Salam Satu Setrum: Laporan Pengkondisi Sinyal

LAPORAN

PRAKTIKUM LAB PTE 02

PERCOBAAN 5

RANGKAIAN PENGKONDISI SINYAL

NAMA : SISKA DWI AMBARWATI

NIM : 140534603377

TGL PRAKTIKUM : 13 Maret 2015

FAKULTAS TEKNIK

JURUSAN TEKNIK ELEKTRO

PRODI S1 PENDIDIKAN TEKNIK ELEKTRO

UNIVERSITAS NEGERI MALANG

2015

BAB I

PENDAHULUAN

1.1TUJUAN

1.1.1 Mahasiswa dapat merancang rangkain pengkondisi sinyal

1.1.2 Mahasiswa dapat merangkai rangkaian pengkondisi sinyal

1.1.3 Mahasiswa dapat menganalisa rangkaian pengkondisi sinyal

1.1.4 Mahasiswa dapat mengetahui prinsip kerja, cara kerja serta karakteristik pengkondisi sinyal

1.1.5 Mahasiswa dapat mengetahui komponen-komponen yang dibutuhkan dalam rangkaian pengkondisi sinyal

1.2DASAR TEORI

1.2.1 OPERASIONAL AMPLIFIER

Penguat operasional (Op Amp) adalah suatu rangkaian terintegrasi yang berisi beberapa tingkat dan konfigurasi penguat diferensial yang telah dijelaskan di atas. Penguat operasional memilki dua masukan dan satu keluaran serta memiliki penguatan DC yang tinggi. Untuk dapat bekerja dengan baik, penguat operasional memerlukan tegangan catu yang simetris yaitu tegangan yang berharga positif (+V) dan tegangan yang berharga negatif (-V) terhadap tanah (ground). Berikut ini adalah simbol dari penguat operasional:

Gb. 1 Operational Amplifier

Kelebihan penguat operasional (op amp):

1. Impedansi input yang tinggi sehingga tidak membebani penguat sebelumnya.

2. Impedansi output yang rendah sehingga tetap stabil walau dibebani oleh rangkaian selanjutnya.

3. Lebar pita (bandwidth) yang lebar sehingga dapat dipakai pada semua jalur frekuensi audio (woofer, midle, dan tweeter)

4. Adanya fasilitas offset null sehingga memudahkan pengaturan bias penguat agar tepat dititik tengah sinyal.

Bagian-bagian dalam Op amp :

1. Penguat Differensial, yaitu merupakan bagian input dari Op amp. penguat differensial mempunyai dua input (input + dan input -)

2. Penguat Penyangga (Buffer), yaitu penguat penyangga sinyal output dari penguat differensial agar siap untuk dimasukkan ke penguat akhir op amp.

3. Pengatur Bias, yaitu rangkian pengatur bias dari penguat differensial dan buffer agar diperoleh kestabilan titik nol pada output penguat akhir

4. Penguat Akhir, yaitu penguat yang merupakan bagian output dari Op amp. Penguat Akhir ini biasanya menggunakan konfigurasi push-pull kelas B atau kelas AB.

1.2.2 Karakteristik Ideal Penguat Operasional

Penguat operasional banyak digunakan dalam berbagai aplikasi karena beberapa keunggulan yang dimilikinya, seperti penguatan yang tinggi, impedansi masukan yang tinggi, impedansi keluaran yang rendah dan lain sebagainya. Berikut ini adalah karakteristik dari Op Amp ideal:

- Penguatan tegangan lingkar terbuka (open-loop voltage gain) A_VOL= -¥

- Tegangan ofset keluaran (output offset voltage) V_OO = 0

- Hambatan masukan (input resistance) R_I = ¥

- Lebar pita (band width) BW = ¥

- Waktu tanggapan (respon time) = 0 detik

- Karakteristik tidak berubah dengan suhu

1.2.3 Spesifikasi-Spesifikasi Op Amp

Ada karakteristik-karakteristik lain dari op amp dibandingkan yang diberikan dalam bagian sebelumnya yang masuk dalam aplikasi desain. Karakteristik-karakteristik ini diberikan dalam spesifikasi untuk op amp khusus bersama dengan gain open loop dan impedansi input dan output yang dijelaskan sebelumnya. Beberapa karakteristik tersebut adalah:

· Tegangan offset input. Dalam banyak kasus, tegangan output op amp tidak boleh nol ketika tegangan pada input adalah nol. Tegangan yang harus diterapkan dalam terminal input untuk menggerakkan output ke nol adalah tegangan offset input.

· Arus offset input. Seperti tegangan offset bisa diperlukan melalui input untuk men-zero-kan tegangan output, sehingga arus jala bisa diperlukan melalui input untuk men-zero-kan tegangan output. Arus yang demikian dijadikan acuan sebagai arus offset input. Ini diambil sebagai perbedaan dua arus input.

· Arus bias input. Ini adalah rata-rata dari dua arus input yang diperlukan untuk menggerakkan tegangan output ke nol.

· Slew rate. Jika tegangan diterapkan dengan cepat ke input dari op amp, output akan saturasi ke maksimum. Untuk input step slew rate adalah kecepatan dimana output berubah ke nilai saturasi. Ini khususnya dinyatakan sebagai tegangan per mikrosecond (V/μs).

· Bandwith frekuensi gain satuan. Respons frekuensi dari op amp khusus disefinisikan dengan bode plot dari gain tegangan open loop dengan frekuensi. Plot seperti ini sangat penting untuk rancangan rangkaian yang berhubungan dengan sinyal a-c. Adalah diluar jangkauan dari tulisan ini untuk menjelaskan detail dari desain seperti ini yang memakai bode plot.

1.2.4 PENGKONDISI SINYAL

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.

1.2.5 PENGUAT NON INVERTING

Penguat Tak-Membalik (Non-Inverting Amplifier) merupakan penguat sinyal dengan karakteristik dasar sinyal output yang dikuatkan memiliki fasa yang sama dengan sinyal input. Penguat tak-membalik (non-inverting amplifier) dapat dibangun menggunakan penguat operasional, karena penguat operasional memang didesain untuk penguat sinyal baik membalik ataupun tak membalik. Rangkain penguat tak-membalik ini dapat digunakan untuk memperkuat isyarat AC maupun DC dengan keluaran yang tetap sefase dengan sinyal inputnya. Impedansi masukan dari rangkaian penguat tak-membalik (non-inverting amplifier) berharga sangat tinggi dengan nilai impedansi sekitar 100 MOhm.

Gb. 2 Penguat Non-Inverting

Gambar di atas adalah gambar sebuah penguat non inverting. Penguat tersebut dinamakan penguat noninverting karena masukan dari penguat tersebut adalah masukan noninverting dari Op Amp. Sinyal keluaran penguat jenis ini sefasa dengan sinyal keluarannya. Adapun besar penguatan dari penguat ini dapat dihitung dengan rumus:

A_V= (R1+R2)/R1

A_V = 1 + R2/R1

Sehingga :

V_O =1+(R2/R1) V_id

Untuk membuktikan bahwa penguat tak-membalik akan menguatkan sinyal input sebesar 2 kali dengan fasa yang sama dengan sinyal input. Dapat dibuktikan dengan memberikan sinyal input berupa sinyal AC (sinusoidal) dan mengukurnya menggunakan oscilocope, dimana sinyal input diukur melalui chanel 1 osciloscope dan sinyal output diukur dengan chanel 2 osciloscope. Sehingga diperoleh bentuk sinyal output dan sinyal input penguat tak-membalik (non-inverting amplifier).

Bentuk Sinyal Input Dan Output Penguat Tak-Membalik (Non-Inverting Amplifier) output non-inverting amplifier,output penguat tak membalik,perbandingan input output penguat tak membalik,grafik output non-inverting amplifier,bentuk output non inverting amplifier,input output penguat tak membalik, rangkaian penguat tak membalik diberikan inpul sinyal AC dengan tegangan 1 Vpp.

1.2.6 PENGUAT INVERTING

Sinyal masukan dari penguat jenis ini diterapkan pada masukan inverting dari Op Amp, yaitu masukan dengan tanda “-“. Sinyal masukan dari pengaut inverting berbeda fasa sebesar 180⁰ dengan sinyal keluarannya. Jadi jiak ada masukan positif, maka keluarannya adalah negatif. Berikut ini adalah skema dari penguat inverting:

Gb. 3 Penguat Inverting

Penguatan dari penguat di atas dapat dihitung dengan rumus:

A_V = - R2/R1

Sehingga: V_O = - (R2/R1) V_id

Suatu contoh IC berisi op-amp adalah IC 741, lihat gambar 5.

Gb. 4 IC 741

Fungsi dari masing-masing pin pada IC tersebut adalah sebagai berikut :
     pin 1 : offset nol
     pin 2 : masukan inverting
     pin 3 : masukan non-inverting
     pin 4 : sumber tegangan (VCC = -15 V)
     pin 5 : offset nol
     pin 6 : keluaran
     pin 7 : sumber tegangan (VCC = +15V)
     pin 8 : tidak dipakai

1.2.7 LDR (Light Dependent Resistor)

LDR atau Light Dependent Resistor adalah jenis resistor yang memiliki nilai resistansi yang tidak tetap. Artinya nilai tahanan/resistansi komponen ini dapat berubah-ubah. Perubahan nilai resistansinya tergantung dari kuat lemahnya cahaya yang dia terima, makanya dinamakan Light Dependent Resistor atau resistor yang bergantung pada cahaya.

Pada keadaan gelap tanpa cahaya sama sekali, LDR memiliki nilai resistansi yang besar (sekitar beberapa Mega ohm). Nilai resistansinya ini akan semakin kecil jika cahaya yang jatuh ke permukaannya semakin terang. Pada keadaan terang benderang (siang hari) nilai resistansinya dapat mengecil hingga beberapa ohm saja (hampir seperti konduktor).

Dengan sifat LDR yang demikian maka LDR biasa digunakan sebagai sensor cahaya. Contoh penggunaannya adalah pada lampu taman dan lampu di jalan yang bisa menyala di malam hari dan padam di siang hari secara otomatis.

1.2.8 Transistor

Transistor adalah alat semikonduktor yang dipakai sebagai penguat, sebagai sirkuit pemutus dan penyambung (switching), stabilisasi tegangan, modulasi sinyal atau sebagai fungsi lainnya. Transistor dapat berfungsi semacam kran listrik, dimana berdasarkan arus inputnya (BJT) atau tegangan inputnya (FET), memungkinkan pengaliran listrik yang sangat akurat dari sirkuit sumber listriknya. Pada umumnya, transistor memiliki 3 terminal. Tegangan atau arus yang dipasang di satu terminalnya mengatur arus yang lebih besar yang melalui 2 terminal lainnya.

Transistor PNP

Transistor PNP terdiri dari selapis semikonduktor tipe-n diantara dua lapis semikonduktor tipe-p. Arus kecil yang meninggalkan basis pada moda tunggal emitor dikuatkan pada keluaran kolektor. Dengan kata lain, transistor PNP hidup ketika basis lebih rendah daripada emitor. Tanda panah pada simbol diletakkan pada emitor dan menunjuk kedalam.

1.2.9 Resistor

Resistor adalah komponen elektronik dua saluran yang didesain untuk menahanarus listrik dengan memproduksi penurunan tegangan diantara kedua salurannya sesuai dengan arus yang mengalirinya, berdasarkan hukum Ohm.

Resistor digunakan sebagai bagian dari jejaring elektronik dan sirkuit elektronik, dan merupakan salah satu komponen yang paling sering digunakan. Resistor dapat dibuat dari bermacam-macam kompon dan film, bahkan kawat resistansi (kawat yang dibuat dari paduan resistivitas tinggi seperti nikel-kromium). Karakteristik utama dari resistor adalah resistansinya dan daya listrik yang dapat diboroskan. Karakteristik lain termasuk koefisien suhu, desah listrik, dan induktansi.

Resistor dapat diintegrasikan kedalam sirkuit hibrida dan papan sirkuit cetak, bahkan sirkuit terpadu. Ukuran dan letak kaki bergantung pada desain sirkuit, resistor harus cukup besar secara fisik agar tidak menjadi terlalu panas saat memboroskan daya.

Karakteristik resistor

Karakteristik utama dari resistor adalah resistansinya dan daya listrik yang dapat diboroskan. Karakteristik lain termasuk koefisien suhu, desah listrik, dan induktansi.
Fungsinya :

· Menghambat arus listrik.

· Pembagi tegangan.

· Pengatur volume (potensiometer).

· Pengatur kecepatan motor (rheostat).

· Dll tergantung disain komponen.

BAB II

PERANCANGAN ALAT

2.1 DATA SHEET

1. Data sheet sensor

2. Data sheet IC LM741

3. Data sheer TIP 42

3.2 BAGAN ALAT INPUT DAN OUTPUT PENGKONDISI SINYAL

3.3 ANALISA PERHITUNGAN

1) Output Sensor 0,06 – 0.4

2) Output Motor/Rangkaian 7 - 12 V

V_out = m.V_in + V_offset

12 V = m. 0,4 + Voffset

7 V = m. 0,06 + Voffset

5 V = m. 0,34 V

m =

= 14,7 V.

Mencari V_offset

12 V = m. 0,4 + V_offset

12 V = 14,7 . 0,4 + V_offset

12 V = 4,88 + V_offset

V_offset = 12 – 4,88

= 6,12 V

Menentukan nilai R1, R2, R3 dan R4:

Vout = (

+1) Vin

= Vin – 1

= 14,7 – 1

R2 = 13,7 . R1

Misal R1 = 180 ohm, Maka

R2 = 13,7 . 180

R2 = 2,466 K Ω ≈ 2,4KΩ

V_off = (

)(

6,12 = - 0,0137 . (

6,12 = - 0,1644 . (

-37,2 = (

-37,2R3 – 37,2R4 = R3

R4 = 1,027R3

Misal R3 = 560 Ω, maka:

R4 = 1,027 . 560

R4 = 575,12 Ω

· Karena saya hanya memakai 3 resistor, maka R4 tidak digunakan.

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

· R1 = 180 Ω

· R2 = 2,4 K Ω

· R3 = 560 Ω

· R4 = 575,12 Ω

3.4 SIMULASI

1. Gambar rangkaian

Gb. 1.1 gambar rangkaian

2. Gambar arus rangkaian

Gb. 2.1 Arus Rangkaian

3. Gambar Layout PCB

Gb. 3.1 Layout PCB

4. Gambar Layout tampak atas

Gb. 4.1 Layout tampak atas

BAB III

Langkah Pembuatan Alat

3.1 Alat dan Bahan:

A. PCB

B. Solder

C. Bor PCB

D. FeCl

E. Tissue

F. Amplas

G. Sabun cair

H. Penyedot timah

I. Bensin

J. Setrika

K. Simulator Circuit Wizzard

L. Socket IC 1buah

M. Resistor 560Ohm 3buah

N. Resistor 180hm 1buah

O. Resistor 2,4 kOhm 1buah

P. Transistor PNP 42 1 buah

Q. FAN 12V DC 1 buah

R. Op amp lm741 2buah

S. Hider pager

T. Terminal block 3 pin

U. Jumper

V. Kabel pelangi

W. Obeng (+/-)

3.2 Langkah Langkah Kerja:

1. Menentukan sensor dan perangkat yang akan digunakan.

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

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

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

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

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

7. Bersihkan PCB terlebih dahulu dengan kertas gosok yang halus.

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

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

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

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

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

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

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

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

16. Setelah semua lubang telah dibor, pasang setiap komponen.

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

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

19. Solder kaki komponen dengan solder dan timah, jangan terlalu lama agar tidak merusak komponen, karena ada beberapa komponen yang terkadang dapat rusak bila penyolderannya terlalu panas.

20. Setelah semua kaki sudah disolder dengan baik, cek kesambungan tiap kaki dengan kaki lainnya, apakah ada timah yang terlalu banyak sampai menyambung ke kaki yang lain atau jalur yang lain yang seharusnya tidak menyambung, dan begitupun sebaliknya.

21. Setelah terpasang dengan baik, pengkondisi sinyal siap diuji.

Cara Pengujian :

a. Siapkan multimeter.

b. Aktifkan sakelar DC.

c. Putar sakelar, putar pada tegangan tertentu, kemudian ukur tegangan pada terminal dengan menggunakan mutimeter.

d. Jika tegangannya sampai pada 12 volt berarti rangkaian pengkondisi sinyal yang dibuat telah berhasil.

3.3Gambar rangkaian

1. Rangkaian tampak atas

Gb. 3.1 rangkaian tampak atas

2. Hasil tengangan output

Gb. 3.2 tegangan output

3. Tegangan output sensor

Gb. 3.3 tegangan output sensor

BAB IV

ANALISA DATA

4.1 ANALISA SIMULASI

Gambar 4.1 rangkaian pengondisi sinyal dan jalan arusnya

Seperti gambar diatas, rangkaian tersebut menggunakan sensor cahaya yang memiliki output sebesar 0.06 – 0.4. untuk tegngan inputan dari power supply menggunakan 12 volt. Rangkaian ini menggunakan IC LM 741 dan menggunakan transistor TIP 42 sebagai saklar. Rangkaian diatas merupakan penguat non inverting dimana inputannya ada di positif

Sebelum merangkai rangkaian pengondisi sinyal ini terlebih dahulu kita harus membuat perhitungan simulasi rangkaian untuk menentukan besarnya R1, R2, R3, dan R4 dengan menggunakan rumus. Dari hasil analisa tersebut didapat :

R1 = 180 ohm

R2 = 2,4 kohm

R3 = 560 ohm

R4 = 575,12 ohm

Besarnya nilai resistor tersebut berpengaruh pada output pada rangkaian, yaitu jika R1 lebih kecil dari R2 maka tengangan output akan tinggi, namun sebaliknya jika R1 lebih kecil dari R2 maka tegangan output akan rendah. Nilai R3 berpengaruh pada nilai tegangan outputnya. Jika nilai R3 semakin besar, maka nilai tegangan outputnya semakin kecil, begitu juga sebaliknya. Jika nilai R3 semakin kecil, maka nilai tegangan outputnya semakin besar.

Arus mengalir dari V1 lalu masuk ke op-amp. Setelah masuk ke op-amp arus terbagi 2 yaitu masuk R2 dan arus yang mengalir ke output. Setelah dari R2 arus feedback ke R1. V2 masuk ke transistor. Transistor yang digunakan hanya sebagai saklar. Jika tegangan input sensor adalah 0 volt, maka FAN akan berputar. Jika tegangan sensor semakin besar maka FAN tidak berputar.

Berdasarkan analisa, saya menginginkan output pada rangkaian ini sebesar 7-12 volt untuk dapat menggerakkan FAN yang tegangannya 12 volt. Hasil pada simulasi circuit wizard menunjukkan hasil tegangan output berkisar antara 7-12 volt.

Tetapi pada rangkaian yang sebenarnya hasil yang didapat tidak sama dengan hasil analisa dan perhitungan, yaitu sebesar 3,471 volt, perbedaannya cukup jauh. Ada beberapa kemungkinan yang menyebabkan hasil yang didapt berbeda, antara lain:

1. Human error, karena kurang teliti dalam analisa perhitungan dan pemasangan komponen

2. Alat yang digunakan

Misalnya, menggunakan power supply yang tidak dalam keadaan baik, salah menggunakan power supply,dan power supply yang tidak simetris.

4.2 ANALISA PERHITUNGAN

Output Sensor 0,06 – 0.4

Output Motor/Rangkaian 7 - 12 V

V_out = m.V_in + V_offset

12 V = m. 0,4 + Voffset

7 V = m. 0,06 + Voffset

5 V = m. 0,34 V

m = 14,7 V.

Mencari V_offset

12 V = m. 0,4 + V_offset

12 V = 14,7 . 0,4 + V_offset

12 V = 4,88 + V_offset

V_offset = 12 – 4,88

= 6,12 V

Menentukan nilai R1, R2, R3 dan R4:

Vout = (

+1) Vin

= Vin – 1

= 14,7 – 1

R2 = 13,7 . R1

Misal R1 = 180 ohm, Maka

R2 = 13,7 . 180

R2 = 2,466 K Ω ≈ 2,4KΩ

V_off = (

)(

6,12 = - 0,0137 . (

6,12 = - 0,1644 . (

-37,2 = (

-37,2R3 – 37,2R4 = R3

R4 = 1,027R3

Misal R3 = 560 Ω, maka:

R4 = 1,027 . 560

R4 = 575,12 Ω

· Karena saya hanya memakai 3 resistor, maka R4 tidak digunakan.

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

· R1 = 180 Ω

· R2 = 2,4 K Ω

· R3 = 560 Ω

· R4 = 575,12 Ω

BAB V

PENUTUP

5.1 KESIMPULAN

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

2) Pengkondisi sinyal digunakan untuk menggunakan sinyal keluaran dari sensor sehingga dapat diolah dengan baik dan benar pada tahap berikutnya.

3) Besarnya R1 dan R2 mempengaruhi tegangan output pada rangakaian

4) Nilai R3 berpengaruh pada besarnya tegangan output. Jika R3 semakin besar, tegangan output semakin kecil.

5.2 SARAN

Hal yang harus diperhatikan sebelum membuat rangkaian adalah harus menentukan datasheet sensor yang dibutuhkan. Datasheet yang dipakai harus memiliki range tegangan output. Sehingga kita dapat menentukan R1, R2, R3, dan R4

DAFTAR PUSTAKA

http://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/9027/NSC/LM741.html

http://yuti-yunita.blogspot.com/2012/07/rangkaian-sensor-cahaya-ldr-untuk-kipas.html

http://franzaditya.blogspot.com/2009/02/penguat-operasional-op-amp.html

https://www.futurlec.com/Light_Sensor.shtml

http://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/2787/MOSPEC/TIP42A.html

LAMPIRAN

1. Datasheet sensor

2. Datasheet LM741

3. Datasheet TIP 42