PENGKONDISI SINYAL

Posted by : Unknown Minggu, 13 Desember 2015

Kata Pengantar.

Dengan menyebut nama Allah SWT yang Maha Pengasih lagi Maha Panyayang, saya panjatkan puja dan puji syukur atas kehadirat-Nya, yang telah melimpahkan rahmat, hidayah, dan inayah-Nya kepada saya, sehingga saya dapat menyelesaikan laporan uts mata kuliah LAB PTE 02.

Adapun laporan praktikum ini telah saya usahakan semaksimal mungkin dan tentunya dengan bantuan berbagai pihak, sehingga dapat memperlancar pembuatan laporan ini. Untuk itu saya tidak lupa menyampaikan bayak terima kasih kepada semua pihak yang telah membantu saya dalam pembuatan laporan ini.

Namun tidak lepas dari semua itu, saya sadar sepenuhnya bahwa ada kekurangan baik dari segi penyusun bahasanya maupun segi lainnya. Oleh karena itu dengan lapang dada dan tangan terbuka saya membuka selebar-lebarnya bagi pembaca yang ingin memberi saran dan kritik kepada saya sehingga saya dapat memperbaiki laporan ini.

Saya berharap dari laporan praktikum uts mata kuliah LAB PTE 02 ini dapat diambil hikmah dan manfaatnya sehingga dapat memberikan inpirasi terhadap pembaca.

Malang, 13 Maret 2015

Yoga

NIM 140534603029

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 TUJUAN

1) Mahasiswa dapat merancang rangkain pengkondisi sinyal

2) Mahasiswa dapat merangkai rangkaian pengkondisi sinyal

3) Mahsiswa dapat menganalisa rangkaian pengkondisi sinyal

4) Mahasiswa dapat mengetahui prinsip kerja, cara kerja serta karakteristik pengkondisi sinyal

5) Mahasiswa dapat mengetahui komponen-komponen yang dibutuhkan dalam rangkaian pengkondisi sinyal

1.2 DASAR TEORI

Pengkondisi sinyal digunakan untuk menggunakan sinyal keluaran dari sensor sehingga dapat diolah dengan baik dan benar pada tahap berikutnya seperti rangkaian ADC, mikrokontroler, moving coil atau yang lainnya. Pengkondisi sinyal merupakan istilah umum yang digunakan dalam sistem instrumentasi, dan pada prakteknya pengkondisi sinyal dapat berupa rangkaian penguat, penjumlah, pengurang, differensiator, integral, filter dan lain-lain, serta bisa juga berupa rangkaian gabungan dari 2, 3 atau lebih rangkaian-rangkaian tersebut. Pada praktikum ini, digunakan penguat operasional yang diterapkan sebagai rangkaian penguat dan penjumlah. Penguat Operasional (Op-Amp) merupakan rangkaian terpadu yang dikemas dalam satu IC. Pada umumnya kaki-kaki IC tersebut terdiri atas input membalik atau inverting input (-), input tak membalik atau non inverting input (+), output, offset, dan catu daya seperti pada gambar 1.1 Secara ideal, Op-Amp memiliki beberapa karakteristik, diantaranya :

a. Penguat tegangan tak berhingga (AV = ∼)

b. Impedansi input tak berhingga (rin = ∼)

c. Impedansi output nol (ro = 0) d. Bandwidth tak berhingga (BW = ∼)

d. Tegangan offset nol pada tegangan input (Eo = 0 untuk Ein = 0)

Komponen Op-Amp dikemas dalam satu IC. Salah satu tipe IC Op-Amp yang sering digunakan adalah IC Op-Amp 741

Op-Amp yang digunakan sebagai penguat ditunjukkan pada gambar 2 dan gambar 3. Pada penguat inverting (gambar 2), sinyal Vi diumpakan ke input inverting pada Op-Amp. Disebut inverting atau membalik karena sinyal input Vi berbeda fasa 180o terhadap sinyal output Vo.

Sedangkan penguat non inverting (gambar 3), sinyal Vi diumpakan ke input non inverting pada Op-Amp. Disebut non inverting atau tidak membalik karena sinyal input Vi mempunyai fasa yang sama dengan sinyal output Vo.

Op-Amp yang digunakan sebagai penjumlah ditunjukkan pada gambar 4. Sesuai dengan namanya, rangkaian penjumlah akan menjumlahkan semua sinyal input dengan faktor penguat tertentu yang ditentukan oleh nilai resistor yang digunakan, untuk kemudian dikeluarkan sebagai sinyal output Vo.

OP AMP SEBAGAI PENGUAT PENJUMLAH

Rangkaian Adder/Penjumlah Inverting

Pada operasi adder/penjumlah sinyal secara inverting, sinyal input (V1, V2, V3) diberikan ke line input penguat inverting berturut-turut melalui R1, R2, R3. Besarnya penjumlahan sinyal input tersebut bernilai negatif karena penguat operasional dioperasikan pada mode membalik (inverting).

Besarnya penguatan tegangan (Av) tiap sinyal input mengikuti nilai perbandingan Rf dan Resistor input masing-masing (R1, R2, R3). Masing-masing tegangan output (Vout) dari penguatan masing-masing sinyal input tersebut secara matematis dapat dituliskan sebagai berikut:

Besarnya tegangan output (Vout) dari rangkaian adder/penjumlah inverting diatas dapat dirumuskan sebagai berikut.

Rangkaian Adder/Penjumlah Non-Inverting

Rangkaian adder/penjumlah non-inverting memiliki penguatan tegangan yang tidak melibatkan nilai resistansi input yang digunakan. Oleh karena itu dalam rangkaian penjumlah non-inverting nilai resistor input (R1, R2, R3) sebaiknya bernilai sama persis, hal ini bertujutna untuk mendapatkan kestabilan dan akurasi penjumlahan sinyal yang diberikan ke rangkaian. Pada rangkaian penjumlah non-inverting diatas sinyal input (V1, V2, V3) diberikan ke jalur input melalui resitor input masing-masing (R1, R2, R3). Besarnya penguatan tegangan (Av) pada rangkaian penguat penjumlah non-inverting diatas diatur oleh Resistor feedback (Rf) dan resistor inverting (Ri), sehingga dapat dirumuskan sebagai berikut :

Sehingga dengan diketahuinya nilai penguatan tegangan pada rangkaian penjumlah non-inverting tersebut dapat dirumuskan besarnya tegangan output (Vout) rangkaian secara matematis sebagai berikut :

Rangkaian adder/penjumlah non-inverting ini jarang digunakan dalam aplikasi rangkaian elektronika, karena nilai outputnya adalah hasil kali rata-rata tegangan input dengan faktor penguatan (Av) sehingga nilai penjumlahan tegangan merupakan hasil rata-rata sinyal input dan penguatan tegangan belum sesuai dengan kaidah penjumlahan.

Rangkaian Penguat Membalik (Inverting Amplifier)

Rangkaian penguat membalik diatas merupakan rangkaian dasar inverting amplifier yang menggunakan sumber tegangan simetris. Secara matematis besarnya faktor penguatan (A) pada rangkaian penguat membalik adalah (-Rf/Rin) sehingga besarnya tegangan output secara matematis adalah :

Apabila nilai resistansi feedback (Rf) adalah 10KOhm dan resisntansi input 1 KOhm maka secara matematik besarnya faktor penguatan rangkaian penguat membalik (inverting amplifier) diatas adalah :

Untuk melakukan pengujian rangkaian penguat membalik (inverting amplifier) maka tegangan sumber (simetris) +10Vdc diberikan ke jalur +Vcc sedangkan -10Vdc dihubungkan ke jalur -Vcc. Sebagai sinyal input sebaiknya menggunakan sinyal input sinusoidal dengan range frekuensi audio (20 Hz – 20 KHz) agar terlihat jelas perbedaan sinyal input dan output rangkaian penguat membalik ini yang berbeda phase antar input dan outpunya. Dengan nilai resistansi dan sumber tegangan seperti disebutkan sebelumnya apabila pada rangkaian penguat membalik diatas diberikan sinyal input sebesar 0,5 Vpp maka idealnya tegangan output rangkaian penguat membalik (inverting amplifier) ini adalah.

Dalam bentuk grafik bentuk sinyal output dan sinyal input rangkaian penguat membalik (inverting amplifier) ini dapat digambarkan sebgai berikut.

Gambar Sinyal Output Dan Sinyal Input Inverting Amplifier

Dalam percobaan untuk mendapatkan bentuk sinyal output dan sinyal input seperti diatas dapat digunakan osciloscope doble trace dengan input A osciloscope dihubungkan ke jalur input penguat membalik (inverting amplifier) dan input B osciloscope dihubungkan ke jalur output penguat mebalik tersebut. Dengan alat ukur osciloscope yang terhubung seperti ini dapat dianalisa perbandingan sinyal input dengan sinyal output rangkaian penguat membalik (inverting amplifier) secara lebih life dalam berbagai perubahan sinyal input.

SENSOR SUHU LM35

Sensor Suhu LM35 adalah salah satu jenis sensor yang merubah besaran suhu ke besaran listrik dalam bentuk tegangan. LM35 memiliki 3 buah pin kaki, pin1 untuk INPUT tegangan positif (+), pin2 OUTPUT, pin3 INPUT tegangan negatif/GND (-).

Dapat beroperasi pada tegangan 4 volt sampai 30 volt. Setiap suhu 1 derajat Celcius akan menunjukan tegangan 10 mV.

Persamaan:

Vout = 10 mV/1ºC

Artinya, jika terbaca tegangan Vout = 500 mV, maka temperaturnya = 500mV/10mV= 50ºC.

KARAKTERISTIK SENSOR SUHU LM35

1. Memiliki sensitivitas suhu, dengan faktor skala linier antara tegangan dan suhu 10 mVolt/ºC, sehingga dapat dikalibrasi langsung dalam celcius.

2. Memiliki ketepatan atau akurasi kalibrasi yaitu 0,5ºC pada suhu 25 ºC.

3. Memiliki jangkauan maksimal operasi suhu antara -55 ºC sampai +150 ºC.

4. Bekerja pada tegangan 4 sampai 30 volt.

5. Memiliki arus rendah yaitu kurang dari 60 µA.

6. Memiliki pemanasan sendiri yang rendah (low-heating) yaitu kurang dari 0,1 ºC pada udara diam.

7. Memiliki impedansi keluaran yang rendah yaitu 0,1 W untuk beban 1 mA.

8. Memiliki ketidaklinieran hanya sekitar ± ¼ ºC.

Gambar rangkaian sensor LM35

BAB II

PERANCANGAN ALAT

2.1 DATA SHEET

1) Data sheet sensor suhu LM35

2) Data sheet IC LM741

2.2 BAGAN ALAT INPUT DAN OUTPUT DARI PENGONDISI SINYAL

Gambar rangkaian

IC LM741 yang pertama digunakan sebagai penguat penjumlah. Sedangkan IC LM741 yang kedua digunakan sebagai pengali agar output bernilai positif. Untuk VCC dan VEE saya mendapatkan tegangan dari baterai 12V. Untuk inputan dari IC LM741 pada gambar diatas menggunakan sensor LM35, dan V2 saya menggunakan 0.5V agar didapatkan tegangan offset bernilai 1V

PERHITUNGAN RANGKAIAN PENGONDISI SINYAL

LM35 bekerja diantara suhu -55 sampai 150 derajat Celcius. Setiap kenaikan 1 derajat Celcius maka tegangan output sensor akan bertambah 10mV. Penambahan tegangan ini terjadi ketika suhu sudah melampaui 1 derajat Celcius.

Diumpamakan suhu maksimal untuk menyalakan sebuah kipas adalah 30 derajat Celcius. Jadi tegangan output pada sensor adalah 0.3V. pada kondisi ini output rangkaian yaitu 9V atau pada kondisi maksimal titik kerja pasa motor DC.

· Pada kondisi 0 - 30 derajat Celcius maka output sensor bernilai 0 – 0.3V

· Output Motor/Rangkaian 1 – 9 V

Ø V_out = m.V_in + V_offset

· Dari hasil analisa yang saya lakukan didapatkan sebesar R1= 1k Ω , R2= 13.5k Ω ,dan Rf = 27k Ω dan V2 = 0.5V

Ø Jadi dari perhitungan diatas, maka di dapatkan nilai resistor sebagai berikut:

· R1 = 1k Ω

· R2 = 13.5k Ω

· Rf = 27k Ω

2.3 SIMULASI RANGKAIAN

1) Gambar rangkaian

Gambar 2.3.1 rangkaian pengondisi sinyal dengan input bernilai 1 volt dikarenakan ada tegangan offset sebesar 1V

2) Gambar layout tampak atas

Gambar 2.3.2 layout rangkaian tampak atas

3) Gambar layout tampak bawah

Gambar 2.3.3 layout rangkaian tamapak bawah

4) Gambar saat sensor diberi suhu30 derajat Celcius

Gambar 2.3.4 saat sensor di beri tegangan

5) Gambar saat sensor bernilai 0 derajat celcius

Gambar 2.3.4 saat sensor bernilai 0 derajat Celcius

BAB III

LANGKAH PEMBUATAN ALAT

Setelah kita melakukan perhitungan pada bab sebelumnya saatnya kita memulai merancang alat ini. Berikut ini langkah – langkah pembuatan alat :

1. Menentukan sensor yang akan digunakan

2. Menentukan jenis IC op amp yang digunakan

3. Mencari datasheet untuk komponen yang digunakan

4. Menghitung nilai resistor untuk penguatan yang diinginkan

5. Mempersiapkan semua yang di perlukan untuk merancang alat tersebut.

3.1 ALAT DAN BAHAN

No.	NAMA KOMPONEN	JUMLAH
1.	LM741	2 Buah
2.	Terminal Block 2 pin	2 Buah
3.	Terminal Block 1 pin	1 buah
4.	Trimpot 20KΩ	1 Buah
5.	Resistor 1KΩ	3 Buah
6.	Resistor 27KΩ	1 Buah
7.	LM35	1 Buah
8.	PCB	1 Buah
9.	Kabel jumper	secukupnya
10.	Timah	secukupnya
11	Obeng (-) dan (+)	1 Buah
12.	Solder	1 Buah
13.	Bor PCB	1 Buah
14.	Ferric Chloride	Secukupnya

3.2 LANGKAH KERJA

4 Menentukan sensor dan perangkat yang akan digunakan.

5 Mengkonversi tegangan output dari sensor ke tegangan input perangkat menggunakan rumus pengkondisi sinyal, Vout=m.Vin+Voffset.

6 Merancang rangkaian non-inverting atau inverting dari rumus pengkondisi sinyal. Jika ada Voffset, menggunakan penguat penambah.

7 Setelah rangkain sudah dirancang, rangakaian disimulasikan menggunakan circuit wizzard.

8 Setelah rangkaian yang disimulasikan sudah sesuai dengan Vout pengkondisi sinyal, rangkaian di convert ke PCB layout.

9 Print hasil layout pada kertas glossy krungkut dengan printer laser jet.

10 Bersihkan PCB terlebih dahulu dengan kertas gosok yang halus.

11 Kemudian keringkan dengan tisu dan bersihkan kembali dengan bensin atau minyak tanah.

12 Tempelkan layout yang jadi pada PCB kemudian setrika hingga benar – benar menempel.

13 Setelah dirasa cukup menempel, diamkan PCB sebentar sampai dingin atau suhu turun.

14 Jika sudah dingin atau suhu turun, gosok PCB dengan tangan sampai kertas mengelupas. Jangan terlalu keras saat menggosok.

15 Cek kembali apakah sirkuit tidak ada yang putus, jika ada tebali dengan spidol waterproof agar saat dilarutkan dalam larutan FeCl₃ tidak ikut terlarut.

16 Celupkan ke dalam larutan FeCl₃ dan goyang – goyang wadah yang digunakan untuk proses pelarutan agar tembaga yang tersisa terlarut dalam larutan tersebut.

17 Sekitar 10 – 15 menit lihat apakah tembaga sudah larut apa belum. Jika sudah, ambil PCB tersebut dan keringkan dengan lap atau tisu.

18 Bor lubang pada sirkuit yang sudah ditentukan untuk menempatkan setiap komponen.

19 Setelah semua lubang telah dibor, pasang setiap komponen.

20 Pasang kaki – kaki komponen sesuai dengan kaki – kaki komponen pada datasheet, menghindari kesalahan dalam pemasangan.

21 Pasang komponen dari yang paling pendek dari pcb, agar saat menyolder komponen tidak lepas/turun, agar komponen rapi pemasangannya.

BAB IV

ANALISA DATA

4.1 ANALISA SIMULASI

Gambar 4.1 rangkaian pengondisi sinyal dan hasil outputnya

Dari gambar simulasi jalannya arus rangkaian pada pengondisi dinyal diatas, rangkaian ini memiliki output sensor sebesar 0.3V karena saya memakai sensor suhu LM35 yang bekerja pada 1 derajat Celcius untuk setiap penambahan nilai output sebesar 10mV. Sedangakan untuk inputan dari V2 menggunakan 0.5 volt karena diinginkan nilai offset sebesar 1V dan output dari rangkaian ini adalah sebesar 9 V, hasil ini dapat diperoleh dari analisa perhitungan tersebut. Rangkain ini menggunakan IC LM741, karena IC ini merupakan salah stu IC yang standart untuk aplikasi rangakaian inverting.

Untuk membuat rangakain pengondisi sinyal ini saya menggunakan penguat penjumlah inverting dan rangkaian inverting, ini di karenakan dengan menggunkan 2 penguat inverting. Ini dikarenakan diinginkan output yang bernilai positif, karena pada rangkaian penguat penjumlah inverting nilai masih berupa negatif, dan rangakaian inverting yang kedua ini berfungsi sebagai pengali dari rangkaian inverting yang pertama agar didapatkan nilai output positif, secara logika dapat dibuktikan bahwa nilai negatif dikali dengan nilai negatif maka hasilnya adalah positif.

Sebelum merangkai rangkaian pengondisi sinyal ini terlebih dahulu kita harus membuat perhitungan simulasi rangkaian untuk menentukan besarnya R1, R2, dan Rf. Dengan menggunakan inverting yang akan di jelaskan pada sub bab di bawah. Dari hasil analisa tersebut saya mendapatkan nilai :

R1 = 1k Ω

R2 = 13.5k Ω

Rf = 27k Ω

Besarnya nilai resistor tersebut berpengaruh pada output pada rangkaian, yaitu kombinasii antara R1, R2 dan Rf akan menghasilkan sebuah penguatan dari rangkaian tersebut.

Jalannya arus dari rangkain pengondisi sinyal diatas yaitu arus mengalir dari V dari sensor menuju R1 lalu masuk ke op-amp,dan vrus dari V2 akan mengalir menuju R2 lalu kedua masukan tersebut masuk ke op amp.

Dari hasil analisa rangkain ini saya menginginkan outputnya sebesar 9 volt agar dapat menggerakkan kipas DC yang membutuhkan tegangan sebesar 1-9 volt. Hasil yang saya peroleh dari analisa tersebut lalu saya simulasikan ke program proteus dan hasilnya hampir sama dengan yang telah saya perhitungkan yaitu output rangkaiannya adalah 9.1 volt dan ini sangat mendekati dengan simulasi saya yaitu sebesar 9.12 volt, seperti yang tampak pada gambar 4.1 di atas.

Akan tetapi setelah saya buat simulasinya lalu saya aplikasikan pada rangkaiannya, hasilnya tidak sesuai dengan analisa yang telah saya buat dan simulasinya.hasilnya sangat berbeda jauh dari yang diinginkan, yaitu output rangkaian hanya sebesar 3 koma sekian. Ini adalah hasil yang sangat jauh dari analias maupun simulasi yang telah saya lakukan. Hal ini mungkin disebabkan kerena pemasangan trimpot yang tidak sesuai hal ini menjadikan nilai tahanan R2 tidak sesuai yang diharapkan.

4.2 ANALISA PERHITUNGAN

· Pada kondisi 0 - 30 derajat Celcius maka output sensor bernilai 0 – 0.3V

· Output Motor/Rangkaian 1 – 9 V

Ø V_out = m.V_in + V_offset

9 V = m. 0.3 + Voffset

1 V = m. 0 + Voffset

8 V = m. 0.3

m = 26.6666666666666

Di bulatkan menjadi m = 27

Mencari V_offset

Ø Vout = m. Vin + V_offset

1 V = 27 . 0 + V_offset

1 V = 0 + V_offset

V_offset = 1 V

Menentukan nilai R1, R2, R3 dan Rf dengan menggunakan teorema superposisi.

· Dari hasil analisa yang saya lakukan didapatkan sebesar R1= 1k Ω , R2= 13.5k Ω ,dan Rf = 27k Ω dan V2 = 0.5V

Ø Jadi dari perhitungan diatas, maka di dapatkan nilai resistor sebagai berikut:

· R1 = 1k Ω

· R2 = 13.5k Ω

· Rf = 27k Ω

Kemudian menuju rangkaian inverting kedua dengan penguatan -1 kali sehingga nantinya Voutnya mengalami penguatan yang bernilai positif

V out dari rangkaian inverting pertama berfungsi sebagai V input untuk penguat inverting kedua sehingga Vout akhirnya

BAB V

PENUTUP

5.1 KESIMPULAN

1) Rangkaian pengkondisi sinyal merupakan rangkaian untuk mengubah level tegangan sesuai dengan yang kita inginkan

2) Dalam merancang pembuatan suatu rangkaian sebaiknya kita menganalisa terlebih dahulu komponen-komponen yang di butuhkan

3) Besarnya R1 dan R2 tidak mempengaruhi tegangan output pada rangakaian

4) R3 berfungsi sebagai pengatur keluaran dari op amp sesuai yang kita inginkan.

5.2 SARAN

Sebelum memulai analisa, harus menentukan data sheet sensor yang harus dipakai tetapi dalam mencari data sheet sensor saya mengalami kesulitan karena di dalam data sheet sensor banyak yang tidak ada range tegangan outputnya. Oleh sebab itu sebaiknya data sheet sensornya di tentukan terlebih dahulu agar mudah dalam menganalisa, sehingga rangkaian akan lebih cepat terselesaikan.