital yang kemudian melahirkan mikroprosesor. Berikutnya kita akan melihat komponen listrik utama dan karakteristiknya.
4.3.1 Hambatan
Hambatan adalah komponen yang melawan laju arus listrik dan melepaskan energi dalam bentuk panas. Lambang hambatan adalah R dan diukur dengan Ohm. Kita akan lihat nanti ketika menjelaskan hukum Ohm bahwa hambatan menggabungkan tegangan V dan arus I dalam satu formula. Jika kita memberi tegangan V pada hambatan R, dihasilkan arus I dan ketiga kuantitas ini tergabung dalam formula berikut:
Persamaan 4.1 Hukum Ohm
4.3.2 Kapasitor
Komponen ini terdiri dari dua plat metal paralel yang diletakkan berdekatan satu sama lain. Jika kita memberikan tegangan pada kedua plat, plat tersebut mampu mempertahankan muatan yang terakumulasi sehingga menghasilkan medan listrik di dalam celah yang memisahkan kedua plat, yang dapat disamakan seperti laju arus seperti ditunjukkan gambar berikut:
Gambar 4.2 Muatan kapasitor
Kuantitas muatan yang dapat disimpan kapasitor disebut kapasitas (C) dan diukur dalam Farad. Gambar diatas menunjukkan kapasitor dengan kapasitas C dimana tegangan V diberikan. Berikut adalah formula antara kapasitas, tegangan, dan muatan tersimpan:
Persamaan 4.2 Muatan kapasitor
Ketika kita memberikan tegangan pada kapasitor yang awalnya tidak bermuatan, kapasitor akan mulai menyimpan elektron hingga tercapai batas maksimum. Lebih dari batas ini kapasitor tidak dapat menyimpan muatan dan, jika tegangan dilepas, akan tetap bermuatan. Kapasitor bermuatan memiliki tegangan yang konstan antara kedua ujungnya dan ketika dihubungkan dengan hambatan akan melepaskan tegangan tersebut sehingga menimbulkan arus. Dua proses menyimpan dan melepas muatan suatu kapasitor tidak terjadi secara instan tetapi membutuhkan waktu tertentu agar terjadi, bergantung kepada karakteristik kapasitor dan sirkuit yang digunakannya. Saat kapasitor menyimpan muatan, muatan dengan polaritas berlawanan terakumulasi pada kedua plat, dan gerakan muatan ini menimbulkan arus. Perilaku inilah yang menjadi dasar sirkuit high-pass filter.
Sekarang kita bayangkan kapasitor yang diberikan tegangan sinusoidal. Jika laju sinusoid sedemikian sehingga semi-gelombang positif lebih cepat dari waktu simpan kapasitor, maka kapasitor tidak dapat mencapai batas maksimum cukup cepat, dan semi-gelombang negatif tiba dan melepaskan muatan. Dengan cara ini aliran arus dalam kapasitor tidak terganggu. Sebaliknya bila diberikan tegangan dengan frekuensi rendah, kapasitor mencapai batas maksimum sebelum semi-gelombang positif habis sehingga menghambat aliran arus. Sehingga, suatu kapasitor menghambat aliran frekuensi rendah (yang menyebabkan penyimpanan muatan maksimal dan menghambat aliran arus) dan dapat digunakan sebagai high-pass filter.
Gambar 4.3 High-pass filter sederhana
4.3.3 Induktor
Ketika konduktor dikenakan suatu medan magnetik, medan tersebut menarik elektron dalam konduktor dan membuatnya bergerak sehingga menghasilkan arus. Sebaliknya, dekat dengan suatu konduktor yang memiliki suatu arus, dihasilkan medan magnetik dengan distribusi garis magnet seperti berikut:
Gambar 4.4 Medan magnetik induksi arus dari konduktor
Dalam sirkuit induktor biasanya diberi label L dan nilai induktansinya diukur dalam Henry. Induktor adalah konduktor dengan bentuk spiral. Ketika suatu arus melaluinya, medan magnet dihasilkan dengan distribusi garis magnet seperti berikut:
Gambar 4.5 Medan magnetik induksi arus dari induktor
Induktor dapat digunakan sebagai low-pass filter dengan memanfaatkan inersia dari medan magnetiknya. Dengan memberikan arus dengan laju sinusoidal dihasilkan medan magnetik yang juga memiliki laju sinusoidal. Namun, jika frekuensinya terlalu tinggi, semi-gelombang negatif menghasilkan medan magnetik dengan garis magnet yang berlawanan dengan yang dihasilkan semi-gelombang positif yang belum habis: sehingga menghambat aliran arus. Gambar berikut menunjukkan contoh sirkuit low-pass filter:
Gambar 4.6 Low-pass filter sederhana
Hukum Ohm, Daya, Gaya Elektromotif
4.4.1 Hukum Ohm
Hukum Ohm menyatukan kuantitas suatu sirkuit dalam satu formula: tegangan (V), arus (I) dan hambatan (R):
Sekarang kita lihat contoh praktis sebagai pemahaman langsung kuantitas ini. Jika kita memberikan tegangan 220 Volt kepada konduktor 50 Ohm didapatkan arus sebesar:
Persamaan 4.5 Perhitungan arus berdasarkan Hukum Ohm
4.4.2 Daya
Dalam fisika, daya adalah kerja yang dilakukan sumber daya ketika dihasilkan perpindahan dalam suatu unit waktu. Dengan kata lain, jika kita mengangkat beban dan memindahkannya beberapa meter, kita telah melakukan kerja, yang diukur sebagai daya.
Dalam elektronika, daya dihitung secara berbeda, tetapi penting untuk mengingat pada konteks fisik dimana kita menghitung daya, hasil akhirnya adalah ekivalen. Sebagai contoh: suatu amplifier yang mendorong loudspeaker. Untuk menggerakkan membran loudspeaker (yang kemudian menggerakkan udara) kita perlu melakukan sejumlah kerja yang sama dengan daya. Jadi amplifier kita perlu menghasilkan daya listrik yang sama dengan daya fisik yang dibutuhkan untuk menggerakkan membran.
Hukum Ohm dapat diekspresikan dalam berbagai cara selain yang telah disebutkan di atas. Salah satu ekspresi ini mengidentifikasi daya: daya adalah produk dari tegangan dikali dengan arus dan diukur dalam Watt:
Persamaan 4.6 Daya
Jika kita mensubstitusi V atau I dengan ekspresi hukum Ohm, kita mendapatkan:
Persamaan 4.7 Hukum Joule
Ekspresi ini disebut Hukum Joule
4.4.3 Gaya elektromotif
Contoh gaya elektromotif yang paling baik ditemukan dalam baterai rumah tangga. Baterai menyediakan perbedaan potensial secara konstan pada kedua ujungnya hingga habis. Ini terjadi karena adanya kombinasi kandungan unsur kimia yang menghasilkan elektron ketika melakukan kontak. Selagi elektron terkonsumsi (ketika baterai digunakan dalam senter misalkan), komponen kimia berubah dan perlahan kehilangan sifat elektriknya. Ketika komponen ini tidak bisa lagi menyediakan elektron, baterai habis.
Singkatnya gaya elektromotif dapat disebut sebagai: elemen (baterai) yang menyediakan gaya elektromotif sehingga menghasilkan tegangan konstan pada kedua ujungnya.
4.5 Impedansi Rangkaian
Rangkaian yang telah kita amati sejauh ini melibatkan komponen seperti hambatan, kapasitor, dan induktor. Selama tegangan dan arus tetap kontinyu, atau memiliki level amplitudo yang konstan, nilai hambatan, kapasitas, dan induktansi tetap konstan. Namun, ketika rangkaian ini diberikan tegangan dan arus yang berubah-ubah atau beralternasi (sinusoid frekuensi tetap, atau sinyal audio yang mengandung berbagai frekuensi), nilai komponen berubah ketika frekuensi berubah. Ini berarti suatu rangkaian merespon berbeda terhadap frekuensi yang berbeda. Dengan menggunakan tiga komponen R, L, dan C, kita bisa memperkenalkan hukum Ohm yang tergeneralisir sesuai formula berikut:
Persamaan 4.11 Hukum Ohm tergeneralisir
Persamaan ini menyatakan semua kuantitas bergantung kepada frekuensi. Khususnya nilai Z(f), yang mengukur impedansi, dengan kata lain kuantitas hambatan dan reaktansi keseluruhan di dalam rangkaian. Melihat bahwa kuantitas ini bervariasi, mereka tidak dapat dideskripsikan menggunakan nilai konstan sederhana sehingga dibutuhkan fungsi matematis sebagai penggantinya agar kita dapat memplot grafik yang menggambar fungsi impedansi, terutama nilai impedansi pada semua frekuensi sinyal yang diberikan.
Dalam kenyataan, semua kuantitas ini membutuhkan dua grafik untuk menggambarkannya, satu memperlihatkan amplitudo (ditandai dengan huruf A) dan satu memperlihatkan fase (ditandai dengan lambang Φ). Kita akan melihat contoh yang menggambarkan konsep ini pada tingkatan yang praktis.
Sebagai contoh kita gunakan high-pass filter yang membutuhkan suatu kapasitor. Dari sudut pandang rangkaian suatu loudspeaker bisa dianggap sebagai hambatan (atau lebih tepatnya impedansi, tetapi untuk kasus ini kita abaikan reaktansinya) maka high-pass filter dideskripsikan oleh rangkaian seperti gambar berikut:
Gambar 4.16 High-pass filter
Impedansi dari rangkaian ini diberikan dalam formula berikut:
Persamaan 4.12 Impedansi rangkaian high-pass filter
Dimana Rc adalah hambatan dari kapasitor. Melalui perhitungan (yang tidak akan dijelaskan disini karena melibatkan bilangan imajiner) kita mendapatkan diagram amplitudo dan fase yang berhubungan dengan impedansi Z(f). Lebih dari perhitungannyam kita tertarik dengan laju kedua diagram dan maknanya.
Rangkaian umum high-pass filter bisa memiliki diagram berikut untuk amplitudo dan fasenya:
Gambar 4.17 Diagram amplitudo dan fase dari high-pass filter
Diagram amplitudo: karena dalam high-pass filter semua frekuensi dibawah cut frequency (dalam kasus ini 440 Hz) dihilangkan dari sinyal, ini berarti impedansi pada frekuensi tersebut sangat tinggi sehingga memblokir sinyal lewat. Diatas 440 Hz terdapat gain sebesar 0 dB, atau dengan kata lain tidak ada impedansi, yang berarti semua amplitudo diatas cut frequency tidak mengalami perubahan.
Diagram fase: diagram ini menunjukkan kesenjangan fase antara dua kuantitas yang terbatasi dengan impedansi, dalam kasus ini tegangan V(f) dari rangkaian dan arus I(f) yang mengalir melalui komponen.
Fase adalah faktor yang sangat penting tetapi sering diabaikan dalam sound engineering, karena dapat menghasilkan efek yang sangat terdengar. Pada umumnya kita menginginkan diagram dengan fase yang datar pada 0 derajat. Ini berarti kuantitas berada dalam fase dan tidak terjadi masalah apapun. Namun, ini tidak dapat dicapai karena setiap komponen rangkaian menambahkan kesenjangan pada setiap frekuensi yang berbeda. Tetapi, sistem yang sangat rumit mulai dirancang dengan tujuan mendapatkan laju amplitudo dan fase yang diinginkan.