BAB I PENDAHULUAN Dunia teknik mesin sangat erat hubunganya dengan dunia pengukuran, karena hampir sebagian besar semua aplikasi dalam ilmu teknik mesin memerlukan sistem pengukuran. Di dalam suatu alat ukur elektronik tentu memiliki sensor untuk dapat melakukan pengukuran pada suatu sistem. Namun terkadang sinyal input dari yang akan diukur sangatlah kecil sehingga alat ukur tidak dapat membacanya dengan baik dan tepat. Oleh sebab itu digunakanlah suatu komponen yang dapat menguatkan sinyal input sehingga alat ukur dapat membacanya dengan baik. Komponen yang dapat menguatkan sinyal input ini biasa disebut dengan operasional amplifier. Operasional amplifier atau op-amp ini merupakan salah satu komponen analog yang popular digunakan dalam berbagai aplikasi rangkaian elektronika. Aplikasi op-amp popular yang paling sering dibuat antara lain adalah rangkaian inverter, non-inverter, integrator dan differensiator. Pada pokok bahasan kali ini akan dipaparkan beberapa aplikasi op-amp yang paling dasar, dimana rangkaian feedback (umpan balik) negatif memegang peranan penting. Secara umum, umpanbalik positif akan menghasilkan osilasi sedangkan umpanbalik negatif menghasilkan penguatan yang dapat terukur. Untuk dapat menjalankan fungsinya dengan baik, op-amp harus memiliki umpan balik. Hampir seluruh rancangan rangkaian yang ada pada umumnya menggunakan umpan balik negatif untuk mengendalikan besarnya gain serta memperoleh operasi kerja op-amp linear. Umpan balik negatif dapat diperoleh melalui pengunaan komponen-komponen rangkaian, misalnya resistor, yang dihubungkan di antara terminal keluaran op-amp dan masukan pembalik op-amp yaitu terminal masukan yang bertanda ( - ). Rangkaian-rangkaian nonlinear, misalnya komparator dan osilator, menggunakan umpan balik positif yang dapat diperoleh dengan menghubungkan komponen, misalnya resistor, diantara terminal keluaran op-amp dan masukan non-pembaliknya, yaitu terminal masukan yang bertanda ( + ). Pada makalah ini akan dibahas semua hal mengenai op-amp ini. Mulai dari definisi op-amp, teknik feedbacknya, model rangkaian op-amp, tipe-tipe op-amp, prinsip kerjanya, karakteristiknya, perhitungannya, dan akan dibahas pula bagaimana kondisi atau keadaan opamp yang ideal. Sebagai tambahan akan dibahas juga mengenai apa itu termokopel, rangkaian pengkondisi sinyalnya dan apa saja tipe-tipe termokopel itu sendiri.
16
BAB II PEMBAHASAN
II.1 Definisi Op-Amp Op-amp adalah suatu blok penguat yang mempunyai dua masukan dan satu keluaran. Opamp biasa terdapat di pasaran berupa rangkaian terpadu (Integrated Circuit-IC). Penguat operasional tersusun dari beberapa rangakian penguat yang menggunakan transistor. Biasanya membuat perangkat dari op-amp lebih mudah dibandingkan membuat penguat dari transistor karena tidak memerlukan perhitungan titik kerja, bias, dll. Op-amp merupakan perangkat yang sangat efisien dan serbaguna. Aplikasinya menjangkau industri elektronik yang luas yang memenuhi persyaratan untuk pengkondisian sinyal, fungsi transfer khusus, instrumentasi analog, perhitungan analog, dan sistem desain khusus. Aset dari analog yaitu simpel dan presisi merupakan ciri sirkuit dengan menggunakan op-amp. Selain itu aplikasi op-amp yang juga sering digunakan antara lain adalah rangkaian inverter, non-inverter, integrator dan differensiator. Saat ini, penggunaan umum penguat operasional telah diperluas untuk mencakup aplikasi seperti Amplifier DC, Amplifier AC, komparator, Driver Servo Valve, Driver Defleksi Yoke, Oscillators Distorsi rendah, AC ke DC Converter, multivibrators. Pada op-amp memiliki 2 rangkaian feedback (umpan balik) yaitu feedback negatif dan feedback positif dimana feedback negatif pada op-amp memegang peranan penting. Secara umum, feedback positif akan menghasilkan osilasi sedangkan feedback negatif menghasilkan penguatan yang dapat terukur. Berikut adalah teknik feedback: Teknik Feedback. Ketepatan dan fleksibilitas dari amplifier operasional merupakan hasil langsung dari penggunaan feedback negatif. Secara umum, amplifier yang menggunakan umpan balik akan memiliki karakteristik operasi yang unggul pada pengorbanan keuntungan. I R1
V in
R2 Vn Vp
+
Vout _
Gambar 1: Op-amp dengan menggunakan feedback. Dengan umpan balik yang cukup, karakteristik amplifier loop tertutup menjadi sebuah fungsi dari elemen umpan balik. Dalam rangkaian umpan balik yang khas, gambar 1, elemen umpan balik adalah dua resistor. Ketepatan gain "loop tertutup” diatur oleh rasio dari dua resistor
16
dan secara praktis independen terhadap amplifier "loop terbuka”. Dengan demikian, amplifikasi untuk hampir semua tingkat presisi dapat dicapai dengan mudah. II.2 Rangkaian Op-Amp Sebuah amplifier memiliki port input dan port output. Pada amplifier linier, sinyal output = A x sinyal input, dimana A adalah faktor amplifikasi atau gain. Berdasarkan sinyal input dan outputnya, ada empat tipe gain penguat, yaitu: gain tegangan (tegangan luar/ tegangan dalam), gain arus (arus luar/ arus dalam), transresistance (tegangan luar/ arus dalam), dan transconductance (arus luar/ tegangan dalam). Model rangkaian sebuah amplifier ditunjukkan pada gambar 2. Port input berperan pasif, tidak menghasilkan tegangan sendiri, dan dimodelkan oleh element resistif Ri atau disebut juga resistansi input. Port output tegangannya bergantung pada sumber Avi secara seri dengan resistansi output Ro, dimana Vi adalah perbedaan potensial antara terminal port input. Gambar 2 menunjukkan rangkaian amplifier yang lengkap yaitu yang mengandung sumber tegangan input Vs yang dirangkai secara seri dengan sumber resistansi Rs dan sebuah beban resistansi output RL. Dari gambar 2, dapat dilihat bahwa kita memiliki tegangan-pembagi sirkuit di port input maupun port output dari amplifier. Hal ini mengharuskan kita untuk menghitung ulang nilai Vi dan Vo setiap kali sumber/ beban yang digunakan berbeda dengan menggunakan rumus berikut: Ri Vi = Rs + Ri
Vs
RL Vo = Ro + R L
S
O
_
S
U
R
................................(2)
R
C
E
i
INPUT PORT
+
S
V V
AVi
R
i
A
M
A
i
P
L
+
o OUTPUT PORT
R
................................(1)
V I F
I E
V
o
R
_
R
L
O
L
A
D
Gambar 2: Model rangkaian amplifier.
II.3 Diagram Op-Amp Op-amp di dalamnya terdiri dari beberapa bagian, yang pertama adalah penguat diferensial, lalu ada tahap penguatan (gain), selanjutnya ada rangkaian penggeser level (level shifter) dan
16
kemudian penguat akhir yang biasanya dibuat dengan penguat push-pull kelas B. Gambar 3 (a) berikut menunjukkan diagram dari op-amp yang terdiri dari beberapa bagian tersebut.
Gambar 3 (a): Diagram blok operasional amplifier.
Gambar 3 (b): Diagram skematik simbol operasional amplifier. Simbol op-amp adalah seperti pada gambar 3 (b) dengan 2 input, non-inverting (+) dan input inverting (-). Umumnya op-amp bekerja dengan dual supply (+Vcc dan –Vee) namun banyak juga op-amp dibuat dengan single supply (Vcc – ground). Simbol rangkaian di dalam op-amp pada gambar 3 (b) adalah parameter umum dari sebuah op-amp. Rin adalah resitansi input yang nilai idealnya infinit (tak terhingga). Rout adalah resistansi output dan besar resistansi idealnya 0 (nol). Sedangkan AOL adalah nilai penguatan open loop dan nilai idealnya tak terhingga. Karakteristik satu op-amp dapat berbeda dengan op-amp lain tergantung dari teknologi pembuatan dan desain IC-nya. II.4 Fungsi Op-Amp Pada mulanya op-amp digunakan untuk rangkaian perhitungan analog, rangkaian pengaturan instrumentasi. Fungsi utamanya adalah untuk melakukan operasi linier matematika (tegangan dan arus), integrasi dan penguatan. Namun kini op-amp dapat digunakan dimana saja, dalam berbagai bidang: reproduksi suara, system komunikasi, sistem pengolahan digital, elektronik komersial dan aneka macam perangkat hobbyist. Salah satu fungsi yang penting dari op-amp adalah hubungan polaritas antara input terhadap output. Tegasnya, jika input pada (-) lebih positif daripada input pada (+), maka output akan
16
menjadi negatif. Sebaliknya, jika input pada (-) lebih negatif daripada input pada (+), maka output akan menjadi positif.
(a)
(b)
Gambar 4: Hubungan antara input dan output. II.4-1 Amplifier Operasional: Op-Amp Ideal Op-amp pada dasarnya adalah sebuah differential amplifier (penguat diferensial) yang memiliki dua masukan. Input (masukan) op-amp ada yang dinamakan input inverting dan non-inverting. Op-amp ideal memiliki open loop gain (penguatan loop terbuka) yang tak terhingga besarnya. Seperti misalnya op-amp LM741 yang sering digunakan oleh banyak praktisi elektronika, memiliki karakteristik tipikal open loop gain sebesar 104 ~ 105. Penguatan yang sebesar ini membuat op-amp menjadi tidak stabil, dan penguatannya menjadi tidak terukur (infinite). Disinilah peran rangkaian negative feedback (umpanbalik negatif) diperlukan, sehingga op-amp dapat dirangkai menjadi aplikasi dengan nilai penguatan yang terukur (finite). Impedasi input op-amp ideal mestinya adalah tak terhingga, sehingga mestinya arus input pada tiap masukannya adalah 0. Sebagai perbandingan praktis, op-amp LM741 memiliki impedansi input Zin = 106 Ohm. Nilai impedansi ini masih relatif sangat besar sehingga arus input op-amp LM741 mestinya sangat kecil. Ada dua aturan penting dalam melakukan analisa rangkaian op-amp berdasarkan karakteristik op-amp ideal. Aturan ini dalam beberapa literatur dinamakan “Golden Rule”, yaitu : Aturan 1: Perbedaan tegangan antara input V+ dan V- adalah nol (V+ – V- = 0 atau V+ = V-) Aturan 2: Arus pada input Op-amp adalah nol (i+ = i- = 0) Inilah dua aturan penting op-amp ideal yang digunakan untuk menganalisa rangkaian opamp. Model amplifier standar ditunjukkan pada Gambar 5 dan pada Gambar 6 menunjukkan model amplifier ideal. Op-amp dikatan "differential-to-single-ended" amplifier, jika menguatkan perbedaan tegangan Vp – Vn = Vi pada port input dan menghasilkan tegangan Vo di port output yang direferensikan ke node dasar dari sirkuit yang digunakan op-amp.
16
ip +
+
V_p
+
Ri
R
Vi _
in
+
V_p
o
Vi +
AVi
Vo
_
AV i
+
Vo _
_
+
+
V_n
V_n
Gambar 5: Op-amp standar.
Gambar 6: Op-amp ideal.
Model op-amp yang ideal berasal untuk menyederhanakan analisis rangkaian dan umumnya digunakan oleh para insinyur untuk perkiraan perhitungan orde pertama. Model yang ideal membuat tiga asumsi penyederhanaan: Gain tak terhingga: A = ∞
..........................(3)
Resistansi input tak terhingga: Ri = ∞ .........(4) Resistansi output nol: Ro= 0 ........................(5) Aplikasikasikan asumsi ini pada model op-amp standar dan hasilnya ada pada model op-amp ideal yang ditunjukkan gambar 6. Karena Ri = ∞ dan perbedaan tegangan Vp – Vn = Vi pada port input terbatas, maka nilai arus input adalah nol untuk op-amp ideal: in = ip = 0 ................................(6) Maka tidak ada efek pembebanan pada port input dari op-amp ideal: Vi = Vs ...................................(7) Selain itu, karena Ro = 0, maka tidak ada efek pembebanan pada port uotput dari op-amp ideal: Vo = A × Vi ................................(8) Akhirnya, karena A = ∞ dan Vo harus terbatas, maka: Vi = Vp – Vn = 0
atau Vp = Vn ....................(9)
II.5 Macam-Macam Op-Amp Op-amp memiliki berbagai macam jenis dan tipenya berdasarkan rangkaiannya. Berikut ini akan dijelaskan beberapa tipe op-amp yang biasa digunakan: 1. Komparator (Rangkaian Pembanding). Merupakan salah satu aplikasi yang memanfaatkan penguatan terbuka (open-loop gain), penguat operasional yang sangat besar. Ada jenis penguat operasional khusus yang memang
16
difungsikan semata-mata untuk penggunaan ini dan agak berbeda dari penguat operasional lainnya dan umumnya disebut juga dengan komparator. Komparator membandingkan dua tegangan listrik dan mengubah keluarannya untuk menunjukkan tegangan mana yang lebih tinggi:
Gambar 7: Komparator di mana Vs adalah tegangan catu daya dan penguat operasional beroperasi di antara Vs+ dan Vs −.) 2. Penguat Pembalik (Inverting Amplifier) Rangkaian dasar penguat inverting adalah seperti yang ditunjukkan pada gambar 8, dimana sinyal masukannya dibuat melalui input inverting. Seperti namanya, bahwa fase keluaran dari penguat pembalik ini akan selalu berbalikan dengan inputnya. Pada rangkaian ini, feedback negatif dibangun melalui resistor R2.
Gambar 8: Penguat pembalik Gambar 8 menunjukkan dasar lain rangkaian op-amp yang berguna yaitu penguat pembalik. Hal ini mirip dengan rangkaian non-pembalik hanya saja jika pada penguat pembalik sinyal input diterapkan pada R1 sedangkan pada penguat non- pembalik diterapkan pada ground. Mari kita ambil hubungan antara tegangan input Vin dan tegangan output Vout. Pertama, karena Vn = Vp dan Vp dihubungkan ke grond, Vn = 0. Karena arus yang mengalir ke input pembalik ideal op-amp adalah nol, arus yang mengalir melalui R1 harus sama besarnya dan berlawanan arah dengan arus yang mengalir melalui R2 (oleh Hukum Saat Kirchhoff): Vin − Vn Vout − Vn = R1 R2 Karena Vn = 0, maka:
16
..............(10)
R Vout = − 2 Vin R1
.................(11)
Dan nilai gain: G=−
R2 R1
............................ (12)
Gain dari penguat pembalik selalu negatif, tanda negatif ini menunjukkan bahwa keluaran adalah pembalikan dari masukan. Contohnya jika R2 adalah 10.000 Ω dan R1 adalah 1.000 Ω, maka nilai gain adalah -10.000Ω / 1.000Ω, yaitu -10. Impedansi rangkaian pembalik didefenisikan sebagai impedansi input dari sinyal masukan terhadap ground. Karena input pembalik (-) pada rangkaian ini diketahui adalah 0 (virtual ground) maka impendasi rangkaian ini tentu saja adalah Zin = R1. 3. Penguat Non-Pembalik (Non-Inverting Amplifier) Penguat non- pembalik amplifier merupakan kebalikan dari penguat pembalik, dimana input dimasukkan pada input non- pembalik sehingga polaritas output akan sama dengan polaritas input tapi memiliki penguatan yang tergantung dari besarnya Rfeedback dan Rinput. Prinsip utama rangkaian penguat non-pembalik adalah seperti yang diperlihatkan pada gambar 9 berikut ini. Seperti namanya, penguat ini memiliki masukan yang dibuat melalui input non-inverting. Dengan demikian tegangan keluaran rangkaian ini akan satu fasa dengan tegangan inputnya. Untuk menganalisa rangkaian penguat op-amp non-inverting, caranya sama seperti menganalisa rangkaian inverting.
Gambar 9: Penguat non-pembalik Gambar 9 menunjukkan rangkaian op-amp dasar, yaitu op-amp non-pembalik. Terminal input yang ditandai “+” (Vp) disebut input non- pembalik dan terminal input dengan tanda “-“ (Vn)disebut input pembalik. Untuk mengetahui cara kerja penguat non-pembalik, kita perlu mengetahui hubungan antara tegangan input Vin dan tegangan output Vout. Perlu diingat bahwa untuk op-amp ideal, tidak ada efek pembebanan pada input, maka Vp = Vi .................................(13)
16
Karena arus yang mengalir pada input pembalik untuk op-amp ideal adalah nol, arus yang mengalir melewati R1 sama dengan arus yang mengalir melewati R2 (sesuai Hukum Arus Kirchhoff yang menyatakan bahwa jumlah aljabar dari arus yang mengalir ke node adalah nol). Kita kemudian bisa mencari Vn: R1 Vn = R1 + R2
Vout ...........(14)
Dari persamaan 9, kita dapat Vin = Vp = Vn, maka R Vout = 1 + 2 Vin ...............(15) R1 Perhatikan bahwa gain (Vout / Vin) selalu lebih besar atau sama dengan satu. Karena tegangan sinyal masukan terhubung langsung dengan masukan pada penguat operasional maka impedansi masukan bernilai Z in ≈ ∞ . Dari datasheet, LM741 diketahui memiliki impedansi input Zin = 108 to 1012 Ohm. 4. Penguat Differential Gambar 10 menunjukkan rangkaian penguat diferensial. Sesuai namanya, konfigurasi op-amp ini dapat memperkuat perbedaan dari dua sinyal input. Penguat diferensial digunakan untuk mencari selisih dari dua tegangan yang telah dikalikan dengan konstanta tertentu yang ditentukan oleh nilai resistansi yaitu sebesar
Rf R1
untuk R1 = R2 dan Rf = Rg. Penguat jenis ini
berbeda dengan diferensiator.
Gambar 10: Amplifier diferensial. Rumus yang digunakan adalah sebagai berikut: Vout =
(R (R
f g
+ R1 ) R g
+ R2 ) R1
V2 −
Rf R1
V1 ........(16)
Sedangkan untuk R1 =R2 dan Rf = Rg maka gain diferensial adalah:
16
Vout = (V2 − V1 )
Rf R1
..............................(17)
Jika dua sinyal input sama, secara ideal output pasti nol. Untuk mengukur kualitas amplifier, istilah Common Mode Rejection Ratio (CMRR) didefinisikan. CMRR adalah rasio dari tegangan output yang sesuai dengan perbedaan dari dua sinyal masukan dengan tegangan keluaran sesuai dengan "bagian umum" dari dua sinyal. Op-amp yang bagus memiliki CMRR yang tinggi. 5. Penguat Penjumlah (Summing Amplifier) Dalam beberapa aplikasi yang besar, input untuk penguat pembalik lebih dari satu tegangan. Bentuk sederhana dari input yang banyak ditunjukkan pada gambar 11.
Gambar 11: Penguat penjumlahan Penguat penjumlah menjumlahkan beberapa tegangan masukan, dengan persamaan sebagai berikut: V V V Vout = − R f ( 1 + 2 + ... + n ) .......(18) R1 R2 Rn Saat R1 = R2 =...= Rn , dan Rf saling bebas maka: Rf Vout = − (V1 + V2 + ... + Vn ) .....(19) R1 Saat R1 = R2 =...= Rn = Rf , maka: Vout = −(V1 + V2 + ... + Vn ) ....(20) Perlu diperhatikan bahwa keluaran adalah terbalik dan impedansi masukan dari masukan ke-n adalah Zn = Rn (di mana V- adalah Virtual ground). 6. Penguat Integrator (Integrator Amplifier) Op-amp bisa juga digunakan untuk membuat rangkaian-rangkaian dengan respons frekuensi, misalnya rangkaian penapis (filter). Salah satu contohnya adalah rangkaian integrator seperti
16
yang ditunjukkan pada gambar 12. Rangkaian dasar sebuah integrator adalah rangkaian opamp inverting, hanya saja rangkaian umpanbaliknya (feedback) bukan resistor melainkan menggunakan kapasitor C. Dengan menambahkan kapasitor secara paralel dengan umpanbalik resistor R2 dalam penguat pembalik seperti yang ditunjukkan pada gambar 12, op-amp dapat digunakan untuk melakukan integrasi. Penguat ini mengintegrasikan tegangan masukan terhadap waktu, dengan persamaan: Vout =
−1 Vin dt + Vmula ................(21) R1C ∫
di mana t adalah waktu dan Vmula adalah tegangan keluaran pada t=0. Dengan demikian, input gelombang persegi akan menyebabkan gelombang output segitiga. Namun, dalam rangkaian yang sebenarnya (R2 < ∞) ada beberapa kerusakan dalam keadaan sistem pada tingkat proporsional keadaan itu sendiri. Hal ini menyebabkan peluruhan eksponensial dengan waktu konstan τ = R2C.
Gambar 12: Penguat integrator. Sebuah integrator dapat juga dipandang sebagai tapis pelewat-tinggi dan dapat digunakan untuk rangkaian tapis aktif. 7. Differentiator Dengan menambahkan kapasitor secara seri dengan resistor input R1 dalam sebuah penguat pembalik, op-amp dapat digunakan untuk melakukan diferensiasi. Diferensiator ideal (R1 = 0) tidak memiliki memori dan melakukan perhitungan. Vout = − R2 C di mana Vin dan Vout adalah fungsi dari waktu.
16
dVin dt
...........(22)
Jadi masukan gelombang segitiga akan menyebabkan output gelombang persegi. Namun, sirkuit yang sebenarnya (R1 > 0) akan memiliki beberapa memori dari keadaan sistem (seperti kehilangan integrator) dengan peluruhan eksponensial dari waktu konstan τ = R1C.
Gambar 13: Penguat diferensiator. Pada dasarnya diferensiator dapat juga dibangun dari integrator dengan cara mengganti kapasitor dengan induktor, namun tidak dilakukan karena harga induktor yang mahal dan bentuknya yang besar.Diferensiator dapat juga dilihat sebagai tapis pelewat-rendah dan dapat digunakan sebagai tapis aktif. II.6 Karakteristik Op-Amp Penguat operasional modern adalah sebuah keadaan solid, memiliki gain tinggi, penguat tegangan DC. Rangkaian umpan balik praktis bekerja berdasarkan pada rangkaian yang diturunkan dalam bagian sebelumnya menggunakan model op-amp ideal. Mengganti yang sebenarnya, untuk penguat operasional yang ideal akan menghasilkan beberapa variasi yang dapat diprediksi dari operasi ideal yang sedikit diabaikan di banyak aplikasi. Dalam kasus penguat operasional ideal, sirkuit operasi dipandang bergantung sepenuhnya pada umpan balik yang digunakan. Hal ini dimungkinkan untuk menggunakan loop amplifier nyata operasional terbuka, tetapi kontrol dan stabilitas masalah yang dihadapi karena gain loop terbuka tinggi (X100000 biasanya di DC). Random noise dari rangkaian input dan kebisingan yang dihasilkan dalam penguat operasional itu sendiri ditambah variasi karakteristik penguat akibat perubahan suhu atau penuaan komponen semua dikalikan dengan gain loop terbuka. Sedikit variasi dalam unit diproduksi menjadi nyata karena efek ini, maka spesifikasi loob terbuka kadang-kadang diberikan nilai konservatif "biasa". Karena setiap rangkaian loop tertutup pada dasarnya adalah memiliki kasus yang khusus, perlu untuk memahami karakteristik baik loop terbuka dan loop tertutup sebelum memulai untuk mendesain sirkuit menggunakan penguat operasional. Setiap pernyataan yang harus dibuat tentang rangkaian penguat operasional harus memenuhi syarat oleh informasi "loop terbuka" atau "loop tertutup" dan karakter umpan balik harus ditentukan untuk informasi " loop tertutup ".
16
Adapun simbol op-amp:
Gambar 14: Simbol op-amp. Untuk karakteristik ideal op-amp sendiri adalah: Tabel 1: Karakteristik ideal op-amp. Karakteristik Op-Amp Gain yang tinggi Bandwidth yang lebar Impedansi input yang besar Impedansi output yang kecil Stabil Konsumsi daya yang rendah Noise yang rendah
Tipikal 90 dB – 110 dB 4 MHz 2 – 10 M ohm 20 – 100 ohm
Tetapi pada prakteknya , ada beberapa karakteristik op-amp antara lain: 1. Arus bias input (input bias current). Pada prakteknya akan ada aliran arus yang
mengalir ke dalam kedua input op-amp. Arus ini adalah arus bias mundur transistor. Arus bias input didefinisikan sebagai: (I + I ) I bias = 1 2 . 2 2. Arus offset input (input offset current). Arus offset input merupakan perbedaan arus
bias input dari kedua terminal input. I os = I1 − I 2 . 3. Tegangan offset input ( input offset voltage). Bila V1 dan V2 berada pada tegangan
yang sama, tegangan output idealnya harus nol, karena V0 = Ad (V2 – V). Tetapi pada prakteknya akan ada tegangan pada output. Tegangan offset input didefinisikan sebagai perbedaan tegangan yang harus disupplaykan pada kedua terminal input agar tegangan output sama dengan nol. 4. Differensial voltage gain (Ad). Merupakan gain bila perbedaan sinyal tegangan input
disupplaykan pada kedua terminal input. 5. Common mode voltage gain (Ac). Merupakan gain bila suatu sinyal input yang sama
disupplaykan pada kedua termi nal input opamp.
16
6. Common mode rejection ratio (CMRR). Merupakan perbandingan antara Ad dan Ac
dalam satuan dB. CMRR = Ad / Ac. 7. Supply voltage rejection ratio (SVRR). SVRR = Perubahan dalam tegangan suplai.
Perubahan dalam tegangan offset input 8. Slew rate. Merupakan ukuran waktu yang dibutuhkan untuk mensaklarkan output dari
minimum tegangan negatif ke maksimum tegangan positif. SR = ∆V / ∆T. 9. Full power bandwidth (f FPBW). f FPBW merupakan frekwensi terbesar dari
tegangan sinus penuh yang dapat dioutputkan op-amp tanpa terjadinya efek slew rate. Jika output, V0 = Vom sin (2πft), maka gradienya: dV0 = 2πfVom cos( 2πft ) . dt Gradien akan maximum bila cos (2πft) = 1. Maka: dV0 = 2πfVom , dimana f adalah f FPBW. dt Jadi SR = 2π f FPBW Vom . Dan f FPBW = SR / (2π Vom). Respon frekuensi: Karakteristik umum respon frekuensi open loop gain dari op-amp adalah seperti berikut ( dalam skala logaritma): 10.
Gambar 15: Respon frekuensi. II. 7 Termokopel Thermocouple adalah dua logam yang didekatkan yang apabila terpapar oleh kalor dengan suhu tertentu akan menghasilkan beda potensial. Termokopel Suhu didefinisikan sebagai jumlah dari energi panas dari sebuah objek atau sistem. Perubahan suhu dapat memberikan pengaruh yang cukup signifikan terhadap proses ataupun material pada tingkatan molekul (Wilson, 2005). Sensor suhu adalah device yang dapat melakukan deteksi pada perubahan
16
suhu berdasarkan pada parameter-parameter fisik seperti hambatan, ataupun perubahan voltage (Wilson, 2005). Salah satu jenis sensor suhu yang banyak digunakan sebagai sensor suhu pada suhu tinggi adalah termokopel seperti pada Gambar dibawah ini:
Gambar 16: Termokopel (Wilson, 2005) Termokopel merupakan jenis logam yang berbeda disatukan salah satu ujungnya dan ujung tersebut dipanaskan maka akan timbul beda potensial pada ujung-ujung yang lain, hal ini diakibatkan oleh kecepatan gerak elektron dari dua material yang berbeda daya hantar panas sehingga mengakibatkan beda potensial. Dalam perancangan serta penggolongan dari termokopel sendiri sudah diatur oleh Instrument Society of America (ISA). Termokopel dibangun berdasarkan Asas Seeback dimana bila dua jenis logam yang berlainan disambungkan ini akan menjadi rangkaian tertutup sehingga perbedaan temperature pada sambungan akan menimbulkan beda potensial listrik pada kedua logam tersebut, selanjutnya akan dibaca oleh alat ukur temperatur (Fraden, 2003). II. 7-1 Tipe-Tipe Termokopel Tersedia beberapa jenis termokopel, tergantung aplikasi penggunaannya, yaitu : a. Tipe K (Chromel (Ni-Cr alloy) / Alumel (Ni-Al alloy)) Termokopel untuk tujuan umum. Lebih murah. Tersedia untuk rentang suhu −200 °C hingga +1200 °C. b. Tipe E (Chromel / Constantan (Cu-Ni alloy)) Tipe E memiliki output yang besar (68 µV/°C) membuatnya cocok digunakan pada temperatur rendah, tipe E adalah tipe non- magnetik. c. Tipe J (Iron / Constantan) Rentangnya terbatas (−40 hingga +750 °C) membuatnya kurang populer dibanding tipe K d. Tipe J memiliki sensitivitas sekitar ~52 µV/°C e. Tipe N (Nicrosil (Ni-Cr-Si alloy) / Nisil (Ni-Si alloy)) Stabil dan tahanan yang tinggi terhadap oksidasi membuat tipe N cocok untuk pengukuran suhu yang tinggi tanpa platinum. Dapat mengukur suhu di atas 1200 °C. Sensitifitasnya sekitar 39 µV/°C pada 900°C, sedikit di bawah tipe K. Tipe N merupakan perbaikan tipe K.
16
f. Termokopel tipe B, R, dan S adalah termokopel logam mulia yang memiliki karakteristik yang hampir sama. Mereka adalah termokopel yang paling stabil, tetapi karena sensitifitasnya rendah (sekitar 10 µV/°C) mereka biasanya hanya digunakan untuk mengukur temperatur tinggi (>300 °C). Type B (Platinum-Rhodium/Pt-Rh) dapat mengukur suhu di atas 1800 °C. Tipe B memberi output yang sama pada suhu 0°C hingga 42°C sehingga tidak dapat dipakai di bawah suhu 50°C. Type R (Platinum /Platinum with 7% Rhodium) dapat mengukur suhu di atas 1600 °C. sensitivitas rendah (10 µV/°C) dan biaya tinggi membuat mereka tidak cocok dipakai untuk tujuan umum. Type S (Platinum /Platinum with 10% Rhodium) dapat mengukur suhu di atas 1600 °C. sensitivitas rendah (10 µV/°C) dan biaya tinggi membuat mereka tidak cocok dipakai untuk tujuan umum. Karena stabilitasnya yang tinggi Tipe S digunakan untuk standar pengukuran titik leleh emas (1064.43 °C). g. Type T (Copper/ Constantan) Cocok untuk pengukuran antara −200 hingga 350 °C. Konduktor positif terbuat dari tembaga, dan yang negatif terbuat dari konstantan. Sering dipakai sebagai alat pengukur alternatif sejak penelitian kawat tembaga. Type T memiliki sensitifitas ~43 µV/°C II. 7-2 Rangkaian Pengkondisi Sinyal Termokopel Untuk rangkaian pengkondisi sinyal termokopel sendiri adalah sebagai berikut:
Gambar 17: Rangkaian pengkondisi sinyal termokopel. Rangkaian pengkondisi sinyal berfungsi untuk mengolah sinyal dari transduser termokopel berupa tegangan yang cukup kecil menjadi tegangan yang lebih besar, sehingga output dari rangkaian ini dapat dibaca oleh untai Analog Digital Converter (ADC). Rangkaian signal conditioning terbagi dalam 3 blok fungsi: a. Low pass Filter
16
Termokopel yang terlalu panjang bisa menangkap sinyal liar layaknya sebuah antena, karena output dari termokopel merupakan sinyal berfrekuensi rendah, perlu dipasang sebuah filter untuk menghilangkan sinyal frekuensi tinggi yang tidak lain adalah noise. R4, R5, C1, dan C2 adalah komponen penyusun low pass filter yang memiliki frekuensi cut off sekitar 3Hz. Diode zener D1 dan D3 digunakan untuk membatasi input yang masuk ke rangkaian. Resistor pull up 1MΩ berfungsi sebagai pengaman pada saat termokopel putus / tidak terhubung, karena saat termokopel tidak terhubung input rangkaian signal conditioning menjadi besar sehingga pemanas tidak akan menyala bila alat ini digunakan sebagai pengendali suhu. b. Penguat tingkat I Penguat Tingkat I adalah rangkaian non- Inverting op-amp menggunakan IC OP 07. Kami memilih penguat jenis non- inverting dengan pertimbangan penguat non-inverting memiliki impedansi masukan yang sangat tinggi dan impedansi keluaran yang rendah, selain itu sinyal input dari termokopel sebanding dengan kenaikan suhu. Didalam rangkaian ini terdapat 2 buah potensiometer. R3 sebagai Zero adjustment, berfungsi untuk mengatur besar kecilnya tegangan offset keluaran. Tegangan offset adalah tegangan yang timbul pada keluaran saat nilai inputannya nol. Tegangan ini digunakan untuk menentukan suhu terendah yang bisa dibaca alat ukur ini. R10 sebagai Gain Adjustment, berfungsi untuk mengatur besar penguatan pada tingkat ini, dengan menganggap tegangan offset = 0V, besar penguatannya adalah seperti berikut: penguatan saat potensiometer posisi minimal: R10 = 0Ω AIm in = 1 + AIm in = 1 +
( R10 + R11 ) R9
( 0 + 300) 10
AIm in = 31 penguatan saat potensiometer posisi maksimal: R10 = 100Ω AIm ax = 1 + AIm ax = 1 +
( R10 + R11 ) R9
(100 + 300) 10
AIm ax = 41 c. Penguat tingkat II Penguat tingkat II juga menggunakan penguat non-inverting sama seperti menguat tingkat I. Op-amp yang digunakan adalah LF 353 Pada penguat ini nilai gain adalah tetap yaitu sebesar:
16
AII = 1 + AII = 1+ AIm in
( R7 ) R8
( 68)
10 = 6.8
Selanjutnya bila rangkaian di analisis secara keseluruhan, rangkaian signal conditioning memiliki penguatan sebesar: Penguatan saat potensiometer posisi minimal: A = AIm in × AII A = 31× 6.8 A = 210.8 Penguatan saat potensiometer posisi maksimal: A = AIm ax × AII A = 41× 6.8 A = 278.8 Besarnya penguatan rangkaian signal conditioning adalah 210 – 279 kali. Sedangkan tegangan outputnya sebesar: V0 = Voffset + Vin × A
16
BAB III PENUTUP Operational Amplifier atau op-amp merupakan salah satu komponen analog yang popular digunakan dalam berbagai aplikasi rangkaian elektronika. Aplikasi op-amp yang paling sering dibuat antara lain adalah rangkaian inverter, non-inverter, integrator dan differensiator. Semua pembahasan diatas adalah rumusan untuk penguatan op-amp ideal. Pada prakteknya ada beberapa hal yang mesti diperhatikan dan ditambahkan pada rangkaian opamp. Antara lain, tegangan offset (offset voltage), arus bias (bias current), arus offset (offset current) dan lain sebagainya. Umumnya ketidak-idealan op-amp dan bagaimana cara mengatasinya diterangkan pada datasheet opamp dan hal ini spesifik untuk masing-masing pabrikan. Semua konfigurasi op-amp yang telah dibahas memiliki satu kesamaan, yaitu terdapat jalur dari output op-amp kembali ke input pembaliknya. Ketika output tidak “dibatasi” ke suplai tegangan, feedback negatif memastikan bahwa operasi op-amp terjadi pada daerah linier (sebagai lawan dari daerah saturasi, dimana tegangan output "dijenuhkan" di salah satu tegangan suplai). Amplifikasi, penjumlahan/ pengurangan, dan integrasi/ diferensiasi, semua adalah operasi linier. Sebagai catatan bahwa keduanya (sinyal AC dan offset DC) termasuk didalam operasi ini, kecuali kita menambahkan kapasitor secara seri dengan sinyal input (s) untuk memblokir komponen DC.
16
