APLIKASI PERANGKAT LUNAK ELECTRONICS WORKBENCH PADA ALAT ELEKTRONIK ANALOG

Transkripsi

1 Aplikasi Perangkat Lunak Electronics Workbench pada Alat Elektronik Analog (Samuel H. Tirtamihardja) APLIKASI PERANGKAT LUNAK ELECTRONICS WORKBENCH PADA ALAT ELEKTRONIK ANALOG Samuel H. Tirtamihardja ABSTRAK Untuk menganalisa dan merancang suatu rangkaian elektronika kita tidak harus membuat rangkaian tersebut baru kemudian kita coba amati rangkaian tersebut dengan mempergunakan multimeter ataupun osiloskop. Sekarang kita dapat mempergunakan software elektronika untuk menganalisa dan merancang suatu rangkaian elektronika. Software yang paling umum dipergunakan adalah Electronics Workbench ( EWB ).. PENDAHULUAN Di zaman komputerisasi ini, seperti di dalam bidang Teknik Elektro, rangkaian listrik real dapat disimulasikan dengan menggunakan program komputer sehingga pada layar komputer dapat dilihat respons seperti apa yang dikehendaki pada rangkaian elektronik realnya. Sampai saat ini, alatalat elektronik yang dijadikan objek dalam karya tulis ilmiah sebagai syarat kelulusan dan bahan penilaian untuk mata ajaran Analisa dan Perancangan, dirancang dan dianalisa hanya secara teoritis berdasarkan literatur yang ada. Dalam penelitian ini perangkat lunak Electronics Workbench (EWB) diteliti untuk diaplikasikan sebagai program simulasi bagi alatalat elektronik yang dirancang. Dalam hal ini diteliti mengenai seberapa akurat respons yang diperoleh dari simulasi EWB dibandingkan dengan respons dari beberapa alat elektronik real dan juga seberapa banyak jenis alat elektronik yang dapat disimulasikan atau seberapa banyak jenis komponen atau rangkaian terintegrasi yang terdapat dalam EWB. Aplikasi EWB ini diharapkan dapat menjembatani kesenjangan antara teori dan praktek seperti disebut di atas. Biasanya pada suatu karya tulis ilmiah mengenai perancangan dan penganalisaan suatu alat elektronik hanyalah didasarkan pada studi literatur dan tidak melalui suatu pembuktian praktis. Pembuktian dengan komponenkomponen dan rangkaianrangkaian terintegrasi fisik selain membutuhkan biaya pengadaan yang tinggi (untuk jenis dan jumlah besar), juga sering terjadi kerusakan pada komponenkomponen fisik tersebut. Penggunaan EWB dapat mengatasi kelemahankelemahan perangkat keras di atas dan membangkitkan kepercayaan diri para mahasiswa bahwa alat elektronik yang dirancang dapat bekerja seperti yang dikehendaki. Penelitian ini dibatasi dengan menguji coba alat elektronik analog, yang dirancang dan dianalisa oleh mahasiswa Jurusan Teknik Elektro untuk mata ajaran Analisa dan Perancangan. Penelitian ini bertujuan untuk menyelidiki keakuratan respons yang diperoleh dari simulasi EWB dibandingkan dengan respons secara fisik dan teoritis dari alat elektronik yang dipilih, yakni suatu alat elektronik analog dan berapa banyak jenis komponen atau rangkaian terintegrasi yang terdapat dalam EWB. Penelitian ini menganalisis hasil pengujian baik secara fisik maupun simulasi dari Transmitter Vibrasi (analog).

2 Jurnal Teknologi Industri Vol. IV No. Juli 000 : 8 Transmitter vibrasi adalah alat yang dapat mengukur level dan komponen frekuensi dari vibrasi mesin secara elektronik serta dapat mengirimkan datadata itu ke ruang pemantauan sejauh 00 m dari alat tersebut. Transmitter vibrasi ini menggunakan suatu transduser vibrasi yang disebut akselerometer piezoelektrik / AP (piezoelectric accelerometer) dan terdiri dari penguat depan muatan, penguat instrumentasi, penguat tegangan tak membalik dua tingkat, filter lolos bawah, filter lolos pita, dan pengubah tegangan ke arus.. REALISASI RANGKAIAN DAN CARA KERJA ALAT Sistem lengkap dari transmitter vibrasi berturutturut terdiri dari tingkat penguat depan muatan, tingkat penguat instrumentasi, tingkat filter lolos bawah 0 khz orde, tingkat filter lolos pita tingkat orde, tingkat penguat tegangan tak membalik tingkat, tingkat pengubah tegangankearus dan tingkat catu daya. Catu daya yang digunakan adalah sumber tegangan searah V dan V yang dikonversi dari sumber tegangan bolakbalik PLN... Diagram Blok dan Cara Kerja Alat Secara keseluruhan diagram blok dari transmitter vibrasi dapat dilihat pada Gambar., di sini catu daya tidak digambarkan. Akselerometer Piezoelektrik ( pc/ms) Penguat Depan Muatan ( mv/pc) Penguat Instrumentasi (A vo kali) LPF Orde (00 khz) Kabel Telepon 00m Pengubah Beban TegangankeArus ( ma/v) BPF Tingkat ( Hz) BPF Tingkat (00 Hz) BPF Tingkat (000 Hz) Penguat Tegangan Tak Membalik Dua Tingkat (A vo =00 kali) Gambar. Diagram blok transmitter vibrasi. Di sini digunakan teori bahwa setiap mesin bergetar pada saat bekerja, dimana getaran atau vibrasi yang dihasilkan sebanding dengan kecepatan putaran mesin. Vibrasi mesin dideteksi dengan menggunakan akselerometer piezoelektrik / AP. Transduser ini mengkonversi sinyal percepatan getaran (besaran mekanik) menjadi muatan listrik (besaran listrik), yaitu pc/ms. Sinyal keluaran dari AP diberikan pada rangkaian penguat depan muatan. Penguat depan muatan ini didesain agar memberikan impedansi masukan sangat tinggi dan menghasilkan tegangan keluaran yang sebanding dengan muatan masukannya ( mv/pc). Tegangan keluaran dari penguat depan muatan mempunyai level yang rendah (dalam orde mv). Karena itu tegangan ini diteruskan ke penguat yang cocok untuk memperkuat sinyal level rendah yaitu penguat instrumentasi. Penguatan tegangan dari penguat instrumentasi dapat diatur dengan memutar resistor variabel sesuai dengan nilai yang dikehendaki antara kali.

3 Aplikasi Perangkat Lunak Electronics Workbench pada Alat Elektronik Analog (Samuel H. Tirtamihardja) Penguatan ini dimaksudkan untuk memperoleh level tegangan yang cukup tinggi sehingga dapat direspons dengan baik oleh filter lolos bawah. Tegangan yang telah dimiliki level yang cukup tinggi itu lalu dimasukkan ke rangkaian filter lolos bawah / LPF. Sinyal keluaran penguat instrumentasi akan mengalami penyaringan frekuensi pada saat melewati LPF. Hanya sinyal berfrekuensi di bawah frekuensi pancung dari filter ini yang dilewatkan. LPF didesain untuk meredam derau frekuensi tinggi (lebih dari 0 khz) dan penurunan tegangan pada pita stop sebesar 80 db/dekade (orde). Sinyal yang dihasilkan LPF diteruskan ke salah satu tingkat filter lolos pita / BPF. BPF terdiri dari tiga tingkat pilihan dimana masingmasing tingkat memiliki frekuensi tengah yang dapat diatur dalam jangkauan tertentu. BPF pertama dapat melewatkan frekuensi tengah Hz sampai Hz, BPF kedua melewatkan frekuensi tengah 00 Hz dan BPF ketiga melalukan frekuensi tengah 00 0 Hz. Pemilihan BPF dengan frekuensi tengah yang dikehendaki dapat dilakukan dengan mengatur selektor pada BPF yang dimaksud. Sinyal masukan pada salah satu BPF diseleksi frekuensinya, yaitu cuma frekuensi tertentu yang dilewatkan BPF tersebut. Hal ini dilakukan dengan mengubah frekuensi tengah dari BPF yakni dengan memutar potensiometer yang terdapat pada rangkaian BPF itu sehingga frekuensi yang dilewatkan memberikan indikasi mengenai kecepatan putaran mesin yang dianalisis. Selanjutnya sinyal dari salah satu BPF dihubungkan ke penguat tegangan tak membalik untuk mendapatkan penguatan lebih tinggi. Penguat tegangan tak membalik terdiri dari dua tingkat dengan penguatan tegangan setiap tingkat sebesar 0 kali (total 00 kali). Tegangan keluaran yang diperoleh cukup besar sehingga dapat dikonversi menjadi arus yang memadai untuk dikirimkan. Bagian selanjutnya dari diagram blok adalah pengubah tegangankearus. Di sini sinyal masukan berupa tegangan diubah menjadi arus yang sebanding dengan tegangan tersebut ( ma/v). Pengiriman arus dimaksudkan agar redaman yang dialami lebih kecil daripada yang dialami tegangan melalui jarak yang jauh. Arus listrik dari pengubah tegangankearus dikirimkan melalui kabel ke tempat yang berjarak 00 meter dari pengubah tegangankearus. Di tujuan, arus itu dideteksi dengan menggunakan sebuah resistor sehingga dihasilkan tegangan pada kedua ujung resistor itu. Tegangan jatuh pada resistor ini diukur dengan osiloskop, dimana tegangan ini menunjukkan level getaran yang dihasilkan mesin. Misalkan terdapat mesin yang akan dianalisis dengan kecepatan putaran 00 rpm, maka selektor diatur pada posisi BPF yang meloloskan frekuensi tengah 00 Hz dan potensiometer pada BPF terpilih digeser sampai diperoleh tegangan keluaran alat yang memiliki level yang terbesar, yaitu pada frekuensi 0 Hz. Kemudian level getaran mesin tersebut diamati, jika hasil yang diperoleh sama dengan hasil pengukuran pada saat kondisi baru dan baik, berarti kondisi mesin itu masih baik. Jika hasil pengukuran yang diperoleh menyimpang jauh,mesin tersebut harus diperbaiki... Akselerometer Piezoelektrik Transduser akselerometer piezoelektrik yang merupakan transduser yang dibuat oleh pabrik dan digunakan sebagai alat bantu untuk mendapatkan sinyal listrik yaitu muatan listrik dari percepatan getaran. Dari spesifikasi yang dikeluarkan pabrik pembuatnya, akselerometer ini memiliki sensitivitas pc/ms... Penguat Depan Muatan Penguat depan jenis muatan dipakai sebagai gerbang pertama masuknya sinyal listrik. Penguat depan ini didesain agar dapat meresponsi keluaran dari transduser berupa muatan listrik dan agar panjang kabel dari akselerometer ke penguat ini tidak mempengaruhi tegangan keluaran penguat depan.

4 Jurnal Teknologi Industri Vol. IV No. Juli 000 : 8 R =0MΩ C = nf v i _ V V ICa LF v o Gambar. Penguat depan muatan yang dipakai... Penguat Instrumentasi Penguat instrumentasi yang digunakan sebagai penguat tegangan sinyal dari rangkaian penguat depan muatan karena penguat instrumentasi memiliki karakteristik yang baik, yakni impedansi masukan tinggi, impedansi keluaran rendah, CMRR cukup tinggi dan penguatannya dapat diatur dengan sebuah potensiometer P, sehingga penguat ini cocok untuk memperkuat tegangan dengan level rendah sekali seperti yang diperlukan oleh sinyal dari penguat depan muatan. V ICc R R P k Ω k Ω k Ω R R 0 k Ω R 0 k Ω ICb 7 v o k Ω IC = LF ICd R 7 0 k Ω R 8 0 k Ω Gambar. Penguat instrumentasi dari alat. Penguat instrumentasi yang digunakan ditunjukkan oleh Gambar. dimana IC opamp yang dipakai adalah tingkat LF.

5 Aplikasi Perangkat Lunak Electronics Workbench pada Alat Elektronik Analog (Samuel H. Tirtamihardja).. Filter Lolos Bawah Penguatan tegangan filter lolos bawah / LPF adalah konstan sebesar A vo dari 0 Hz sampai frekuensi pancung dimana penguatan berkurang sebesar db dari A vo. Di atas frekuensi pancung, f c, penguatan berkurang sebesar 80 db/dekade untuk filter orde yang dipakai. Rangkaian LPF orde ditunjukkan oleh Gambar., dimana terlihat IC opamp yang digunakan adalah LF. R 9 R 0, k Ω, k Ω C, nf C, nf V ICa R R R R, k Ω, k Ω,9k Ω C, nf,k Ω R 7 C, nf V ICb 8 7 R R,8 k Ω,9 k Ω v o Gambar. Filter lolos bawah orde empat... Filter Lolos Pita Filter lolos pita / BPF dibuat dengan maksud untuk hanya melewatkan sinyal dengan frekuensi tertentu dan meredam frekuensifrekuensi lain. Gambar. menunjukkan rangkaian BPF yang didesain terdiri dari tiga tingkat pilihan berorde dua. BPF pertama melewatkan frekuensi tengah Hz, filter kedua 00 Hz, dan filter ketiga 00 Hz. Pada alat digunakan selektor untuk memilih BPF mana yang akan digunakan. Kemudian dijelaskan mengenai penguat tegangan tak membalik yang terdiri dari dua tingkat dengan tujuan agar didapat penguatan yang lebih stabil daripada penguatan oleh penguat tegangan satu tingkat untuk harga A vo yang sama. Setiap tingkat dari penguat tegangan tak membalik memiliki penguatan tegangan A vo sebesar 0 kali. Rangkaian penguat tegangan tak membalik dua tingkat dapat dilihat pada Gambar.

6 Jurnal Teknologi Industri Vol. IV No. Juli 000 : 8 C7, µ F R0 R8 9,kΩ R9 Pa 0 kω C, µ F 9 Ω Tingkat fc: Hz 9,kΩ ICa LF V C9 µ F R vin R,kΩ R Pb 0 kω C8 µ F 00Ω,kΩ Tingkat fc: 00 Hz 7 8 ICb LF V vo C 0 nf R R7 R,kΩ R P kω C0 0 nf 7Ω 8,kΩ Tingkat fc: 000 Hz 0,kΩ ICa V ICa LF Gambar. Filter lolos pita tiga tingkat. R9 V 8 9 k Ω k Ω 7 ICb LF R8 R V 9 k Ω k Ω ICa LM8 R0 v o Gambar. Penguat tegangan tak membalik dua tingkat. Selanjutnya tegangan dari diagram blok penguat tegangan akan diubah ke dalam bentuk arus dan dapat dilihat pada Gambar 7.

7 Aplikasi Perangkat Lunak Electronics Workbench pada Alat Elektronik Analog (Samuel H. Tirtamihardja) V 8 7 ICb LM8 i B Kabel Telepon R 00 m k Ω v B _ R k Ω Gambar 7. Pengubah tegangankearus dengan arus yang dikirim.. HASIL SIMULASI DAN PEMBAHASAN Pengujian rangkaian ini dilakukan secara simulasi terhadap beberapa titik uji yaitu keluaran penguat muatan (T ), keluaran penguat instrumentasi (T ), keluaran filter lolos bawah / LPF orde (T ), keluaran setiap filter lolos pita / BPF orde (', ', '), keluaran penguat tegangan tak membalik dua tingkat (T ) dan keluaran pengubah tegangankearus (T 7 / tegangan beban pada R ). Pengujian rangkaian transmitter vibrasi keseluruhan dilakukan tiga kali yaitu dengan memberikan arus sebesar ma dengan frekuensi diubahubah sebesar, 0, dan 0 Hz. Karena komponen transduser tidak terdapat dalam model komponen dari EWB, maka digunakan sumber arus bolakbalik untuk menggantikannya. Prosedur pengujian yang digunakan adalah sebagai berikut. Sumber arus AC diatur sehingga keluarannya adalah arus ma Hz. Arus ini diberikan pada masukan transmitter vibrasi (T 0 ), sedangkan keluarannya (T 7 ) diberikan pada osiloskop. Sinyal keluaran yang tampak pada osiloskop diamati dan direkam. Kemudian simulasi diulangi untuk frekuensi arus 0 Hz dan 0 Hz. Hasil simulasi pengujian transmitter vibrasi dapat dilihat pada gambar 8 di bawah ini. Gambar tersebut mengilustrasikan sinyal keluaran yang diperoleh dengan menggunakan arus berfrekuensi 0 Hz. Gambar 8. Hasil pengujian transmitter vibrasi. 7

8 Jurnal Teknologi Industri Vol. IV No. Juli 000 : 8 Tampak dari gambar di atas bahwa sinyal keluaran transmitter vibrasi berupa sinyal sinus yang terpancung dan berayun. Hal ini menunjukkan bahwa transmitter vibrasi yang dirancang kurang sempurna. Kelemahan dari transmitter vibrasi yang dibuat terutama adalah rangkaian penguat depan muatan kurang meresponsi sinyal masukan yang sangat kecil dan slope tanggapan frekuensi yang dihasilkan masing masing tingkat BPF tidak mencukupi untuk menyaring sinyal dengan baik.. KESIMPULAN Dari hasil percobaan terhadap penelitian yang disimulasikan dengan menggunakan Electronics Workbench v.. Educational Edition (EWB), maka dapat diambil beberapa kesimpulan, sebagai berikut:. Electronics Workbench v.., Educational Edition mempunyai kumpulan model komponen, baik analog maupun digital, yang terbatas sehingga jumlah peralatan elektronik yang dapat diuji terbatas pula sesuai dengan ketersediaan modelmodel komponen pada EWB. Untuk kumpulan model komponen yang lebih banyak, disarankan untuk menggunakan Electronics Workbench, Professional Edition.. Dalam perangkat lunak EWB terdapat suatu instrumen tes istimewa yang tidak ada di dalam dunia real / fisik, yakni Bode Plotter, yang berfungsi untuk memberikan tanggapan frekuensi lengkap dari suatu rangkaian jika masukan suatu rangkaian diberi sinyal sinus dengan amplitudo dan frekuensi tertentu.. Pengujian secara simulasi terhadap Transmitter Vibrasi dengan EWB memberikan perbedaan hanya sampai dengan, % dibandingkan pengujian secara fisik untuk blokblok penguat depan muatan, penguat instrumentasi, penguat tegangan tak membalik dua tingkat, pengubah tegangankearus, filter lolos bawah orde, dan frekuensi tengah dari filter lolos pita tingkat. Sedangkan untuk pengujian penguat tegangan dan lebar pita frekuensi dari filter lolos pita menghasilkan perbedaan yang cukup signifikan.. Sinyal keluaran Transmitter Vibrasi yang diperoleh dengan EWB berupa sinyal sinus yang terpancung dan berayun, yang menunjukkan bahwa Transmitter Vibrasi yang dirancang kurang sempurna. Kelemahan dari transmitter vibrasi yang dibuat terutama adalah rangkaian penguat depan muatan kurang meresponsi sinyal masukan yang sangat kecil dan slope tanggapan frekuensi yang dihasilkan masing masing tingkat BPF tidak mencukupi untuk menyaring sinyal dengan baik.. DAFTAR PUSTAKA Boylestad, Robert dan Louis Nashelsky, Electronic Devices and Circuit Theory, Edisi ke, Prentice Hall International Inc., Englewood Cliffs, New Jersey, 99. Hugeng, Alat Ukur Vibrasi Jarak Jauh, Tugas Akhir, Universitas Trisakti, Jakarta, 99. Interactive Image Technologies Ltd., Electronics Workbench: Technical Reference, Toronto, Ontario, 99. Interactive Image Technologies Ltd., Electronics Workbench: User's Guide, Toronto, Ontario, 99. Jacob, J. Michael, Applications and Design with Analog Integrated Circuit, Edisi ke, Prentice Hall International Inc., Englewood Cliffs, New Jersey, 99. Jones, Larry dan A. Foster Chin, Electronic Instrumentation and Measurement, John Wiley & Sons Inc., New York, 98. Malvino, Albert Paul, Electronic Principles, Edisi ke, McGrawHill Co., Singapore, 99. Serridge, Mark, dan Torben R. Licht, Piezoelectric Accelerometer and Vibration Preamplifier Handbook, Brüel & Kjær, Denmark, 98. Yacono, John dan Marc Spiwak, Electronics Experimenter s Handbook, Winter 99. 8