BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA

Transkripsi

1 BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Sensor Suhu Termokopel tipe K Termokopel yang digunakan pada penelitan ini menggunakan termokopel tipe K yang ditunjukkan pada gambar dibawah ini. Gambar 2.1 Termokopel tipe K Termokopel ini merupakan termokopel yang biasa digunakan dalam berbagai kegiatan industri. Selain harganya yang murah, termokopel ini juga mempunyai jangkauan yang cukup tinggi. Pembaca sensor termokopel tipe K ini memiliki batas suhu antar -200 o C sampai o C. Termokopel ini berbahan dasar Chromel dan Alumel yang mempunyai sensitivitas rata-rata 41 µv/ o C. (Data sheet acquired from Harris Semiconductor. 2010) Termokopel 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. Sensor suhu adalah device yang dapat melakukan deteksi pada perubahan suhu berdasarkan pada parameterparameter fisik seperti hambatan, ataupun perubahan voltage. 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

2 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. Termokopel dapat dihubungkan secara seri satu sama lain untuk membuat termopile, dimana tiap sambungan yang panas diarahkan ke suhu yang lebih tinggi dan semua sambungan dingin ke suhu yang lebih rendah. Dengan begitu, tegangan pada setiap termokopel menjadi naik, yang memungkinkan untuk digunakan pada tegangan yang lebih tinggi. Dengan adanya suhu tetapan pada sambungan dingin, yang berguna untuk pengukuran di laboratorium, secara sederhana termokopel tidak mudah dipakai untuk kebanyakan indikasi sambungan langsung dan instrumen kontrol. Mereka menambahkan sambungan dingin tiruan ke sirkuit mereka yaitu peralatan lain yang sensitif terhadap suhu (seperti termistor atau dioda) untuk mengukur suhu sambungan input pada peralatan, dengan tujuan untuk mengurangi gradiasi suhu di antara ujung-ujungnya. Di sini, tegangan yang berasal dari hubungan dingin yang diketahui dapat disimulasikan, dan koreksi yang baik dapat diaplikasikan. Hal ini dikenal dengan kompensasi hubungan dingin. (Rachman Soleh dkk, 2012) 2.2 Modul RS485 RS485 adalah teknik komunikasi data serial yang dikembangkan di tahun 1983 di mana dengan teknik ini, komunikasi data dapat dilakukan pada jarak yang cukup jauh yaitu 1,2 Km. Selain dapat digunakan untuk jarak yang jauh teknik ini juga dapat digunakan untuk menghubungkan 32 unit beban sekaligus hanya dengan menggunakan dua buah kabel saja tanpa memerlukan referensi ground yang sama antara unit yang satu dengan unit lainnya. SN75176 adalah IC yang menjadi komponen utama Modul RS485 yang didisain untuk komunikasi data secara bidirectional atau multipoint dengan Standard ANSI EIA/TIA-422-B dan ITU V11. Data yang ditransmisikan oleh IC ini dikirim dalam bentuk perbedaan tegangan yang ada pada kaki A dan B dari SN SN75176 berfungsi sebagai pengirim data atau penerima data tergantung dari kondisi kaki-kaki kontrolnya

3 yaitu DE dan RE. Apabila kaki DE berlogika 0 dan RE berlogika 0, maka SN75176 berfungsi sebagai penerima data sedangkan bila kaki DE berlogika 1 dan RE berlogika 1 maka SN75176 berfungsi sebagai pengirim. Gambar 2.2 Komunikasi Data Master dan 32 Slave Sistem komunikasi dengan menggunakan RS485 ini dapat digunakan untuk komunikasi data antara 32 unit peralatan elektronik hanya dalam dua kabel saja. Selain itu, jarak komunikasi dapat mencapai 1,2 Km dengan digunakannya kabel AWG-24 twisted pair. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.2. Agar komunikasi data pada sistem multipoint yang dapat digunakan untuk 32 unit peralatan elektronik tidak terjadi saling bentrok antar data, maka seperti layaknya pada forum diskusi yang benar, pada kondisi awal semua peserta menjadi pendengar terlebih dahulu. Kemudian pada saat salah seorang peserta diskusi berbicara, maka peserta yang lain harus menunggu peserta yang berbicara tersebut menyelesaikan pembicaraan. Apabila peserta tersebut selesai berbicara, maka peserta tersebut kembali menjadi pendengar sedangkan yang lain baru boleh berbicara untuk memberikan tanggapan atau mengajukan usul yang lain. Hal ini diperlukan agar forum diskusi dapat berjalan dengan baik dan tertib. Demikian pula pada komunikasi RS485, semua peralatan elektronik berada pada posisi penerima hingga salah satu memerlukan untuk mengirimkan data, maka peralatan tersebut akan berpindah ke mode pengirim, mengirimkan data dan kembali ke mode penerima. Setiap kali peralatan elektronik tersebut hendak mengirimkan data, maka terlebih dahulu harus diperiksa, apakah jalur yang akan digunakan sebagai media pengiriman data tersebut tidak sibuk. Apabila jalur masih sibuk, maka peralatan tersebut harus menunggu hingga jalur sepi. Agar data yang dikirimkan hanya sampai ke peralatan elektronik yang dituju, misalkan ke salah satu Slave, maka terlebih dahulu pengiriman tersebut diawali dengan Slave ID dan dilanjutkan dengan data yang dikirimkan. Peralatan elektronik-peralatan elektronik yang lain akan menerima data tersebut, namun bila data yang diterima tidak mempunyai ID yang sama dengan Slave ID yang dikirimkan, maka

4 peralatan tersebut harus menolak atau mengabaikan data tersebut. Namun bila Slave ID yang dikirimkan sesuai dengan ID dari peralatan elektronik yang menerima, maka data selanjutnya akan diambil untuk diproses lebih lanjut. (Deltaelectronic, 2007). Komunikasi serial RS485 menggunakan sepasang kabel untuk mengirimkan satu sinyal. Tegangan antara kedua kabel saluran selalu berlawanan. Logika ditentukan dari beda tegangan antara kedua kabel tersebut. SN75176 merupakan IC multipoint RS485 transceiver. Di dalam SN75176 terdapat sebuah driver dan receiver seperti pada Gambar 2.3. Gambar 2.3 Bagan IC SN75176 SN75176 dapat mendukung 32 unit paralel dalam satu jalur. Sensitivitas tegangan input receiver 0,2 V dan jarak maksimum 4000 feet. Pada mode pengiriman (transmitting), kaki enable kirim DE diberi logika 1. Keluaran A dan B ditentukan oleh masukan driver D, dimana keluaran A akan sesuai dengan logika driver D, sedangkan B berkebalikan. Jika input D berlogika 1, maka output A akan bertegangan 5 Volt dan output B 0 Volt. Sebaliknya jika input D berlogika 0 maka output A bertegangan 0 Volt dan output B 5 Volt. Pada mode penerimaan (receiving), kaki enable terima RE diberi logika 0. Output receiver R ditentukan oleh tegangan diferensial antara input A dan B (VA - VB). Jika tegangan diferensial VA - VB lebih besar dari +0,2 Volt, maka receiver R akan berlogika 1, sedangkan jika VA - VB lebih kecil dari -0,2 Volt maka receiver R akan berlogika 0. Untuk tegangan VA - VB antara -0,2 Volt sampai +0,2 Volt, maka level logika keluaran tidak terdefinisi. Mode pengiriman dan penerimaan data SN75176 ditunjukkan pada Tabel 2.1 dan 2.2. Tabel 2.1 Pengiriman data (transmitting) INPUT ENABLE OUTPUT D DE A B H H H L L H L H x L Z Z

5 Tabel 2.2 Penerimaan data (receiving) DIFFERENTIAL ENABLE OUTPUT INPUTS (A B) RE R V ID 0,2V L H -0,2V < V ID < 0,2V L? V ID -0,2V L L x H Z OPEN L? H = High Level, L = Low Level, x = Irrelevant, Z = high impedance (off),? = Indeterminate Jika terdapat gangguan listrik yang menimpa saluran transmisi, maka induksi tegangan gangguan akan diterima kedua kabel saluran sama besar. Karena Receiver membandingkan selisih tegangan antara dua kabel saluran, maka induksi tegangan tidak akan berpengaruh pada output. Dengan kemampuan menangkal gangguan yang sangat baik ini, RS485 bisa dipakai untuk membangun saluran transmisi jarak jauh sampai 4000 feet dengan kecepatan tinggi. (Sivakumar, 2008). Bus RS485 adalah mode transmisi balanced differential. Bus ini hanya mempunyai dua sinyal, A dan B dengan perbedaan tegangan antara keduanya. Karena line A sebagai referensi terhadap B maka sinyal akan high bila mendapat input low, demikian pula sebaliknya. Pada komunikasi RS485 semua peralatan elektronik berada pada posisi penerima hingga salah satu memerlukan untuk mengirimkan data, maka peralatan tersebut akan berpindah ke mode pengirim, mengirimkan data dan kembali ke mode peneima. Setiap kali peralatan elektronik tersebut hendak mengirimkan data, maka terlebih dahulu harus diperiksa, apakah jalur yang akan digunakan sebagai media pengiriman data tersebut tidak sibuk. Apabila jalur masih sibuk, maka peralatan tersebut harus menunggu hingga jalur sepi. Agar data yang dikirimkan hanya sampai kepada peralatan elektronik yang dituju, misalkan ke salah satu Slave, maka terlebih dahulu pengiriman tersebut diawali dengan Slave ID dan dilanjutkan dengan data yang dikirimkan. Peralatan elektronik yang lain akan menerima data tersebut, namun data yang diterima tidak mempunyai ID yang sama dengan Slave ID yang dikirimkan, maka peralatan

6 tersebut harus menolak atau mengabaikan data tersebut. Namun bila Slave ID yang dikirimkan sesuai dengan ID dari peralatan elektronik yang menerima, maka data selanjutnya akan diambil untuk diproses lebih lanjut. Gambar 2.4 Grafik kecepatan transfer data vs panjang kabel data (T. Abdul, 2007) MAX 232 Max232 merupakan salah satu perangkat yang berfungsi sebagai antarmuka (interfacing) komputer ke peralatan luar dengan pengiriman data secara serial (per bit). Recomended Standard Number 232 digunakan dengan data biner serial yang ditransmisikan untuk berkomunikasi dengan peralatan lain. Standar komunikasi Max232 adalah standard komunikasi serial paling umum digunakan terutama dalam komputer IBM PC dan peralatan lain yang kompatible. Komunikasi serial Max232 dijalankan dengan menggunakan perangkat standart yang berhubungan dengan dua tipe peralatan yaitu dataterminal equipment (DTE) dan data communication terminating (DCE). Proses transfer data secara serial memerlukan penunjang peralatan lain untuk pengiriman data berupa DTE untuk masingmasing terminal. Pada prinsipnya proses pengiriman data dengan menggunakan serial interface sangat sederhana. Data ditransfer dikirim dari satu ke terminal ke terminal yang lain begitu pula sebaliknya. Proses data dari satu komputer ke komputer yang lain memerlukan jalur komunikasi data agar data dapat di terima baik oleh penerima. Jalur ini dikenal dengan protokol. Protokol digunakan start bit, stop bit, parity bit dan sebagainya. Semua protokol komunikasi merupakan fungsi mikrokode dalam sistem yang harus di atur dahulu sebelum program dijalankan.

7 Max232 merupakan kombinasi untai-untai yang paling popular karena tidak hanya menghubungkan terminal modem, tetapi juga digunakan untuk menghubungkan periferial ke terminal serta untuk menghubungkan piranti data pada sebuah gedung jika digunakan line driver dan line receiver sebagai penggganti modem. Karakteristik elektris yang dimilki EIA-232 menspesifikasikan bahwa untai-untai tak seimbang digunakan dengan tegangan positif antara +3 sampai +25V. Pada tegangan ini isyarat dikenal sebagai biner 0 atau ON atau space. Sedangkan tegangan -3 sampai -25 v menyatakan biner 1 dan keadaan OFF atau Mark. Sedangkan tegangan antara -3 sampai +3 V disebut sebagai daerah transisi yang besaran tegangannya tidak berlaku atau invalid.(rahmat, 2006). 2.3 Mikrokontroler Mikrokontroler adalah suatu sistem komputer lengkap dalam satu chip. Lengkap dalam artian memiliki unit CPU, port I/O (paralel dan serial), timer, counter, memori RAM untuk penyimpanan data saat eksekusi program, dan memori ROM tempat dari mana perintah yang akan dieksekusi. Dan merupakan suatu komponen elektronik kecil yang mengendalikan operasi komponen elektronik lain pada suatu sirkuit elektronik Mikrokontroler AVR Atmega 8535 Mikrokontroler ATmega 8535 merupakan mikrokontroler 8-bit teknologi CMOS dengan konsumsi daya rendah yang berbasis arsitektur enhanced RISC AVR. Dengan eksekusi intruki yang sebagian besar hanya menggunakan suatu siklus clock, ATmega 8535 mencapai throughput sekitar 1 MIPS per MHZ yang mengizinkan perancang sistem melakukan optimasi konsumsi daya verus kecepatan pemrosesan Arsitektur AVR ATmega 8535 Mikrokontroler AVR memiliki arsitektur RISC 8 bit, dimana semua intruksi dikemas dalam kode 16-bit dan sebagian besar instruksi dieksekusi dalam 1 (satu)

8 siklus clock, berbeda dengan instruksi MCS51 yang membutuhkan 12 siklus clock. Selain itu AVR berteknologi RISC (Reduced Instruction Set Computing). Secara garis besar arsitektur mikrokontroler ATMega8535 memiliki bagian sebagai berikut : 1. Port I/O 32 bit, yang dikelompokkan dalam Port A, Port B, Port C dan Port D. 2. Analog to Digital Converter 10-bit sebanyak 8 input. 3. Timer/counter sebanyak 3 buah dengan compare mode. 4. CPU 8 bit yang terdiri dari 32 register. 5. SRAM sebesar 512 byte. 6. Memory Flash sebesar 8 Kbyte dengan kemampuan read while write. 7. Interupsi Internal maupun eksternal. 8. Port Komunikasi SPI. 9. EEPROM sebesar 512 byte yang dapat diprogram saat operasi. 10. Analog Comparator. 11. Komunikasi serial standar USART dengan kecepatan maksimal 2,5 Mbps. Frekuensi clock maksimum 16 MHz. 12. PORT USART untuk komunikasi serial. Media penyimpan program berupa flash memory, sedangkan penyimpan data berupa SRAM (Static Random Acces Memory) dan EEPROM (Electrical Erasable Programmable Read Only Memory). Untuk komunikai data tersedia fasilitas SPI (Serial Peripheral Interface), USART (Universal Shynchronous and Asyncrhonous Serial Receiver and Transmitter), serta TWI (Two-wire Serial Interface). Di samping itu terdapat fitur tambahan, antara lain AC (Analog Comparator), 8 kanal 10-bit ADC (Analog to Digital Converter), 3 buah Timer/Counter, WDT (Watchdog Timer), manajemen penghematan daya (Sleep Mode), serta osilator internal 8 Mhz. seluruh fitur terhubung ke bus 8 bi. Unit interupsi menyediakan sumber interupsi hingga 21 macam.

9 Gambar 2.5 Blok Diagram dan Arsitektur ATmega 8535

10 2.3.3 Konfigurasi pin Mikrokontroler ATmega 8535 Di bawah merupakan konfigurasi pin mikrokontroler AVR ATmega 8535 yaitu : 1. VCC : merupakan pin yang berfungsi sebagai masukan pin catu daya. 2. GND : merupakan pin ground. 3. Port A (PA0..PA7 : merupakan pin I/O dua arah dan pin masukan ADC. 4. Port B (PB0..PB7) : merupakan pin I/O dua arah dan pin fungsi khusus, yaitu timer/counter, komparator analog dan SPI. 5. Port C (PC0..PC7) : merupakan pin I/O dua arah dan pin fungsi khusus, yaitu TWI, komparator analog, input ADC dan Timer Oscilator. 6. Port D (PD0..PD7) : merupakan pin I/O dua arah dan pin fungsi khusus yaitu komparator analog, interupsi eksternal dan komunikasi serial. 7. RESET : merupakan pin yang digunakan untuk mereset mikrokontroler. 8. XTAL1 dan XTAL2 : merupakan pin masukan clock eksternal. 9. AVCC : merupakan pin masukan tegangan untuk ADC. 10. AREF : merupakan pin masukan tegangan referensi ADC. Gambar 2.6 Konfigurasi Pin Mikrokontroler ATmega8535

11 2.3.4 Deskripsi pin-pin pada Mikrokontroler ATMega8535 Untuk keterangan lebih lanjut dibawah ini merupakan sebuah tabel yang menjelaskan konfigurasi pin mikrokontroler ATmega 8535 secara rinci, yaitu: Tabel 2.3 Deskripsi pin-pin AVR ATmega8535 No.Pin Nama Pin Keterangan 10 VCC Catu daya 11 GND Ground Port A : PA0- Port I/O dua arah dilengkapi internal pull PA7 (ADC0- up resistor. Port ini juga dimultipleks ADC7) dengan masukan analog ke ADC 8 kanal 1-7 Port B : PB0 PB Port C : PC 0 PC 7 Port I/O dua arah dilengkapi internal pull up resistor.fungsi lain dari port ini masing masing adalah : PB0 : To (timer/counter0 external counter input) PB1 : T1 (timer/counter1 external conter input) PB2 : AIN0 (analog comparator positive input) PB3 : AIN1 (analog comparator positive input) PB4 : SS (SPI slave select input) PB5 : MOSI (SPI bus master input/slave input) PB6 : MISO (SPI bus master input/slave input) PB7 : SCK (SPI bus serial clock) Port I/O dua arah dilengkapi internal pull up resistor. Dua pin yaitu PC6 dan PC7 berfungsi sebagai osilator eksternal untuk timer/counter 2.

12 14-21 Port D : PD0 PD7 Port I/O dua arah dilengkapi internal pull up resistor. Fungsi lain dari port ini masing masing adalah : PD0 : RXD (UART input line) PD1 : TXD (UART input line) PD2 : INT0 (eksternal interrupt 0 input) PD3 : INT 1 (eksternal interrupt 1 input) PD4 : OC1B ( timer/counter 1 output compare B match input) PD5 : OC1A ( timer/counter 1 output compare A match input) PD6 : ICP (timer/counter1 input capture pin) PD7 : OC2 (timer/counter2 output compare match output) 9 RESET Masukan reset. Sebuah reset terjadi jika pin ini diberi logika low melebihi periode minimum yang diperlukan. 13 XTAL 1 Masukan ke inverting oscillator amplifier dan masukan ke rangkaian internal clock. 12 XTAL 2 Keluaran dari inverting oscillator amplifier 30 AVCC Catu daya untuk port A dan ADC 31 AGND Analog Ground 32 AREF Refrensi masukan analog untuk ADC Peta Memori ATmega 8535 Mikrokontroler AVR ATmega 8535 memiliki dua jenis memori yaitu (1) memori data (SRAM) dan (2) memori program (memori Flash). Di samping itu juga

13 dilengkapi dengan EEPROM (Electrical Erasable Programmable Read Only Memory) untuk penyimpanan data tambahan yang bersifat non-volatile. Memori EEPROM ini mempunyai lokasi yang terpisah dengan sistem register alamat, register data dan register kontrol yang dibuat khusus untuk EEPROM Memori Program dan Data Mikrokontroler ATmega 8535 memiliki On-Chip In-System Reprogrammable Flash Memory untuk menyimpan program. Untuk alasan keamanan, memori program dibagimenjadi dua bagian yaitu (1) Boot Flash Section dan (2) Application Flash Section. Boot Flash Section digunakan untuk meyimpan program Boot Loade, yaitu program yang harus dijalankan pada saat AVR reset atau pertama kali diaktifkan. Application Flash Section digunakan untuk menyimpan progam aplikasi yang dibuat pengguna. Mikrokontroler AVR tidak dapat menjalankan program aplikasi ini sebelum menjalankan Boot Loader. Besarnya memori Boot Flash Section dapat diprogram dari 128 word sampai 1024 word tergantung setting pada konfigurasi bit di-register BOOTSZ. Jika Boot Loader diproteksi, maka program pada Application Flash Section juga sudah aman. Memori data dibagi menjadi tiga yaitu : 1. Terdapaat 32 register keperluan umum (general purpose register_gpr biasa disebut register file di dalam teknologi RISC) 2. Terdapat 64 register untuk keperluan input/output (I/O register) 3. Terdapat 512 byte SRAM internal. Selain itu, terdapat pula EEPROM 512 byte sebagai memori data yang dapat diprogram saat beroperasi. I/O register dan memori SRAM pada mikrokontroler AVR ATmega 8535.

14 Gambar 2.7 Memori AVR ATmega Status Register Status register adalah register berisi status yang dihasilkan pada setiap operasi yang dilakukan ketika suatu instruksi dieksekusi. SREG merupakan bagian dari inti CPU mikrokontroler. Gambar 2.8 Status Register 1. Bit7 I (Global Interrupt Enable), Bit harus di Set untuk meng-enable semua jenis interupsi. 2. Bit6 T (Bit Copy Storage), Instruksi BLD dan BST menggunakan bit T sebagai sumber atau tujuan dalam operasi bit. Suatu bit dalam sebuah register GPR dapat disalin ke bit T menggunakan instruksi BST, dan sebaliknya bit T dapat disalin kembali kesuatu bit dalam register GPR dengan menggunakan instruksi BLD. 3. Bi5 H (Half Cary Flag)

15 4. Bit4 S (Sign Bit) merupakan hasil operasi EOR antara flag N (negative) dan flag V (complement overflow). 5. Bit3 V (Two s Component Overflow Flag) Bit ini berfungsi untuk mendukung operasi matematis. 6. Bit2 N (Negative Flag) Flag N akan menjadi Set, jika suatu operasi matematis menghasilkan bilangan negatif. 7. Bit1 Z (Zero Flag) Bit ini akan menjadi set apabila hasil operasi matematis menghasilkan bilangan Bit0 C (Cary Flag) Bit ini akan menjadi set apabila suatu operasi menghasilkan carry. (Lingga, 2011) 2.4 Penguat Tegangan IC LM 324 Penguat operasional (Operational amplifier) atau yang biasa disebut op-amp merupakan suatu komponen elektronika berupa sirkuit terintegrasi (integrated circuit atau IC) yang terdiri atas bagian differensial amplifier, common emiter amplifier dan bagian push-pull amplifier. Bagian output Op-amp ini biasanya dikendalikan dengan umpan balik negatif (negative feedback) karena nilai gain-nya yang tinggi. Keuntungan dari penggunaan Op Amp adalah karena komponen ini memiliki penguatan (A) yang sangat besar, Impedansi input yang besar, (Zin >>) dan Impedansi Output yang kecil (Zout <<). Selain dari itu, kemampuan interval frekuensi dari komponen ini sangat lebar. Penggunaan dari Op-amp meliputi: amplifier atau penguat biasa (non- Inverting Amplifier), Inverting Amplifier, komputer analog (operasi jumlah, kurang, integrasi, dan diferensiasi), dll. Jenis Op-amp yang populer dipakai adalah chip 741. Penguat operasional 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:

16 Gambar 2.9 Simbol Penguat Operasional 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: a. Penguatan tegangan lingkar terbuka (open-loop voltage gain) AVOL = - b. Tegangan ofset keluaran (output offset voltage) VOf = 0 c. Hambatan masukan (input resistance) R I = d. Hambatan keluaran (output resistance) RO = 0 e. Lebar pita (band width) BW = f. Waktu tanggapan (respon time) = 0 detik g. Karakteristik tidak berubah dengan suhu Kondisi ideal tersebut hanya merupakan kondisi teoritis, yang tidak mungkin dapat dicapai dalam kondisi praktis. Tetapi para pembuat Op Amp berusaha untuk membuat Op Amp yang memiliki karakteristik mendekati kondisi-kondisi di atas. Karena itu sebuah Op Amp yang baik harus memiliki karakteristik yang mendekati kondisi ideal. Berikut ini akan dijelaskan satu persatu tentang kondisikondisi ideal dari Op Amp Penguatan Tegangan Lingkar Terbuka Penguatan tegangan lingkar terbuka (open loop voltage gain) adalah penguatan diferensial Op Amp pada kondisi dimana tidak terdapat umpan balik (feedback) yang diterapkan padanya seperti yang terlihat pada gambar 2.1. Secara ideal,

17 penguatan tegangan lingkar terbuka adalah: AVOL = v0 / Vin = - (2.1) AVOL = V0 / (V1 V2) = - (2.2) Tanda negatif menandakan bahwa tegangan keluaran VO berbeda fasa dengan tegangan masukan Vin. Konsep tentang penguatan tegangan tak berhingga tersebut sukar untuk divisualisasikan dan tidak mungkin untuk diwujudkan. Suatu hal yang perlu untuk dimengerti adalah bahwa tegangan keluaran VO jauh lebih besar daripada tegangan masukan Vin. Dalam kondisi praktis, harga AVOL adalah antara 5000 (sekitar 74 db) hingga (sekitar 100 db). Tetapi dalam penerapannya tegangan keluaran VO tidak lebih dari tegangan catu yang diberikan pada Op Amp. Karena itu Op Amp baik digunakan untuk menguatkan sinyal yang amplitudonya sangat kecil Tegangan Ofset Keluaran Tegangan ofset keluaran (output offset voltage) VOf adalah nilai tegangan keluaran dari Op Amp terhadap tanah (ground) pada kondisi tegangan masukan Vin = 0. Secara ideal, nilai VOf = 0 Volt. Op Amp yang dapat memenuhi nilai tersebut disebut sebagai Op Amp dengan CMR (common mode rejection) ideal. Tetapi dalam kondisi praktis, akibat adanya ketidakseimbangan dan ketidakidentikan dalam penguat diferensial dalam Op Amp tersebut, maka tegangan ofset VOf biasanya bernilai sedikit di atas 0 Volt. Apalagi tidak digunakan umpan balik maka nilai VOf akan menjadi cukup besar untuk menimbulkan kejenuhan (saturasi) pada keluaran. Untuk mengatasi hal ini, maka perlu diterapkan tegangan koreksi pada Op Amp. Hal ini dilakukan agar pada saat tegangan masukan Vin = 0, tegangan keluaran VO = Hambatan Masukan Hambatan masukan (input resistance) Ri dari Op Amp adalah besar hambatan di antara kedua masukan Op Amp. Secara ideal hambatan masukan Op Amp adalah tak berhingga. Tetapi dalam kondisi praktis, nilai hambatan masukan Op Amp adalah antara 5 kω hingga 20 MΩ, tergantung pada tipe Op Amp.

18 Nilai ini biasanya diukur pada kondisi Op Amp tanpa umpan balik. Apabila suatu umpan balik negative (negative feedback) diterapkan pada Op Amp, maka hambatan masukan Op Amp akan meningkat. Dalam suatu penguat, hambatan masukan yang besar adalah suatu hal yang diharapkan. Semakin besar hambatan masukan suatu penguat, semakin baik penguat tersebut dalam menguatkan sinyal yang amplitudonya sangat kecil. Dengan hambatan masukan yang besar, maka sumber sinyal masukan tidak terbebani terlalu besar Hambatan Keluaran Hambatan Keluaran (output resistance) RO dari Op Amp adalah besarnya hambatan dalam yang timbul pada saat Op Amp bekerja sebagai pembangkit sinyal. Secara ideal nilai hambatan keluaran RO Op Amp adalah = 0. Apabila hal ini tercapai, maka seluruh tegangan keluaran Op Amp akan timbul pada beban keluaran (R L), sehingga dalam suatu penguat, hambatan keluaran yang kecil sangat diharapkan. Dalam kondisi praktis nilai hambatan keluaran Op Amp adalah antara beberapa ohm hingga ratusan ohm pada kondisi tanpa umpan balik. Dengan diterapkannya umpan balik, maka nilai hambatan keluaran akan menurun hingga mendekati kondisi ideal Lebar Pita Lebar pita (band width) BW dari Op Amp adalah lebar frekuensi tertentu dimana tegangan keluaran tidak jatuh lebih dari 0,707 dari nilai tegangan maksimum pada saat amplitudo tegangan masukan konstan. Secara ideal Op Amp memiliki lebar pita yang tak terhingga. Tetapi dalam penerapannya, hal ini jauh dari kenyataan. Sebagian besar Op Amp serba guna memiliki lebar pita hingga 1 MHz dan biasanya diterapkan pada sinyal dengan frekuensi beberapa kilohertz. Tetapi ada juga Op Amp yang khusus dirancang untuk bekerja pada frekuensi beberapa MegaHertz. Op Amp jenis ini juga harus didukung komponen eksternal yang dapat mengkompensasi frekuensi tinggi agar dapat bekerja dengan baik Waktu Tanggapan Waktu tanggapan (respon time) dari Op Amp adalah waktu yang diperlukan oleh

19 keluaran untuk berubah setelah masukan berubah. Secara ideal nilai waktu respon Op Amp adalah = 0 detik, yaitu keluaran harus berubah langsung pada saat masukan berubah. Tetapi dalam prakteknya, waktu tanggapan dari Op Amp memang cepat tetapi tidak langsung berubah sesuai masukan. Waktu tanggapan Op Amp umumnya adalah beberapa mikro detik hal ini disebut juga slew rate. Perubahan keluaran yang hanya beberapa mikrodetik setelah perubahan masukan tersebut umumnya disertai dengan overshoot yaitu lonjakan yang melebihi kondisi tunak (steady state). Tetapi pada penerapan biasa, hal ini dapat diabaikan Implementasi Penguat Operasional Rangkaian yang akan dijelaskan dan dianalisa dalam tulisan ini akan menggunakan penguat operasional yang bekerja sebagai komparator dan sekaligus bekerja sebagai penguat. Berikut ini adalah konfigurasi Op Amp yang bekerja sebagai penguat: Gambar 2.10 Penguat Noninverting Sederhana 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: AV = (R1+R=2)/R1 (2.3) AV = 1 + R2 / R1 (2.4) Sehingga : VO =1+(R2/R11) Vin (2.5)

20 Selain penguat noninverting, terdapat pula konfigurasi penguat inverting. Dari penamaannya, maka dapat diketahui bahwa 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 180 o dengan sinyal keluarannya. Jadi jika ada masukan positif, maka keluarannya adalah negatif. Berikut ini adalah skema dari penguat inverting: Gambar 2.11 Penguat Inverting Sederhana Penguatan dari penguat di atas dapat dihitung dengan rumus: AV = R2 / R1 (2.6) Sehingga: VO = ( R2 /R1 )Vi (2.7) (Malvino, 2000)