laporan ikb acara 3

LAPORAN PRAKTIKUM INSTRUMENTASI DAN KONTROL

BIOSISTEM

Diajukan untuk Memenuhi Tugas Mata Kuliah Instrumentasi dan Kontrol

Biosistem Jurusan Teknik Pertanian Fakultas Teknologi Pertanian Universitas

Jember

Oleh:

Nama : M. Yuwan Kilmi

NIM : 131710201007

Kelas : TEP – A

Acara : III (Pengukuran Tegangan Pada Beberapa

Konfigurasi Penguat Dengan Menggunakan

Operasional Amplifier)

Asisten : Ahmad Haris Hasanuddin Slamet

LABORATORIUM ENERGI, OTOMATISASI, dan INSTRUMENTASI

PERTANIAN

JURUSAN TEKNIK PERTANIAN

FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN

UNIVERSITAS JEMBER

2014

BAB 1. METODOLOGI PRAKTIKUM

1.1 Waktu dan Tempat

Hari : Sabtu

Tanggal : 17 Mei 2014

Pukul : 07.30 – selesai

Tempat : Laboratorium Instrumentasi Teknik Pertanian FTP Unej

1.2 Alat dan Komponen Yang Digunakan

1.2.1 Alat

1) Power Supply DC

2) AVO meter digital

3) Wise board

4) Tang potong

1.2.2 Komponen

1) Resistor fixed (10 KΩ; 100 KΩ)

2) Potensio (B500 KΩ)

3) IC 741

1.3 Prosedur Kerja

Rangkaian lengkap dari masing-masing penguat operatif bisa dilihat

dibawah ini.

Melengkapi tabel dengan tegangan output secara teoritis

Mengukur dan mencatat tegangan output

Mengukur dan mencatat tegangan input

Merangkai konfigurasi penguat operasional sesuai dengan gambar

Mempersiapkan alat – alat dan komponen

Mulai

Melakukan prosedur diatas untuk penguat operatif inverting, non inverting, differensial, summing

Selesai

INVERTING AMPLIFIER

+

_

R4=20K

R3=20K

Rd=500K R2=100K

R1=100K

Vin

+5V

Ra=10K

Vout

2

34

7

+12

-12

6

+

_

Rd=500K R2=20K

R1=10K

Vin

+5V

Ra=10K

Vout

NON INVERTING AMPLIFIER

2

34

7

+12

-12

6

DIFFERENTIAL AMPLIFIER

+

_

R3=200KR2=100K

Rd=500K R4=200K

R1=100K

+5V

Ra=10K

Vout

2

34

76

+12

-12

V1

V2

SUMMING AMPLIFIER

+

_

R2=200K

Rd=500K R3=200K

R1=100K

+5V

Ra=100K

Vout

2

34

76

+12

-12V2

V1

BAB 2. HASIL DAN PEMBAHASAN

2.1 Penguat Operasional (Op – Amp)

Penguat operasional (Op Amp) adalah suatu rangkaian terintegrasi yang

berisi beberapa tingkat dan konfigurasi penguat diferensial. 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). Sedangkan menurut

Jumadi (2010), Penguat operasi (operational amplifier = op amp) adalah penguat

yang dapat menanggapi dan memperkuat sinyal input dc maupun ac. Disebut

penguat operasi (operational amplifier) karena penguat ini mula-mula digunakan

untuk melaksanakan operasi – operasi matematika dalam komputer analog seperti

perkalian pembagian, penjumlahan, pengurangan, diferensial, dan integral.

Dalam melakukan analisa rangkaian op-amp berdasarkan karakteristik op-

amp ideal terdapat dua aturan penting. Aturan ini dalam beberapa literatur

dinamakan golden rule, yaitu :

a) Aturan 1 : Perbedaan tegangan antara input v+ dan v- adalah nol (v+ - v- = 0

atau v+ = v-)

b) Aturan 2 : Arus pada input Op-amp adalah nol (i+ = i- = 0)

2.2 Macam – Macam Dari Op – Amp

a) Inverting amplifier

Rangkaian dasar penguat inverting adalah seperti yang ditunjukkan pada

gambar 1, dimana sinyal masukannya dibuat melalui input inverting. Fase

keluaran dari penguat inverting ini akan selalu berbalikan dengan inputnya. Pada

rangkaian ini, umpan balik negatif di bangun melalui resistor R2.

Gambar 1 : penguat inverter

Input non-inverting pada rangkaian ini dihubungkan ke ground, atau v(+) =

0. Berdasarkan aturan 1 (lihat aturan 1), maka akan dipenuhi v - = v+ = 0. Karena

nilainya = 0 namun tidak terhubung langsung ke ground, input op-amp v - pada

rangkaian ini dinamakan virtual ground. Dengan fakta ini, dapat dihitung

tegangan jepit pada R1 adalah vin – v- = vin dan tegangan jepit pada reistor R2

adalah vout – v- = vout.

Kemudian dengan menggunakan aturan 2, di ketahui bahwa :

iin + iout = i- = 0, karena menurut aturan 2, arus masukan op-amp adalah 0.

iin + iout = vin/R1 + vout/R2 = 0

Selanjutnya

vout/R2 = - vin/R1 .... atau

vout/vin = - R2/R1

Jika penguatan G didefenisikan sebagai perbandingan tegangan keluaran

terhadap tegangan masukan, maka dapat ditulis :

Impedansi rangkaian inverting didefinisikan sebagai impedansi input dari sinyal

masukan terhadap ground. Karena input inverting (-) pada rangkaian ini diketahui

adalah 0 (virtual ground) maka impendasi rangkaian ini tentu saja adalah Zin = R1.

b) Non-Inverting amplifier

Prinsip utama rangkaian penguat non-inverting adalah seperti yang

diperlihatkan pada gambar 2 berikut ini. Seperti namanya, penguat ini memiliki

masukan yang dibuat melalui input non-inverting. Dengan demikian tegangan

keluaran rangkaian ini akan satu fasa dengan tegangan inputnya.

Gambar 2 : penguat non-inverter

Dengan menggunakan aturan 1 dan aturan 2, maka vin = v+, v+ = v- = vin.

Maka diketahui tegangan jepit pada R2 adalah vout – v- = vout – vin, atau iout = (vout-

vin)/R2. Lalu tegangan jepit pada R1 adalah v- = vin, yang berarti arus iR1 = vin/R1.

Hukum kirchkof pada titik input inverting merupakan fakta yang

mengatakan bahwa :

iout + i(-) = iR1

Aturan 2 mengatakan bahwa i(-) = 0 dan jika disubsitusi ke rumus yang

sebelumnya, maka diperoleh iout = iR1 dan Jika ditulis dengan tegangan jepit

masing-masing maka diperoleh (vout – vin)/R2 = vin/R1 yang kemudian dapat

disederhanakan menjadi :

vout = vin (1 + R2/R1)

Jika penguatan G adalah perbandingan tegangan keluaran terhadap

tegangan masukan, maka didapat penguatan op-amp non-inverting :

Impendasi untuk rangkaian Op-amp non inverting adalah impedansi dari

input non-inverting op-amp tersebut. Dari datasheet, LM741 diketahui memiliki

impedansi input Zin = 108 to 1012Ohm.

c) Integrator

Opamp bisa juga digunakan untuk membuat rangkaian-rangkaian dengan

respons frekuensi, misalnya rangkaian penapis (filter). Salah satu contohnya

adalah rangkaian integrator seperti yang ditunjukkan pada gambar 3. Rangkaian

dasar sebuah integrator adalah rangkaian op-amp inverting, hanya saja rangkaian

umpan baliknya (feedback) bukan resistor melainkan menggunakan capasitor C.

Gambar 3 : integrator

Dengan menggunakan 2 aturan op-amp (golden rule) maka pada titik

inverting akan didapat hubungan matematis : iin = (vin – v-)/R = vin/R , dimana v- =

0 (aturan1). iout = -C d(vout – v-)/dt = -C dvout/dt; v- = 0 dan iin = iout ; (aturan 2).

Maka jika disubtisusi, akan diperoleh persamaan : iin = iout = vin/R = -C dvout/dt,

atau dengan kata lain:

Dari sinilah nama rangkaian ini diambil, karena secara matematis tegangan

keluaran rangkaian ini merupakan fungsi integral dari tegangan input. Sesuai

dengan nama penemunya, rangkaian yang demikian dinamakan juga rangkaian

“Miller Integral”. Aplikasi yang paling populer menggunakan rangkaian

integrator adalah rangkaian pembangkit sinyal segitiga dari inputnya yang berupa

sinyal kotak. Dengan analisa rangkaian integral serta notasi Fourier, dimana f =

1/t dan penguatan integrator tersebut dapat disederhanakan dengan rumus:

Atau

Karena respons frekuensinya yang demikian, rangkaian integrator ini

merupakan dasar dari low pass filter. Terlihat dari rumus tersebut secara

matematis, penguatan akan semakin kecil (meredam) jika frekuensi sinyal input

semakin besar. Pada prakteknya, rangkaian feedback integrator mesti diparalel

dengan sebuah resistor dengan nilai misalnya 10 kali nilai R atau satu besaran

tertentu yang diinginkan. Ketika inputnya berupa sinyal dc (frekuensi = 0),

kapasitor akan berupa saklar terbuka. Jika tanpa resistor feedback seketika itu

juga outputnya akan saturasi sebab rangkaian umpan balik op-amp menjadi open

loop (penguatan open loop opamp ideal tidak berhingga atau sangat besar). Nilai

resistor feedback sebesar 10R akan selalu menjamin output offset voltage (offset

tegangan keluaran) sebesar 10x sampai pada suatu frekuensi cutoff tertentu.

d) Differensiator

Kalau komponen C pada rangkaian penguat inverting di tempatkan di

depan, maka akan diperoleh rangkaian differensiator seperti pada gambar 4.

Dengan analisa yang sama seperti rangkaian integrator, akan diperoleh persamaan

penguatannya :

Rumus ini secara matematis menunjukkan bahwa tegangan keluaran vout

pada rangkaian ini adalah differensiasi dari tegangan input vin. Contoh praktis dari

hubungan matematis ini adalah jika tegangan input berupa sinyal segitiga, maka

outputnya akan mengahasilkan sinyal kotak.

Gambar 4 : differensiator

Bentuk rangkaian differensiator adalah mirip dengan rangkaian inverting.

Sehingga jika berangkat dari rumus penguat inverting G = -R2/R1 dan pada

rangkaian differensiator diketahui :

maka jika besaran ini disubtitusikan akan didapat rumus penguat differensiator

Dari hubungan ini terlihat sistem akan meloloskan frekuensi tinggi (high

pass filter), dimana besar penguatan berbanding lurus dengan frekuensi. Namun

demikian, sistem seperti ini akan menguatkan noise yang umumnya berfrekuensi

tinggi. Untuk praktisnya, rangkain ini dibuat dengan penguatan dc sebesar 1 (unity

gain). Biasanya kapasitor diseri dengan sebuah resistor yang nilainya sama

dengan R. Dengan cara ini akan diperoleh penguatan 1 (unity gain) pada nilai

frekuensi cutoff tertentu.

f) Summing Amplifier

Pada circuit C4, pada terminal non invertingnya ditanahkan dan diberikan

tiga sinyal input dengan masing-masing dihubungkan dengan resistor (seperti

pada penguat inverting), circuit akan membalik polaritas sinyal input sehingga

pada output akan tercapai persamaan: Vo = -[(Rf/R1) V1 + (Rf/R2) V2 +(Rf/R3) V3]

Summing amplifier dapat digunakan untuk penjumlahan tegangan.

Persamaan diatas dapat digunakan untuk lebih dari tiga sinyal input.

GAMBAR C4. SUMMING AMPLIFIER

+

_2

34

7

+12

-12

6

R2

R3

RFR1

VO

V3

V2

V1

2.3 Aplikasi Op – Amp Dalam Kehidupan Sehari – hari

Op-amp digunakan pada berbagai aplikasi yang sering kita temui dalam

kehidupan sehari-hari. Aplikasi tersebut adalah sbb:

1) Amplifier pada rangkaian radio

2) Osilator

3) Regulator, berguna untuk menstabilkan tegangan

4) Penyearah tegangan sangat rendah

5) Interface komputer untuk mengubah sinyal analog menjadi digital dan

sebaliknya

2.4 Hasil Dan Pembahasan

1) Pengukuran tegangan pada beberapa konfigurasi penguat

Konf KondR1 R2 R3 R4 Vs Vin (Volt) Vout (Volt)

KΩ KΩ KΩ KΩ KΩ 1 2 Ukur Teori

Invert

1

100 100 20 20 5

4,57 X -0,33 -9,142 4,57 X -1,04 -9,143 4,57 X -1,05 -9,144 4,57 X -1,04 -9,145 4,57 X -1,04 -9,14

Non -

I

1

10 20 X X 5

0,03 X -7,08 0,092 0,02 X -7,19 0,063 0,02 X -7,14 0.064 0,01 X -7,14 0,035 0,01 X -7,14 0,03

Diff

1

100 100 200 200 5

14,87 5 -10,25 -19,742 14,86 5 -10,25 -19,723 14,86 5 -10,25 -19,724 14,86 5 -10,25 -19,725 14,86 5 -10,25 -19,72

Sum 1 100 200 200 X 5 13,24 5 -10,48 -31,48

2 13,27 5 -10,64 -31,543 13,26 5 -10,49 -31,524 13,26 5 -10,48 -31,525 13,26 5 -10,48 -31,52

Berikut ini adalah persamaan Vout dari masing-masing konfigurasi

Operational amplifier:

Inverting Amplifier

Vout = - [(R3 + R4) / R4] * [(R2 / R1) * Vin]

Non-Inverting Amplifier

Vout = [1 + (R2 / R1)] * Vin

Differensial Amplifier

Vout = [(R1 + R4) / (R2 + R3) * (R3 / R2) * Vin-2] – [(R4 / R1) * Vin-1]

Summing Amplifier

Vout = - (R3 / R1) * Vin-1 – (R3 / R2) * Vin-2

Berdasarkan hasil pengukuran dan perhitungan maka hasil dari masing-

masing pengamatan penguat operatif disajikan dalam gambar dibawah ini.

a. Grafik hubungan tegangan pada inverting ampifier

Berdasarkan grafik yang dihasilkan (dengan menggunakan real value V input

sebagai sumbu x) terlihat bahwa kedua metode (pengukuran dan teori)

menunjukkan hasil yang sedikit berbeda. Perbedaan tersebut berada pada

penguatan ukur = -0,133 kali, dan Penguatan teori = -2 kali; dan konstanta ukur =

0, dan konstanta teori = -2

Perbedaan ini mungkin disebabkan karena pada waktu praktikum terjadi

adanya kesalahan pada saat pengukuran maupun merangkai rangkaian, kurangnya

ketetlitian praktikan saat membaca multimeter digital, dapat juga adanya pengaruh

dari lingkungan misalnya meja maupun tangan, dan adanya rangkaian yang lepas.

Disamping adanya tingkat ketelitian juga terjadi kesalahan pada waktu

pengambilan data sehingga persamaan dari garis tersebut tidak muncul.

Persamaan yang dihasilkan dari grafik menunjukkan bahwa penguatan

yang dipergunakan sebesar -2 kali, dapat diterima secara teoritis. Karena

berdasarkan persamaan Vout = - [(R3 + R4) / R4] * [(R2 / R1) * Vin] , diperoleh

penguatan sebesar - [(R3 + R4) / R4] * (R2 / R1) , jika dimasukkan nilai tahanannya

menjadi – [(20K+20K)/20K] * (100K/100K) = -2.

Nilai konstanta teori sebesar -2 berarti nilai penguatan tidak ada noise.

Sedang pada hasil pengukuran nilai konstanta 0 cukup kecil dan bisa diabaikan.

4 5 6 7 8 9 10

-10-9-8-7-6-5-4-3-2-10

f(x) = NaN x + NaNR² = 0f(x) = NaN x + NaNR² = 0 Inverting Amplifier

UkurLinear (Ukur)Linear (Ukur)TeoriLinear (Teori)

Input (Volt)

Out

put (

Volt)

b) Grafik pengukuran tegangan pada Non Inverting Amplifier




penguatan ukur = 61,15 kali, dan Penguatan teori = 3 kali; dan konstanta ukur =

2,214 dan konstanta teori = 2,571.





Persamaan yang dihasilkan dari grafik menunjukkan bahwa penguatan yang dipergunakan sebesar 61,15 kali, dapat diterima secara teoritis. Karena berdasarkan persamaan Vout = - [(R3 + R4) / R4] * [(R2 / R1) * Vin] , diperoleh penguatan sebesar - [(R3 + R4) / R4] * (R2 / R1) , diperoleh penguatan sebesar - [(R3

+ R4) / R4] * (R2 / R1) , jika dimasukkan nilai tahanannya = 3 kali.

Nilai konstanta teori sebesar 2,571 . kemungkinan disebabkan karena nilai

pembulatan pada saat perhitungan. Sedang pada hasil pengukuran nilai konstanta

2,214 menunjukkan beda sebesar 624 mV dengan nilai teoritis dengan gradien

sebesar 2,571x.

0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035

-8-7-6-5-4-3-2-101

f(x) = 2.57142857142857 x − 0.00428571428571428R² = 0.395604395604396

f(x) = 2.21428571428569 x − 7.17785714285714R² = 0.225798872180445

Non Inverting Amplifier

UkurLinear (Ukur)TeoriLinear (Teori)

Input (Volt)

Out

put (

Volt)

c) Grafik Pengukuran Tegangan Pada Differensial Amplifier




penguatan ukur = 0,264 kali, dan Penguatan teori = -4 kali; dan konstanta ukur = -

4E-10, dan konstanta teori = -2x+10






yang dipergunakan sebesar 0,264 kali, dapat diterima secara teoritis. Karena



menjadi 0,264 kali

Karena diferensial amplifier memberikan nilai selisih tegangan pada V in-2

(5V, konstan) dengan Vin-1 (variable) dan nilai Vin-1 semakin besar x maka Vout

semakin besar, maka dapat diterima bahwa gradien persamaan dalam grafik

menunjukkan nilai negatif (semakin besar x (Vinput), nilai konstan dikurangi

dengan nilai yang semakin besar).

Nilai konstanta teori sebesar -2x+10 menunjukkan nilai Vin-2 (5V, konstan)

dikali dengan penguatan 0,264 menjadi = 0,094 Sedang pada hasil pengukuran

nilai konstanta –4E-10 menunjukkan beda yang teramat kecil dengan nilai teoritis

sehingga berbeda dengan hasil pengukuran teori dengan pengukuran

menggunakan alat.

14.855 14.86 14.865 14.87 14.875

-25

-20

-15

-10

-5

0

f(x) = − 2 x + 10R² = 1

f(x) = − 10.25R² = 0

Differensial Amplifier

UkurLinear (Ukur)Linear (Ukur)TeoriLinear (Teori)

Input (Volt)

Out

put (

Volt)

d) Grafik Pengukuran Tegangan Pada Summning Amplifier




penguatan ukur = -4 kali, dan Penguatan teori = -2 kali; dan konstanta ukur = -

4,041, dan konstanta teori = -10.






yang dipergunakan sebesar -2 kali, dapat diterima secara teoritis. Karena



menjadi – [(20K+20K)/20K] * (100K/100K) = - 2.

Karena summing amplifier memberikan nilai penjumlahan tegangan

dengan penguatan -2 maka semakin besar nilai x (Vinput), nilai Vout akan semakin

kecil.

Nilai konstanta teori sebesar -2 menunjukkan nilai Vin-2 (5V, konstan)

dengan penguatan -2 kali. Sedang pada hasil pengukuran nilai konstanta sebesar -

4,041 menunjukkan beda yang teramat kecil dengan nilai teoritis sehingga dapat

digunakan.

13.23 13.24 13.25 13.26 13.27 13.28

-35-30-25-20-15-10

-50

f(x) = − 2 x − 5R² = 1

f(x) = − 4.04166666666676 x + 43.0704166666678R² = 0.393616131191432

Summing Amplifier

ukurLinear (ukur)teoriLinear (teori)

Input (Volt)

Out

put (

Volt)

BAB 3. KESIMPULAN

Berdasarkan hasil pengamatan dapat disimpulkan sebagai berikut ini.

1) Operasional amplifier adalah rangkaian terintegrasi (IC) yang berguna dalam

teknik penguatan open loop pada elektronika.

2) IC 741 dengan kaki 8 merupakan IC OpAmp.

3) Teknik untuk menguatkan tegangan pada OpAmp dapat dilakukan dengan

berbagai konfigurasi yang masing-masing memiliki karakteristik tertentu.

4) Rangkaian penguat operatif antara lain penguatan inverting, Non inverting,

Summing Amplifier, dan Differensial Amplifier.

DAFTAR PUSTAKA

George B Clayton, 1975, Experiment with OpAmp, Macmillan Press, London.

Hamonangan, A. 2013. Karakteristik Op – Amp (Bagian Kedua).

http://www.electroniclab.com/index.php/labanalog/13-karakteristik -

opamp-2. [22 Mei 2014].

Jumadi. 2010. Panduan Praktikum Lanjut (Penguat Operasi Atau Operational

Amplifier).

Malvino, 1985, Prinsip-prinsip Elektronik, Airlangga, Jakarta.

Marojahan, T. 2012. Operational Amplifier.

http://marojahantampubolon.files.wordpress.com/2012/02/operational -

amplifier2012.pdf. [21 Mei 2014].

Universitas Sumatra Utara. Tanpa Tahun. Tinjauan Pustaka Mengenai Penguat

Operasional (Op – Amp).

http://repository.usu.ac.id/bitstream/123456789/27193/4/Chapter

%20II.pdf. [21 Mei 2014].

W, Bolton, 1996, Mechatronics, Longman, London

Woolard, Barry, 1999, Elektronika Praktis, PT Pradnya Paramitha, Jakarta

http://repository.usu.ac.id/bitstream/123456789/27193/4/Chapter%20II.pdf

http://repository.usu.ac.id/bitstream/123456789/27193/4/Chapter%20II.pdf

http://marojahantampubolon.files.wordpress.com/2012/02/operational%20-%20amplifier2012.pdf

http://marojahantampubolon.files.wordpress.com/2012/02/operational%20-%20amplifier2012.pdf

http://www.electroniclab.com/index.php/labanalog/13-karakteristik%20-opamp-2

http://www.electroniclab.com/index.php/labanalog/13-karakteristik%20-opamp-2

laporan ikb acara 3

Engineering