PERANCANGAN DAN PEMBUATAN TEMPERATURE TRANSMITTER MENGGUNAKAN OPERATIONAL AMPLIFIER (OP-AMP) IC LM741.

Transkripsi

1 PERANCANGAN DAN PEMBUATAN TEMPERATURE TRANSMITTER MENGGUNAKAN OPERATIONAL AMPLIFIER (OP-AMP) IC LM741. Lilik Hari Santoso 1, Achmad Anwari 1, Dewi Kartikasari 1,* 1 Teknik Elektro, Sekolah Tinggi Teknologi Texmaco, Jl. Raya Cipeundeuy Pabuaran Km. 3,5 Cipeundeuy- Subang, Jawa Barat dkartikayoko@gmail.com * ABSTRAK Rangakaian konverter tegangan ke arus (V/I Converter) standar sinyal 4 20 ma adalah bagian dari temperature transmitter sebagai alat pentransmisi sinyal. Rangkaian ini umum digunakan pada sistem instrumentasi dan kontrol elektronik dimana jarak antara sensor dengan kontroler cukup jauh, sehingga tidak memungkinkan mentransmisikannya dalam bentuk tegangan, karena bisa terjadi tegangan drop pada saat proses transmisi data, apalagi jika jaraknya jauh. Perancangan alat pada penelitian ini menggunakan IC LM 741 sebagai penguat tegangan dan konverter tegangan ke arus. Thermocouple sebagai sensor suhu bekerja pada rentang suhu 40 C- 100 C dengan Low Range Value (LRV) pada suhu 41.4 C menghasilkan 4mA dan Upper Range Value (URV) pada suhu 94.5 C menghasilkan 20mA. Hasil penelitian diperoleh nilai error dibawah 0.1 %, sehingga kualitas temperature transmitter dengan IC LM 741 terbukti baik dan bisa diaplikasikan sebagai alat pentrasmisi sinyal 4-20 ma ke kontroler pada proses industri, dengan komponen yang mudah didapat dan relatife murah, sehingga bisa digunakan untuk keperluan yang lebih luas sebagai komponen transmisi. Kata Kunci : V/I Converter, Standar Sinyal 4 20 ma, Temperature Transmitter, IC LM Latar Belakang 1. PENDAHULUAN Pengukuran yang teliti dan sistem kontrol yang tepat dalam industri proses, dapat menghasilkan harga variabel fisika dan kimia dari sistem yang sesuai dengan harga perancangannya. Hal ini akan dapat menghemat biaya operasi serta perbaikan hasil produksi (Parura, 2007:3). Begitu pula dengan pemilihan komponen yang tepat pada suatu alat instrumentasi industri proses bisa menghemat biaya produksi dengan kulaitas yang baik, sehingga perancangan dan pembuatan temperature transmitter menggunakan operational amplifier (op-amp) IC LM741 merupakan suatu gagasan dalam pembuatan alat instrumentasi dengan konsep hemat biaya dan kualitas tinggi. Rangkaian ini mengaplikasikan IC LM 741 sebagai rangkaian penguat tak membalik (non-inverting op-amp) dan rangkaian konverter tegangan ke arus (V/I Converter). Rangkain non-inverting dapat digunakan untuk memperkuat isyarat AC maupun DC dengan keluaran yang tetap sefase dengan masukan (Langi, 2014:42). Konverter tegangan ke arus (V/I Converter) standar sinyal 4 20mA adalah rangkaian elektronik yang berfungsi mengubah tegangan menjadi arus 4-20mAdc. Rangkaian ini umum digunakan pada sistem instrumentasi dan kontrol elektronik dimana jarak antara sensor dengan kontroler cukup jauh, sehingga tidak memungkinkan mentransmisikannya dalam bentuk tegangan (Syarief, 2012:165). Berdasarkan teori sumber arus bahwa sinyal arus akan tetap sama persis nilainya jika melewati suatu rangkaian transmisi yang jaraknya jauh yang membawa arus dari sumber (sensor, detector) ke beban (indikator, perekam,atau pengontrol), sedangkan sinyal tegangan pada rangkaian paralel dapat bervariasi dari satu ujung ke ujung lainnya karena turunnya tegangan akibat resistansi kawat. Selanjutnya, instrumen pembacaan arus biasanya memiliki impedansi rendah, sementara instrumen pembacaan tegangan memiliki impedansi tinggi, sehingga instrumen pembacaan arus memiliki daya tahan terhadap noise lebih besar (Gupta, 2012:459). Untuk menggunakan sinyal arus 4-20mA sebagai representasi analog suatu besaran fisik, kita harus memiliki beberapa cara untuk menghasilkan nilai arus yang tepat dalam rangkaian sinyal. Tapi bagaimana kita menghasilkan sinyal arus yang tepat saat kita bisa tidak tahu hambatan dari loop. Jawabannya adalah menggunakan rangkaian amplifier yang dirancang untuk menahan arus pada nilai yang ditentukan, dengan mengatur tegangan input dan tahanan beban. Penguat semacam itu melakukan fungsi sumber arus. 1

2 1.2 Transmitter Transmitter adalah alat yang digunakan untuk mengubah perubahan sensing element dari sebuah sensor menjadi sinyal yang mampu diterjemahkan oleh kontroler. Terdapat dua tipe yaitu ; pneumatik transmitter dan elektronik transmitter (Parura, 2007:95). Oleh Gunterus (1997) bahwa salah satu komponen instrumentasi yang dapat merubah sinyal yang berasal dari instrumen ukur (sensor atau detektor) menjadi bentuk sinyal yang dapat diterima oleh indikator, recorder dan controller adalah transmitter. Untuk aplikasi di dalam industri proses, sinyal pneumatik yang digunakan secara umum adalah skala kerja 3 15 psig atau kg/cm2, dan untuk sinyal elektrik skala kerja 4 20 ma (sinyal arus) atau 1 5 V DC (sinyal tegangan). Umumnya sinyal yang keluar dari transmitter elektronik hampir selalu dalam bentuk 4-20 ma karena signal ini lebih banyak dipakai, dimana perubahan arus 4mA sampai 20mA secara proporsional menunjukkan perubahan besaran proses yang diukur. Sinyal arus lebih banyak digunakan daripada sinyal tegangan pada sistem pengukuran dan pengendalian di industri, karena sinyal arus memiliki beberapa keunggulan, antara lain lebih tahan terhadap derau (noise), dapat ditransmisikan pada jarak yang jauh dan tidak terpengaruh terhadap resistansi kabel, serta mampu mengenali masalah seperti putusnya koneksi ataupun hubung singkat (short circuit) (Nugroho, 2017:3). 1.3 Thermocouple sebagai Sensor pada Temperature Transmitter Thermocouple adalah suatu sensor temperature termoelektris yang terdiri dari dua kawat logam yang berlainan (misalnya chromel dan constantan) dengan penggabungannnya pada probe tip (measurement junction) dan reference junction (temperature yang diketahui). Perbedaan temperature antara probe tip dan reference junction dideteksi dengan mengukur perubahan tegangan voltage (electromotive force, EMF) pada reference junction. Pembacaan absolute temperature kemudian bisa diperoleh dengan kombinasiinformasi dari temperature acuan yang diketahui dengan perbedaan temperature antara probe tip dengan reference (Parura, 2007:81). Thermocouple tipe K adalah salah satu peralatan instrumentasi yang berfungsi sebagai sensor temperature. Thermocouple terdiri dari berbagai jenis dengan perbedaan bahan pembuatan, rentang pengukuran, serta sensitivitasnya. Thermocouple tipe K terdiri dari bahan Chromel (Ni- Cr alloy) dan Alumel (Ni-Al alloy) yang memiliki rentang pengukuran temperature dari -270 o C hingga 1350 o C dengan sensitivitas 40,6 µv/oc (Mariam, 2013:161). 1.4 Rangkaian Penguat ( Operational Amplifier) Operational Amplifier atau di singkat op-amp merupakan salah satu komponen analog yang popular digunakan dalam berbagai aplikasi rangkaian elektronika. Aplikasi op-amp yang paling sering dibuat antara lain adalah rangkaian inverter, non-inverter, integrator dan differensiator. Op-amp pada dasarnya adalah sebuah differential amplifier (penguat diferensial) yang memiliki dua masukan. Input (masukan) op-amp seperti yang telah dimaklumi ada yang dinamakan input inverting dan noninverting. Op-amp ideal memiliki open loop gain (penguatan loop terbuka) yang tak terhingga besarnya. Seperti misalnya op-amp LM741 yang sering digunakan oleh banyak praktisi elektronika, memiliki karakteristik tipikal open loop gain sebesar 104 ~ 105. Penguatan yang sebesar ini membuat op-amp menjadi tidak stabil, dan penguatannya menjadi tidak terukur (infinite). Disinilah peran rangkaian negative feedback (umpan balik negatif) diperlukan, sehingga op-amp dapat dirangkai menjadi aplikasi dengan nilai penguatanyang terukur (finite). Impedasi input op-amp ideal mestinya adalah tak terhingga, sehingga mestinya arus input pada tiap masukannya adalah Inverting Amplifier Rangkaian penguat inverting adalah rangkaian elektronika yang berfungsi untuk memperkuat dan membalik polaritas sinyal masukan. Keluaran sensor dan tranduser pada umumnya mempunyai tegangan yang sangat kecil hingga mikro volt, sehingga diperlukan penguat dengan impedansi masukan rendah. Rangkaian penguat inverting merupakan rangkaian penguat pembalik dengan impedansi masukan sangat rendah. Rangkaian penguat inverting akan menerima arus atau tegangan dari tranduser sangat kecil dan akan membangkitkan arus atau tegangan yang lebih besar. Rangkaian dasar penguat inverting adalah seperti yang ditunjukkan pada gambar 1, dimana sinyal masukannya dibuat melalui input inverting. Input noninverting pada rangkaian ini dihubungkan ke ground, atau v+ = 0. Karena v+ dan v- nilainya = 0 namun tidak terhubung langsung ke ground, input op-amp v- pada rangkaian ini dinamakan virtual ground (Langi, 2014:42). 2

3 Gambar 1. Rangkaian Penguat Inverting Persamaan penguatan dari rangkaian tersebut, yaitu (Malvino, 1999) : Non-Inverting Amplifier VV oooooo = RR ff RR 1 VV iiii (1) Banyak rangkaian elektronika yang memerlukan penguatan tegangan atau arus yang tinggi tanpa terjadi pembalikan (inversion) isyarat. Peguat op-amp pada gambar 2 tak-membalik (noninverting op-amp) didesain untuk keperluan ini. Rangkain ini dapat digunakan untuk memperkuat isyarat AC maupun DC dengan keluaran yang tetap sefase dengan masukan. Impedansi masukan dari rangkaian ini berharga sangat tinggi dengan nilai sekitar 100 MW. Dengan isyarat masukan dikenakan pada terminal masukan noninverting, besarnya penguatan tegangan tergantung pada harga in R dan F R yang dipasang. Isyarat keluaran penguat ini diambil dari resistor L R (biasanya berharga sekitar W) (Langi, 2014:42). Gambar 2. Rangkaian Penguat Non-Inverting Besarnya penguatan tegangan output dari rangkaian penguat tak membalik diatas dapat dituliskan dalam persamaan matematis sebagai berikut (Malvino, 2007:682) : VV oooooo = AA VV. VV iiii (2) VV oooooo = RR ff RR VV iiii (3) AA VV = RR ff RR (4) Pada penelitian yang dilakukan menggunakan resistor Rf = 2,2 M Ω dan Rin adalah resistor variabel jenis trimer potensiometer dengan nilai Rin = 660 Ω, maka besarnya penguatan tegangan dari rangkaian penguat diatas dapat dihitung secara matematis sebagai berikut : A V = 2.2 MMΩ 660 Ω + 1 = 3334,1 3

4 1.5 Rangkaian Pengubah Tegangan ke Arus Jika jarak antara plant dengan kontroler cukup jauh sehingga tidak memungkinkan mentransmisikan variabel proses dalam bentuk tegangan (karena akan terjadi penurunan aplitudo yang signifikan sehingga akan mengakibatkan terjadinya kesalahan), maka digunakan mode transmisi arus dengan cara mengubah tegangan 1-5 Vdc menjadi arus 4 20 madc menggunakan perangkat konverter tegangan ke arus (V/I Converter). Arus yang dihasilkan (Graeme, 1981) : II oooooo = VV iiii RR LL (5) Untuk menghasilkan sebuah keluaran berupa arus 4-20 ma dibutuhkan sebuah konversi atau pengubah, dengan R L adalah resistor variabel jenis trimer potensiometer dengan nilai 463 Ω perancangannya sebagai berikut : V input dari penguat tegangan adalah berkisar : Imaks = 20 ma Imin = 4 ma 20 ma = VV iiii 463 Ω Vin = 9.26 V Jadi pada rangkaian konverter V to I didapat Vmaks = 9,26 Volt. 4 ma = VV iiii 463 Ω Vin = 1,85 V Jadi pada rangkaian konverter V to I didapat Vmin = 1,85 Volt. 2.1 Flow Chart Metodologi Penelitian 2. METODE Penelitian ini dilakukan untuk penunjang dalam kontrol proses di industri, sehingga perlu dirancang rangkaian temperature transmitter yang sederhana dan mudah pengaplikasiannya. Untuk membuat rangkaian yang diharapkan, diperlukan langkah-langkah penelitian yang tepat dan berurutan. Hal ini dimaksudkan untuk memberikan kemudahan bagi peneliti dalam pembuktian kebenaran, analisa, dan perbaikan kesalahan yang juga berguna bagi pengembangan selanjutnya. Dalam bagian ini akan diuraikan langkah-langkah penelitian yang akan dilakukan dalam memecahkan permasalahan sehingga penelitian ini dapat terselesaikan dengan baik. Berikut adalah flow chart metodologi penelitian : 4

5 Gambar 3. Langkah-langkah dalam Melakukan Penelitian 2.2 Perancangan Alat Perancangan Temperature Transmitter Menggunakan Operational Amplifier (Op-Amp) IC LM741 terdiri dari 4 bagian yaitu : Thermocouple sebagai input tegangan Rangkaian penguat tak-membalik menggunakan IC LM741 Rangkaian pengubah tegangan menjadi arus menggunakan IC LM741 Pembacaan arus output (Multitester) 3.1 Data Pengujian 3. HASIL DAN PEMBAHASAN Eksperimen ini dilakukan untuk mendapatkan I output dari rangkaian pengubah tegangan ke arus dengan V output dari rangkaian penguat. No Tabel 1. Hasil Percobaan I output Suhu ( C) Vin TC (mv) V output (V) I output (ma) (Sumber data : Data diolah) 5

6 Berdasarkan hasil percobaan pada Tabel 1 dapat dianalisa : a. Percobaan dilakukan menggunakan 7 sampling suhu 41.4 C 97.5 C, dimana suhu tersebut dibaca oleh thermocouple menjadi tegangan input (mv) untuk dikirim ke rangkaian penguat tegangan dan dikuatkan 3334 kali. b. Hasil penguatan berhasil dengan adanya V output rentang 1.96 V 9.15 V. c. Hasil konverter dari tegangan ke arus berhasil dengan adanya I output 4-20 ma pada suhu 41.4 C 97.5 C. d. Setiap kenaikan suhu 10 C terjadi kenaikan arus dengan nilai rentang 2.6 ma 3.3 ma I out (ma) V out (V) Gambar 4. Grafik Linearitas V output dengan I output Berdasarkan Gambar 4 dapat dianalisa : - Terjadinya liniearitas V output, dan I output, dimana terjadinya kenaikan V output menyebabkan naiknya I output. - Linieritas diatas membuktikan bahwa kenaikan arus tergantung pada tegangan, sesuai hukum Ohm bahwa semakin besar arus maka tegangan akan membesar, dan sebaliknya pada hambatan Suhu ( C) Vin TC (mv) V output (V) I output (ma) Gambar 5. Grafik Linearitas Suhu, Tc, V output Op Amp dan I output Op Amp Berdasarkan Gambar 5 dapat dianalisa : a. Terjadinya liniearitas antara Suhu, V input thermocouple, V output Op Amp dan I output, sehingga setiap kenaikan suhu menyebabkan naiknya besaran yang lain. b. Temperature transmitter memiliki kualitas yang baik dengan terjadinya lineritas diatas, sehingga dapat digunakan sebagai alat pentransmisi. c. Semua indikator komponen memiliki hubungan saling mempengaruhi, karena kenaikan suhu menyebabkan naiknya tegangan pada thermocouple, sehingga tegangan yang dikuatkan akan membesar dan arus yang dihasilkan akan semakin besar. 6

7 3.2 Analisa Data Nilai Error Berdasarkan hasil percobaan yang dilakukan dan hasil perhitungan dari rumus V output untuk rangkaian penguat non-inverting dan I output rangkaian konverter V to I, dapat dihitung nilai Error sebagai berikut (Mariam, 2013:165) : Keterangan : Y1 = Nilai Perhitungan Y2 = Nilai Percobaan No EEEEEEEEEE = Nilai Perhitungan Nilai Percobaan EEEEEEEEEE = Nilai Perhitungan 7 YY1 YY2 YY1 xx 100 % xx 100% (6) Tabel 2. Perhitungan nilai Error pada I output Percobaan dan Perhitungan Percobaan I output (ma) Perhitungan Selisih EEEEEEEEEE = YYYY YYYY xx % Y2 Y1 Y1-Y % % % % % % % (Sumber data : Data diolah) Berdasarkan Tabel 2 dapat dianalisa : a. Dari percobaan dan perhitungan diperoleh nilai Error dibawah 5 %, sehingga kualitas temperature transmitter dengan IC LM 741 terbukti baik dan bisa diaplikasikan sebagai alat pentrasmisi sinyal 4-20 ma ke kontroler pada proses industri. b. Nilai error terbesar ada pada sampling ke 3,4 dan 6. c. Nilai error terkecil ada pada sampling ke 2 dan 7. d. Nilai error tersebut disebabkan oleh besarnya nilai toleransi dari komponen seperti pada resistor. e. Termokopel tipe K yang memiliki range -200 C s.d 1200 C akan relatif linier pada pengkondisian di atas 100 C. Karena kondisi yang digunakan temperatur di bawah 100 C keboleh jadian error dapat tinggi. Jika pengkondisian dilakukan dalam temperatur yang lebih tinggi nilai error akan menjadi lebih kecil (Mariam, 2013:167). 3.3 Nilai I output Berdasarkan Percobaan dan Perhitungan Setelah dilakukan percobaan untuk mengetahui nilai I output dari rangkaian converter V to I dan perhitungan untuk pembuktian kevalidan dari percobaan, maka dapat dianalisa : a. Berdasarkan suhu Low Range Value (LRV) yaitu 41.4 C dihasilkan tegangan hasil penguatan sebesar 19.8 V. Tegangan tersebut sebagai V input untuk mengahsilkan I output pada rangkaian converter V to I, sehingga didapat nilai I output adalah 4 ma. Untuk mendapatkan nilai minimal 4 ma, fixed resistor diganti dengan variable resistor (trimpot) sebagai R L pada rangakaian konverter V to I. Trimpot ini digunakan untuk mensetting nilai zero. b. Suhu maksimum pada percobaan yaitu 97.5 C menghasilkan tegangan hasil penguatan sebesar 9.15 V. Nilai tegangan tersebut menghasilkan I output 20 ma sebagai Upper Range Value (URV). Untuk mendapatkan nilai maksimal 20 ma, fixed resistor diganti dengan variable resistor (trimpot) sebagai R in pada rangkaian penguat tegangan. Trimpot ini digunakan untuk mensetting nilai span. c. Sinyal 4-20 ma didapat dari : - Rentang suhu 41.4 C C YYYY

8 - Rentang V input dari thermocouple 0.6 mv 2.8 mv - Rentang V output dari penguat 1,98 V 9.15 V d. Keseluruhan rangkaian membentuk temperature transmitter mengirimkan sinyal analog 4-20 ma dari sensor suhu (thermocouple tipe K). e. Dari percobaan dan perhitungan diperoleh nilai Error dibawah 5 %, sehingga kualitas temperature transmitter dengan IC LM 741 terbukti baik dan bisa diaplikasikan sebagai alat pentrasmisi sinyal 4-20 ma ke kontroler pada proses industri. f. Perancangan dan pembuatan alat secara sederhana dengan hanya menggunakan komponen IC LM741 dan trimpot sehingga rangkaian menjadi praktis, tapi menghasilkan sinyal 4-20 ma sesuai perhitungan. 4. KESIMPULAN Berdasarkan hasil pengujian dan analisa dapat disimpulkan bahwa : 1. Dari percobaan dan perhitungan diperoleh nilai error dibawah 5 % sehingga kualitas temperature transmitter dengan IC LM 741 terbukti baik dan bisa diaplikasikan sebagai alat pentrasmisi sinyal 4-20 ma ke kontroler pada proses industri. Dalam percobaan, semua komponen dapat diperoleh dipasaran dengan mudah dan harga yang relative murah. 2. Mampu dalam perancangan dan pembuatan alat secara sederhana dengan menggunakan komponen IC LM741 dan trimpot sehingga rangkaian menjadi praktis dan pemahaman yang mendalam tentang rangkaian analog. 3. Keseluruhan rangkaian membentuk temperature transmitter mengirimkan sinyal analog 4-20 ma di range suhu 41.4 C C, untuk mendapatkan nilai pengukuran minimal dan maksimal yang tepat, maka penulis perlu mengganti fixed resistor dengan variable resistor (trimpot) dengan tujuan mensetting nilai zero dan span. 5. DAFTAR PUSTAKA 1. Irene Langi, S. Et al. (2014). Kipas Angin Otomatis dengan Menggunakan Sensor Suhu. E-Journal Teknik Elektro dan Komputer ISSN : Gupta, K. Et al. (2012). Design and Analysis of Current-to-Voltage and Voltage -to-current Converters using 0.35µm technology. International Journal of Emerging Technology and Advanced Engineering. 2, (4), ISSN Mariam, S. Et al. (November 2013). Kalibrasi Termokopel Tipe-K pada Bagian Uji Heating-03 Menggunakan Cdaq Jurnal Sigma Epsilon. 17, (4), ISSN Wahyu Nugroho, T. Et al. (2017). Rancang Bangun Alat Pengirim Sinyal Arus 4-20 ma dari Pemancar Suhu melalui Jaringan GPRS. Jurnal ELKOMIKA. 5, (1), ISSN (p): ISSN (e): Syarief, S. (2012). V/I Dan I/V Converter Standar 0 10v/4 20ma Berbasis Labview. Poli-Teknologi. 11, (2), LB. Parura, S. (2007). Instrumentasi dan Proses Kontrol. Project Engineering Pertamina UP-VI Balongan. 7. Gunterus, F. (1997) Falsafah Dasar Sistem Pengendalian Proses. Jakarta : PT. Elex Media Komputindo. 8. Malvino, A and David J. Bates. (2007). Electronics Principles (Seventh Edition). USA : McGraw-Hill Higher Education. 9. Malvino, A. dan Gunawan, H. (1999). Prinsip Prinsip Elektronika (Edisi kedua). Jakarta : Erlangga. 10. G. Graeme, J. Et al. (1981). Operational Amplifiers Design anf Aplications. Singapore : McGraw-Hill. 8