Pengukuran Teknik

Amplifier (Penguat)

Amplifier adalah merupakan salah satu komponen yang paling penting di dalam suatu sistim pengukuran dan instrumentasi. Amplifier digunakan pada hampir seluruh sistim untuk meningkatkan sinyal dengan level rendah (kecil) yang dihasilkan dari suatu transduser agar dapat mencapai suatu level yang sesuai untuk dimanfaatkan oleh instrument perekam. Dalam suatu skema sistim instrumentasi, amplifier dilambangkan dengan simbol segitiga seperti yang ditunjukkan pada Gambar 19.

Gambar 19. Simbol Amplifier

Tegangan input kepada amplifier adalah E_i ; tegangan output adalah E₀. Perbandingan antara E₀ / E_i disebut faktor Gain (G) atau faktor penguatan sinyal dari amplifier tersebut. Sebagai hasil dari meningkatnya tegangan input, maka tegangan output juga meningkat. Kenaikan tegangan output akibat peningkatan tegangan input berada pada suatu range yang linier. Hubungan ini dinyatakan dengan persamaan 13.

E₀ = GE_i         (13)

Daerah linier dari amplifier memiliki batas karena besarnya tegangan output tepergantung pula pada besarnya tegangan catu daya dan karakteristik dari komponen-komponen pembentuk amplifier. Jika amplifier dipaksa untuk bekerja pada daerah non-linier atau pada di luar kemampuan operasi amplifier (overdriven) maka dan besaran G dibuat konstan, maka hal ini menyebabkan terjadinya kesalahan atau error yang serius.

Jika gain dari amplifier tunggal tidak mencukupi kebutuhan penguatan untuk mencapai suatu besaran sinyal tertentu maka dapat dilakukan penggabungan secara seri/bertingkat (cascaded) dari beberapa amplifier untuk mendapatkan penguatan yang besar. Untuk kondisi ini besarnya E₀ dinyatakan oleh persamaan 14.

      (14)

Keterangan :

Z_i adalah impedansi input amplifier.

Z₀ adalah impedansi output amplifier.

Z₁ adalah impedansi internal dari sumber.

Z₂ adalah impedansi input dari alat perekam (recorder).

Pada rangkaian amplifier yang dirancang dengan baik Z_i >> Z₁ dan Z_i >> Z₀ ; persamaan 14 akan di ubah menjadi:

      (15)

Batasan Z₂/(Z₀+Z₂) pada persamaan 15 mewakili peredaman tegangan akibat adanya arus yang digunakan untuk menggerakkan recorder. Untuk menghindari peredaman ini dapat digunakan recorder dengan impedansi input yang besar (dalam hal ini Z₂>>Z₀). Persamaan 15 selanjutnya menjadi:

        (16)

Dengan melakukan pemilihan yang teliti untuk Z₀, Z_i, Z₁ dan Z₂ gain keseluruhan dari amplifier bertingkat (cascaded) akan setara dengan seluruh hasil penguatan dari masing -masing amplifier.

Gambar 20. Suatu sistim amplifier berpenguatan tinggi menggunakan tiga amplifier tunggal yang dihubungkan secara bertingkat (cascaded)

Tanggapan frekuensi dari suatu unit amplifier yang di rancang untuk digunakan pada sistim instrumentasi harus mendapat perhatian khusus. Gain dari suatu amplifier adalah merupakan fungsi dari frekuensi tegangan input. Hal ini dapat menyebabkan suatu amplifier akan memiliki gain yang lebih kecil pada frekuensi tinggi sebaliknya akan memiliki gain yang lebih besar pada daerah frekuensi rendah.

Amplifier merupakan salah satu jenis rangkaian signal conditioner (penyesuai signal). Kedudukan amplifier akan berada diantara transduser atau sensor dengan recorder atau display unit. Amplifier digunakan dengan tujuan untuk memperkuat level atau taraf tegangan dan arus dari keluaran suatu transduser.

Gambar 21. Posisi amplifier pada suatu sistim pengukuran teknik

Operational Amplifier (Op-Amp)

Suatu operational amplifier / penguat operasi (op-amp) adalah merupakan suatu rangkaian amplifier lengkap berupa satu chip rangkaian terintegrasi (integrated Circuit / IC) dimana komponen-komponen seperti transistor, dioda, resistor, dan lain-lain diperkecil dan ditempatkan pada suatu wadah tunggal. Op-amp dapat digunakan dengan berbagai cara dengan menambahkan sejumlah kecil komponen-komponen pasif eksternal seperti resistor dan kapasitor. Op-amp memiliki Gain yang sangat tinggi (rata-rata G=10⁵).

Gambar 22. Rangkaian dasar Op-Amp

Gambar 22 menunjukkan simbol yang digunakan untuk mewakili suatu rangkaian op-amp. Dua jalur terminal input ditandai sebagai inverting ( ) terminal dan non-inverting ( + ) terminal. Common bus adalah jalur negatif ground bersama antara input dan output.

Besarnya tegangan input E₀ dinyatakan sebagai,

         ( 17 )

Dari persamaan 17 nyata bahwa op-amp adalah suatu penguat diferensial. Op-amp tidak digunakan sebagai suatu amplifier diferensial konvensional disebabkan karena sifat penguatannya yang sangat tinggi dan kestabilannya yang kurang baik. Op-amp dapat digunakan dengan efektif, apabila digunakan sebagai bagian dari suatu rangkaian yang besar. Beberapa penerapan penggunaan op-amp, diantaranya sebagai: penguat penjumlah, pengikut tegangan, penguat terintegrasi, dan diferensial amplifier.

Gambar 23. Keterangan simbol untuk terminal-terminal suatu Op-Amp

xxx = kode nomor untuk identifikasi jenis op-amp. (misalnya: 741).

Keterangan untuk lambang Op-Amp yang digunakan sebagai Penguat (amplifier) dalam rangkaian elektronika. Kode XXX merupakan kode untuk nama IC Op-Amp misalnya: LM741, uA741, dan lain-lain.

Inverting Amplifier (Penguat Membalik)

Op-amp yang dikonfigurasikan seperti rangkaian Gambar 25 adalah merupakan bentuk penerapan op-amp sebagai penguat atau amplifier. Rangkaian ini disebut sebagai inverting amplifier (penguat membalik) disebabkan karena sifat rangkaian yang akan membalikan fasa sinyal output sebesar 180° terhadap fasa sinyal masukan. Pembalikan fasa sinyal output sebesar 180° dilustrasikan pada Gambar 24.

Gambar 24. Pembalikan fasa sinyal output (b) terhadap sinyal input (c)

Gambar 25. Rangkaian penguat membalik dengan menggunakan op-amp tipe LM 741

R_f = resistor feed back (resistor umpan balik)

R_i = resistor input

Faktor penguatan G dari rangkaian ini dinyatakan sebagai

       (18)

Contoh: jika R_f = 100 K dan R_i = 10 K maka,

Jika pada terminal input diberikan tegangan masukan sebesar 0.02 V maka level tegangan ini akan diperkuat sebesar -10 X 0.02 V = - 0.2 V. (tegangan input diperbesar 10X dengan tanda minus menyatakan terjadinya pembalikan fasa sinyal).

Sebagai contoh, tegangan output dari suatu rangkaian jembatan WheatStone selanjutnya dapat dikirimkan untuk diperkuat sebelum digunakan sebagai signal kontrol. Penguat umum yang digunakan adalah Operational Amplifier (Penguat Operasi) yang biasanya dalam bentuk Integrated Circuit (IC). Rangkaian dasar penguat signal atau tegangan tersebut ditunjukkan pada Gambar 26a.

Gambar 26a. Rangkaian Op-Amp Contoh 3

Faktor penguatan tegangan A_V dari rangkaian dapat dicari atau ditentukan dengan persamaan 19:

        (19)

dimana :

R_F : Nilai resistor umpan balik

R₁ : nilai resistor masukan pada terminal input membalik

Tanda minus menunjukkan bahwa tegangan keluaran akan berlawanan fasa dengan tegangan masukan atau akan terjadi pembalikan fasa.

Contoh 4:

Jika untuk rangkaian Op-Amp diketahui nilai R₁=2.2K dan R_F = 5.6K maka faktor penguatan tegangan dari rangkaian ini adalah,

Tegangan input akan dikuatkan sebesar 2.5 kali. Itu berarti jika pada bagian input dihubungkan dengan rangkaian LDR yang telah dibahas sebelumnya akan diperoleh tegangan output dalam kondisi ruangan gelap sebesar:

1.598 V x 2.5 = 3.995 V = 4 Volt

Dalam kondisi diberi cahaya, adalah sebesar:

3.432 V x 2.5 = 8.58 V = 8.6 Volt.

Catatan: Dalam kondisi ini dianggap bahwa Op-Amp dicatu dengan tegangan  12 Volt. Dengan demikian tegangan output (Vout) dari dari Op-Amp tidak akan pernah dapat melebihi besarnya tegangan 12 Volt.