Instrumentation Circuits

[KEMBALI KE MENU SEBELUMNYA]

DAFTAR ISI

1. Pendahuluan

2. Tujuan

1. Pendahuluan [Kembali]

Rangkaian penguat operasional (operational amplifier atau op-amp) adalah rangkaian elektronika analog yang digunakan untuk memperkuat sinyal tegangan sangat kecil menjadi lebih besar. Rangkaian ini memanfaatkan sifat op-amp yang memiliki penguatan tegangan tinggi serta impedansi input yang besar dan impedansi output yang rendah. Dengan konfigurasi tertentu seperti penguat inverting dan non-inverting, op-amp mampu mengolah sinyal masukan dengan presisi tinggi dan menghasilkan keluaran yang proporsional sesuai kebutuhan.

Selain sebagai penguat, op-amp juga dapat digunakan sebagai rangkaian penyearah presisi (precision rectifier). Rangkaian ini memungkinkan penyearahan sinyal AC yang sangat kecil tanpa terpengaruh oleh tegangan ambang dioda seperti pada penyearah konvensional. Dengan memanfaatkan op-amp sebagai pengendali arus melalui dioda, precision rectifier mampu menghasilkan sinyal DC dari input AC dengan akurasi tinggi, meskipun amplitudo sinyalnya sangat kecil.

Op-amp juga dapat diaplikasikan sebagai driver atau pengendali beban seperti LED dan motor. Dalam konfigurasi lamp driver, op-amp bekerja dengan mengendalikan transistor sebagai saklar. Ketika sinyal input melewati ambang tertentu, op-amp mengaktifkan transistor yang kemudian menyalakan beban seperti lampu atau LED. Sistem ini banyak digunakan dalam rangkaian sensor, alarm, dan perangkat kontrol otomatis.

2. Tujuan [Kembali]

· Menganalisis karakteristik dasar penguat operasional (op-amp) dalam berbagai konfigurasi.

· Memahami prinsip kerja rangkaian penyearah presisi menggunakan op-amp.

· Mengaplikasikan op-amp sebagai pengendali beban seperti LED melalui transistor (lamp driver).

· Melatih kemampuan membaca dan mensimulasikan rangkaian op-amp dengan software simulasi seperti Proteus.

3. Alat dan Bahan [Kembali]

· Op-amp (IC 741, LM358, LF347, LP311)

· Resistor

Fungsi utama dari resistor adalah membatasi aliran arus. Resistor dapat menahan arus dan memperkecil besar arus. Besar resistansi (kemampuan menahan arus) resistor disesuaikan dengan kebutuhan perangkat elektronika.

· Kapasitor

Kapasitor adalah komponen elektronik yang berfungsi untuk menyimpan dan melepaskan energi listrik dalam bentuk muatan. Dalam berbagai jenis rangkaian, kapasitor memiliki peran penting, seperti menyaring sinyal untuk menghilangkan noise atau komponen frekuensi tertentu, serta memblokir arus searah (DC) sambil meneruskan arus bolak-balik (AC), yang sering digunakan dalam proses kopling sinyal antar tahap rangkaian.

· Dioda

Dioda (Diode) adalah Komponen Elektronika Aktif yang terbuat dari bahan semikonduktor dan mempunyai fungsi untuk menghantarkan arus listrik ke satu arah tetapi menghambat arus listrik dari arah sebaliknya.

· Transistor (2N1711)

Transistor 2N1711 adalah transistor bipolar junction (BJT) tipe NPN yang populer dan banyak digunakan dalam berbagai aplikasi elektronika.

· Sumber sinyal AC (V1: 10 mV)

· Induktor

Induktor adalah komponen listrik pasif yang menyimpan energi dalam bentuk medan magnetik ketika arus listrik mengalir melaluinya.

· Power supply

Power supply (catu daya) adalah perangkat atau sistem yang menyediakan energi listrik ke beban listrik. Fungsi utamanya adalah untuk mengubah energi listrik dari satu bentuk (biasanya dari sumber utama seperti listrik PLN) menjadi bentuk lain yang sesuai dengan kebutuhan perangkat yang akan dioperasikan.

· Ground

Ground adalah titik kembalinya arus searah atau titik kembalinya sinyal bolak balik atau titik patokan dari berbagai titik tegangan dan sinyal listrik dalam rangkaian elektronika.

4. Dasar Teori [Kembali]

Op-Amp (Operational Amplifier)

Op-Amp adalah komponen elektronika aktif yang berfungsi sebagai penguat tegangan dengan penguatan yang sangat tinggi. Op-amp memiliki dua input, yaitu input inverting (-) dan non-inverting (+), serta satu output. Op-amp bekerja berdasarkan prinsip bahwa perbedaan tegangan antara kedua input akan diperkuat dan muncul di output. Op-amp memiliki impedansi input yang sangat tinggi dan impedansi output yang rendah, sehingga sangat cocok digunakan untuk aplikasi penguat sinyal, filter aktif, integrator, diferensiator, dan lainnya. Dalam praktiknya, op-amp sering dikonfigurasikan dalam bentuk penguat inverting, penguat non-inverting, serta komparator.

Penguat Inverting dan Non-Inverting

Penguat Inverting adalah konfigurasi di mana sinyal masukan diberikan pada input inverting (-), dan input non-inverting (+) dihubungkan ke ground. Output-nya berbanding terbalik (berlawanan fasa) dengan input dan diperkuat sebesar perbandingan dua resistor di rangkaian.
Penguat Non-Inverting memberikan sinyal input pada terminal non-inverting (+). Output akan sefasa dengan input dan diperkuat dengan rumus tertentu tergantung nilai resistor.

Precision Rectifier

Precision rectifier adalah rangkaian penyearah yang menggunakan op-amp untuk memperbaiki kelemahan penyearah biasa yang tidak dapat menangani sinyal amplitudo kecil akibat tegangan ambang dioda (~0.7 V). Dengan bantuan op-amp, sinyal sangat kecil pun dapat disearahkan tanpa distorsi signifikan. Precision rectifier sangat berguna dalam sistem pengukuran dan instrumentasi, di mana ketelitian tinggi sangat dibutuhkan.

Lamp Driver dengan Op-Amp

Lamp driver menggunakan op-amp dalam konfigurasi komparator atau penguat sinyal untuk mengendalikan transistor sebagai saklar. Ketika tegangan input melewati ambang tertentu, op-amp akan mengaktifkan transistor sehingga arus dapat mengalir dan menyalakan lampu atau LED. Rangkaian ini banyak digunakan dalam sistem otomatisasi, sensor, dan alarm.

Transistor sebagai Saklar

Transistor dapat berfungsi sebagai saklar elektronik dalam berbagai rangkaian. Ketika basis transistor diberi tegangan cukup, transistor akan menghantar dan memungkinkan arus mengalir dari kolektor ke emitor. Dalam lamp driver, transistor akan mengalirkan arus untuk menyalakan lampu jika sinyal dari op-amp melebihi ambang tertentu.

Dioda dan Kapasitor (Jika digunakan)

Dioda digunakan untuk membatasi arah arus dalam precision rectifier agar hanya satu arah sinyal yang melewati output.
Kapasitor, jika ada dalam rangkaian penguat atau filter, berfungsi sebagai elemen penyimpan muatan dan bisa digunakan untuk meredam noise atau membentuk respon frekuensi tertentu.

5. Prinsip Kerja [Kembali]

Rangkaian ini merupakan konverter tegangan ke arus (Voltage to Current Converter) berbasis op-amp yang digunakan untuk menghasilkan arus output dari sumber tegangan input yang sangat kecil. Pada rangkaian ini digunakan sebuah op-amp 741 yang disusun dalam konfigurasi inverting amplifier dengan penguatan arus.

Tegangan input yang diberikan sebesar 5 mV disalurkan melalui resistor R1 sebesar 100 kΩ menuju terminal inverting (-) dari op-amp. Sementara itu, terminal non-inverting (+) dihubungkan langsung ke ground sehingga membentuk prinsip virtual ground, yang membuat tegangan di titik inverting selalu bernilai nol volt.

Output dari op-amp terhubung kembali ke input inverting melalui resistor umpan balik Rf sebesar 200 kΩ, yang berfungsi untuk mengatur besar kecilnya penguatan yang terjadi di op-amp. Selain itu, output juga dialirkan ke resistor R2 sebesar 10Ω sebagai beban, di mana arus keluaran dapat diukur menggunakan amperemeter.

Melalui konfigurasi ini, arus keluaran Io menjadi proporsional terhadap tegangan input V1, dengan besar penguatan ditentukan oleh kombinasi nilai Rf, R1, dan R2 sesuai dengan persamaan yang tertera pada rangkaian. Pada kondisi yang disimulasikan, tegangan input sebesar 5 mV dapat menghasilkan arus keluaran sebesar 1 mA, yang ditampilkan oleh amperemeter.

Rangkaian seperti ini sangat berguna untuk aplikasi yang membutuhkan kontrol arus presisi dari sinyal tegangan yang kecil, seperti pada sensor, aktuator, atau pengendali beban elektronik.

Rangkaian ini merupakan sistem penguat sinyal kecil dengan penyearah dan filter, yang digunakan untuk memperkuat sinyal AC amplitudo kecil, kemudian diubah menjadi sinyal DC yang dapat diukur menggunakan mikroampermeter.

Pada rangkaian ini, sumber sinyal V1 sebesar 10 mV disalurkan melalui resistor R1 sebesar 100 kΩ menuju input inverting (-) op-amp LF347. Terminal non-inverting (+) op-amp dihubungkan ke ground sehingga titik inverting (-) akan berusaha dijaga pada tegangan nol oleh kerja umpan balik.

Op-amp disusun sebagai inverting amplifier dengan resistor umpan balik Rf sebesar 100 kΩ, yang menghasilkan penguatan sebesar -1 kali. Namun, penguatan dapat dioptimasi sesuai kebutuhan pengolahan sinyal.

Output dari op-amp diarahkan menuju dua buah dioda D1 dan D2 yang berfungsi sebagai penyearah gelombang penuh. Dioda-dioda ini mengarahkan arus sehingga hanya polaritas tertentu yang melewati jalur pengukuran.

Setelah penyearah, sinyal dilewatkan ke beberapa kapasitor:

C1 (1nF) dan C2 (1µF) berfungsi sebagai filter frekuensi tinggi, untuk meredam noise dan ripple dari hasil penyearahan.
C3 (500µF) berfungsi sebagai filter low-pass, sehingga sinyal output menjadi lebih stabil dan menyerupai tegangan DC.

Selanjutnya, sinyal DC yang sudah difilter ini diteruskan ke resistor Rs sebesar 10Ω, yang berperan sebagai beban arus. Arus yang melewati Rs diukur menggunakan mikroampermeter, yang pada simulasi ini menunjukkan 88,8 µA.

Bagian 1: Lamp Driver

Bagian ini menggunakan satu op-amp dari IC LM358N sebagai penguat sinyal. Input non-inverting (+) dihubungkan ke ground, sedangkan input inverting (-) menerima sinyal kontrol dari tegangan referensi +5V.

Output op-amp dihubungkan ke resistor R1 (100Ω) untuk membatasi arus yang masuk ke basis transistor Q1 (2N1711), yang berfungsi sebagai saklar. Transistor ini akan mengendalikan arus yang mengalir melalui kumparan L1 (1mH) yang berfungsi sebagai beban induktif.

Arus yang mengalir di jalur kolektor transistor Q1 menuju L1 diukur menggunakan mikroampermeter. Dengan kontrol dari op-amp, transistor dapat mengatur besarnya arus yang melewati L1 sesuai dengan tegangan input di pin 2 op-amp.

Bagian 2: Indikator LED

Bagian kedua menggunakan op-amp LM358N lainnya dalam konfigurasi penguat non-inverting. Input non-inverting (+) dihubungkan ke ground, sementara input inverting (-) menerima sinyal kontrol (tidak ditampilkan sumbernya secara eksplisit).

Output op-amp ini dihubungkan ke resistor R2 (180Ω) untuk membatasi arus sebelum masuk ke LED D1, sehingga LED dapat menyala saat output op-amp aktif. Fungsi bagian ini adalah sebagai indikator bahwa sistem driver aktif atau bahwa arus telah melewati batas tertentu.

6. Example [Kembali]

Soal 1: Instrumentation Amplifier

Sebuah rangkaian instrumentation amplifier menggunakan konfigurasi 3 op-amp dengan resistansi R1 = 10 kΩ dan Rgain = 2 kΩ. Hitung gain total dari rangkaian instrumentation amplifier tersebut!

Jawaban:

Rumus gain instrumentation amplifier:

$\text{Gain} = 1 + \left(\frac{2R1}{R_{gain}}\right)$

Gain = 1 + (\frac{2 R 1}{R _{g ain}})

Substitusi nilai:

$\text{Gain} = 1 + \left(\frac{2 \times 10\,k\Omega}{2\,k\Omega}\right)$

Gain = 1 + (\frac{2 \times 10 k Ω}{2 k Ω})

\text{Gain} = 1 + 10 = 11

Jadi, gain total = 11 kali.

Soal 2: Wheatstone Bridge dengan Sensor

Sebuah Wheatstone Bridge memiliki konfigurasi:

R1 = R2 = R3 = 100 Ω
R4 = 100 Ω + ΔR

Jika ΔR = 1 Ω, dan tegangan supply Vex = 5V, berapa besar tegangan output (Vout) dari bridge?

Jawaban:

Rumus Vout:

$V_{out} = V_{ex} \times \left(\frac{R4}{R3 + R4} - \frac{R2}{R1 + R2}\right)$

V_{o u t} = V_{e x} \times (\frac{R 4}{R 3 + R 4} - \frac{R 2}{R 1 + R 2})

Karena:

R1 = R2 = 100 Ω
R3 = 100 Ω
R4 = 101 Ω

$\frac{R4}{R3 + R4} = \frac{101}{100 + 101} \approx 0.5025$

\frac{R 4}{R 3 + R 4} = \frac{101}{100 + 101} \approx 0.5025

\frac{R2}{R1 + R2} = \frac{100}{100 + 100} = 0.5

V_{out} = 5V \times (0.5025 - 0.5) = 5V \times 0.0025 = 0.0125V

Jadi, Vout = 12.5 mV.

Soal 3: Differential Amplifier

Pada rangkaian differential amplifier, diketahui:

Input V1 = 2V
Input V2 = 1V
R1 = R3 = 10 kΩ
R2 = R4 = 100 kΩ

Hitung output Vout dari amplifier!

Jawaban:

Rumus differential amplifier:

$V_{out} = \left( \frac{R2}{R1} \right) \times (V2 - V1)$

V_{o u t} = (\frac{R 2}{R 1}) \times (V 2 - V 1)

V_{out} = \left( \frac{100\,k\Omega}{10\,k\Omega} \right) \times (1V - 2V)

V_{out} = 10 \times (-1V) = -10V

Jadi, Vout = -10V.

7. Problem [Kembali]

Problem 1: Gain Instrumentation Amplifier

Diketahui sebuah Instrumentation Amplifier menggunakan konfigurasi resistor sebagai berikut:

R1 = 5 kΩ
Rgain = 1 kΩ

Jika input diferensial (V2 - V1) = 0.2 V, berapa besar tegangan output (Vout) yang dihasilkan?

Problem 2: Output Wheatstone Bridge

Sebuah Wheatstone Bridge digunakan untuk mengukur perubahan resistansi sensor. Konfigurasinya:

R1 = R2 = R3 = 120 Ω
R4 = 120 Ω + ΔR
Vex (excitation voltage) = 10 V

Jika perubahan resistansi ΔR = 3 Ω, berapa besar tegangan output (Vout) dari bridge?

Problem 3: Differential Amplifier

Sebuah differential amplifier memiliki konfigurasi resistor:

R1 = R3 = 20 kΩ
R2 = R4 = 200 kΩ

Jika diberikan input:

V1 = 1.5 V
V2 = 3 V

Tentukan output voltage (Vout) dari differential amplifier tersebut!

8. Soal Latihan [Kembali]

Soal 1: Instrumentation Amplifier

Sebuah instrumentation amplifier memiliki:

R1 = 10 kΩ
Rgain = 5 kΩ
Input diferensial (V2 - V1) = 0.1 V

Rumus gain:

$\text{Gain} = 1 + \frac{2R1}{R_{gain}} = 1 + \frac{2 \times 10\,k\Omega}{5\,k\Omega} = 1 + 4 = 5$

Gain = 1 + \frac{2 R 1}{R _{g ain}} = 1 + \frac{2 \times 10 k Ω}{5 k Ω} = 1 + 4 = 5

Sehingga:

$V_{out} = \text{Gain} \times (V2 - V1) = 5 \times 0.1 V = 0.5 V$

V_{o u t} = Gain \times (V 2 - V 1) = 5 \times 0.1 V = 0.5 V

Pilihan Jawaban:

A. 0.5 V

B. 1 V

C. 2 V

D. 5 V

Jawaban: A. 0.5 V

Soal 2: Wheatstone Bridge

Diketahui:

R1 = R2 = R3 = 100 Ω
R4 = 102 Ω
Vex = 5 V

Rumus:

$V_{out} = V_{ex} \times \left(\frac{R4}{R3 + R4} - \frac{R2}{R1 + R2}\right)$

V_{o u t} = V_{e x} \times (\frac{R 4}{R 3 + R 4} - \frac{R 2}{R 1 + R 2})

\frac{R4}{R3 + R4} = \frac{102}{100 + 102} \approx 0.505

\frac{R2}{R1 + R2} = \frac{100}{100 + 100} = 0.5

V_{out} = 5V \times (0.505 - 0.5) = 5V \times 0.005 = 0.025V = 25 mV

Pilihan Jawaban:

A. 25 mV

B. 50 mV

C. 75 mV

D. 100 mV

Jawaban: A. 25 mV

Soal 3: Differential Amplifier

Diketahui:

R1 = R3 = 10 kΩ
R2 = R4 = 100 kΩ
V1 = 0.5 V
V2 = 1.5 V

Rumus:

$V_{out} = \left(\frac{R2}{R1}\right) \times (V2 - V1)$

V_{o u t} = (\frac{R 2}{R 1}) \times (V 2 - V 1)

V_{out} = \left(\frac{100\,k\Omega}{10\,k\Omega}\right) \times (1.5V - 0.5V) = 10 \times 1V = 10V

Pilihan Jawaban:

A. 5 V

B. 7 V

C. 10 V

D. 15 V

Jawaban: C. 10 V

9. Percobaan [Kembali]

1. FIG 11.25

2. FIG 11.26

3. FIG 11.27

10. File Download [Kembali]

· FIG 11.25 (DISINI)

· FIG 11.26 (DISINI)

· FIG 11.27 (DISINI)

- Video Rangkaian 11.25 (DISINI)

-Video Rangkaian 11.26 (DISINI)

- Video Rangkaian 11.27 (DISINI)

Datasheet Op- Amp disini

Datasheet baterai disini

Datasheet resistor disin

Datasheet Resistor [Klik Disini]

Datasheet Relay [Klik Disini]

Datasheet Op-Amp [Klik Disini]

Datasheet Battery [Klik Disini]

Datasheet Dioda [Klik Disini]

Cari Blog Ini

Tri Ashari Mukhti