Laprak 5 Integrator Dhendy DM [PDF]

Citation preview

LAPORAN PRAKTIKUM 5 ELEKTRONIKA TERINTEGRASI RANGKAIAN INTEGRATOR



Nama



: Dhendy Dafeta Mahardicha



NIM



20193010023



Kelas / Semester



:B/2



Dosen Pengampu



: Nur Hudha Wijaya, S.T., M.Eng.



LABORATORIUM ELEKTRONIKA PROGRAM STUDI TEKNOLOGI ELEKTRO-MEDIS PROGRAM VOKASI UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH YOGYAKARTA 2020



LAPORAN PRAKTIKUM 5 RANGKAIAN INTEGRATOR A. TUJUAN PERCOBAAN



1. Mengetahui fungsi dari rangkaian Op-Amp sebagai Integrator. 2. Merencanakan dan membandingkan kerja dari Op-Amp sebagai Integrator. B. Dasar Teori



1. Pengertian OP-AMP Integrator Seperti namanya, Integrator Op-amp adalah sebuah rangkaian penguat operasional (Opamp) yang menjalankan operasi matematika Integrasi, yaitu kita bisa membuat output merespon perubahan tegangan input dari waktu ke waktu karena dalam integrator Op-amp ini akan menghasilkan tegangan output yang sebanding dengan integral dari tegangan input. Dengan kata lain besarnya sinyal output ditentukan oleh lamanya waktu tegangan hadir pada inputnya saat arus melalui loop umpan-balik mengisi atau melepaskan kapasitor karena umpan balik negatif yang diperlukan terjadi melalui kapasitor. Ketika tegangan langkah, Vin pertama- kali diterapkan pada input penguat terintegrasi, kapasitor C yang tidak terisi daya tahan sangat kecil dan bertindak sedikit seperti hubung singkat yang memungkinkan arus maksimum mengalir melalui resistor input, Rin karena perbedaan potensial ada di antara dua plat. Tidak ada arus yang mengalir ke input penguat dan titik X adalah virtual earth yang menghasilkan output nol. Sebagai impedansi dari kapasitor pada titik sangat rendah, rasio gain dari XC/RIN juga sangat kecil memberikan gain tegangan keseluruhan kurang dari satu, (rangkaian tegangan follower). Sebagai kapasitor feedback, C mulai mengisi daya karena pengaruh tegangan input, impedansinya Xc perlahan-lahan meningkat secara proporsional dengan laju pengisiannya. Kapasitor mengisi dengan kecepatan yang ditentukan oleh konstanta waktu RC, ( τ ) dari Jaringan RC seri. Umpan balik negatif memaksa Op-amp untuk menghasilkan tegangan output yang mempertahankan virtual earth pada input Inverting op-amp. Karena kapasitor dihubungkan antara input inverting Op-amp (yang merupakan potensial earth) dan output Opamp (yang negatif), tegangan potensial, Vc yang dikembangkan melintasi kapasitor perlahanlahan meningkat sehingga menyebabkan arus pengisian menurun karena impedansi peningkatan kapasitor. Ini menghasilkan rasio peningkatan Xc/Rin yang menghasilkan tegangan output ramp yang meningkat secara linear yang terus meningkat hingga kapasitor terisi penuh. Pada titik ini kapasitor bertindak sebagai rangkaian terbuka, menghalangi aliran arus DC. Rasio kapasitor feedback ke resistor input ( XC/RIN ) sekarang tidak terbatas



HALAMAN



2



menghasilkan gain yang tak terbatas.



2. Dasar Desain Integrator Op-amp menghasilkan tegangan output yang sebanding dengan amplitudo dan durasi sinyal input. Penguat operasional (Op-amp) dapat digunakan sebagai bagian dari penguat umpan balik positif atau negatif atau sebagai rangkaian jenis Penambah atau Pengurang menggunakan hanya resistansi murni di kedua input dan loop umpan balik. Tetapi bagaimana jika kita mengubah elemen umpan balik murni resistif ( Rƒ ) dari penguat inverting ke yang dari reaktansi tergantung frekuensi, ( X ) elemen kompleks jenis, seperti Kapasitor, C. Apa yang akan menjadi efek pada tegangan output Op-amp pada rentang frekuensinya. Dengan mengganti resistansi umpan balik ini dengan kapasitor, sekarang memiliki Jaringan RC yang terhubung melintasi jalur umpan balik Op-amp yang menghasilkan jenis lain dari rangkaian Op-amp yang biasa disebut rangkaian Op-amp Integrator. Berikut adalah contoh gambar rangkaian dan rumus rumus nya :



Gambar.1 Rangkaian Integrator 1) Tegangan Output



Gambar.2 Rumus Tegangan Output 2) Respon Frekuensi Rangkaian



Gambar.3 Rumus Respon Frekuensi 3) Dimana, apabila :  fin < fc , rangkaian bertindak sebagai inverting amplifier dengan penguatan tegangan sebesar – Rs/R1.  fin > fc , rangkaian bertindak sebagai integrator



Gambar.4 Rumus Penentu R2



HALAMAN



3



Agar offset output yang disebabkan arus bias input minimum, maka harga R2:



3. Bentuk gelombang Differensiator Op-amp Jika menerapkan sinyal input yang terus berubah seperti gelombang persegi ke input dari Amplifier Integrator maka kapasitor akan mengisi dan debit sebagai tanggapan terhadap perubahan dalam Sinyal Input.



Gambar.5 Bentuk Gelombang Input dan Output



Sinyal Output menjadi bentuk gelombang gigi gergaji yang dipengaruhi oleh konstanta waktu RC dari resistor / kombinasi kapasitor pada frekuensi yang lebih tinggi, kapasitor memiliki lebih sedikit waktu untuk terisi penuh.



4. Konfigurasi IC OP-AMP LM741 Penguat operasional (Op-Amp) adalah suatu blok penguat yang mempunyai dua masukan dan satu keluaran. Penguat operasional (Op-Amp) dikemas dalam suatu rangkaian terpadu (integrated circuit-IC). Salah satu tipe operasional amplifier (Op-Amp) yang populer adalah LM741. IC LM741 merupakan operasional amplifier yang dikemas dalam bentuk dual in-line package (DIP). Kemasan IC jenis DIP memiliki tanda bulatan atau strip pada salah satu sudutnya untuk menandai arah pin atau kaki nomor 1 dari IC tersebut. Penomoran IC dalam kemasan DIP adalah berlawanan arah jarum jam dimulai dari pin yang terletak paling dekat dengan tanda bulat atau strip pada kemasan DIP tersebut. IC LM741 memiliki kemasan DIP 8 pin seperti terlihat pada gambar berikut.



Gambar.6 Konfigurasi IC OP-AMP LM741



sedikit pengaturan terhadap arus internal di dalam IC untuk memaksa tegangan output menjadi nol ketika kedua input bernilai nol. IC LM741 berisi satu buah Op-Amp, terdapat banyak tipe IC lain yang memiliki dua atau lebih Op-Amp dalam suatu kemasan DIP. IC OpAmp memiliki



HALAMAN



Connection), dan dua pin offset null. Pin offset null memungkinkan kita untuk melakukan



4



Pada IC ini terdapat dua pin input, dua pin power supply, satu pin output, satu pin NC (No



karakteristik yang sangat mirip dengan konsep Op-Amp ideal pada analisis rangkaian. Pada kenyataannya IC Op-Amp terdapat batasan-batasan penting yang perlu diperhatikan. 1) Pertama, tegangan maksimum power supply tidak boleh melebihi rating maksimum, karena akan merusak IC. 2) Kedua, tegangan output dari IC op amp biasanya satu atau dua volt lebih kecil dari tegangan power supply. Sebagai contoh, tegangan swing output dari suatu op amp dengan tegangan supply 15 V adalah ±13V. 3) Ketiga, arus output dari sebagian besar op amp memiliki batas pada 30mA, yang berarti bahwa resistansi beban yang ditambahkan pada output op amp harus cukup besar sehingga pada tegangan output maksimum, arus output yang mengalir tidak melebihi batas arus maksimum. Pada sebuah peguat operasional (Op-Amp) dikenal beberapa istilah yang sering dijumpai, diantaranya adalah : 1) Tegangan ofset masukan (input offset voltage) Vio menyatakan seberapa jauh v+ dan v terpisah untuk mendapatkan keluaran 0 volt. 2) Arus offset masukan (input offset current) menyatakan kemungkinan seberapa berbeda kedua arus masukan. Arus panjar masukan (input bias current) memberi ukuran besarnya arus basis (masukan). 3) Harga CMRR menjamin bahwa output hanya tergantung pada (v+) – (v-), walaupun v+ dan v- masing-masing berharga cukup tinggi. Untuk menghindari keluaran yang berosilasi, maka frekuensi harus dibatasi, unity gain frequency memberi gambaran dari data tanggapan frekuensi. hal ini hanya berlaku untuk isyarat yang kecil saja karena untuk isyarat yang besar penguat mempunyai keterbatasan sehingga output maksimum hanya dihasilkan pada frekuensi yang relative rendah. C. Alat dan Bahan



1. PC/Laptop. 2. Software Proteus Professional. D. Langkah Percobaan



Gambar.7 Rangkaian Integrator



HALAMAN



5



1. Buatlah skema di bawah ini pada software proteus :



2. Atur Osiloskop seperti berikut 1) CH1 : …V/Div 2) CH2 : …V/Div 3) Time Base: …uS/Div 4) DC Coupling 3. Rangkailah rangkaian seperti pada diagram skematik dan pasang catu daya. 4. Aturlah tegangan puncak ke puncak 1Vpp (0,5V puncak) dan frekuensi pada 10Khz (2 siklus). 5. Untuk sementara lepaskan probe Ch2 dan catatlah posisi dari garis lurus (0V) hubungkan kembali probe pada output rangkaian. Hitung tegangan segitiga puncak ke puncak, catat hasilnya. Tegangan puncak ke puncak =…….V 6. Hitung periode waktu untuk gelombang kotak input selama satu siklus penuh (t). 7. Untuk sinyal input gelombang kotak, tegangan puncak ke puncak output gelombang segitiga adalah :



Gambar.8 Rumus Tegangan Output (Puncak) Bagaimana nilai yang ditentukan dalam langkah 4 dibandingkan nilai yang diperkirakan? 8. Ubah time base osiloskop menjadi 50μs/div dan Ch2 1V/div, aturlah frekuensi input pada 4Khz ulangi langkah 4,5,6. Bagaimana hasil percobaan ini dengan nilai yang telah dihitung? 9. Ubah time base ke 2ms/div dan Ch2 menjadi 5V/div. Atur frekuensi pada 300Hz. Bagaimana bentuk sinyal outputnya?. E. Hasil



1. Tabel Hasil Percoban Respon



Tegangan



Tegangan



Perioda



Bentuk



Bentuk



Input (Fc)



Frekuensi (Fi)



Input



Output



(t)



Gelombang



Gelombang



Input



Output



(terukur) 1.



10.000 Hz



1.592 Hz



1 Vp-p



2,45 Vp-p



1×10-4



Kotak



Segitiga



2.



4.000 Hz



1.592 Hz



1 Vp-p



5,50 Vp-p



2,5×10-4



Kotak



Segitiga



3.



300 Hz



1.592 Hz



1 Vp-p



10 Vp-p



-



Kotak



Kotak



6



Frekuensi



HALAMAN



No



2. Gambar Hasil dan Perhitungan R3 10k



+12



U1 17



D1



3 6



R2



A



K LED



54 AM



10k



2 -12



10k



+



R4



LM741



-



FM



C1 1nF



R1



A



100k



B CD



Gambar.9 Hasil Rangkaian Pada Proteus 1) Percobaan 1 Frekuensi



Respon



Tegangan



Tegangan



Perioda



Bentuk



Bentuk



Input (Fc)



Frekuensi



Input



Output



(t)



Gelombang



Gelombang



Input



Output



Kotak



Segitiga



(Fi) 10.000 Hz



1.592 Hz



(terukur) 1 Vp-p



1×10-4



2,42 Vp-p



Konfigurasi Osiloskop :



Konfigurasi AFG :



Ch1 : 0,5 Volt/Div



Frekuensi : 10 KHz



Ch2 : 1 Volt/Div



Level : 1 Vp-p



Time Base : 20 uS/Div



Input Sinyal : Kotak



Perhitungan : 1 10000



= 1 × 10−4



Vo =



𝑉𝑖.𝑡 𝑅1.𝐶



Fc =



Vo =



1.(1×10−4) 10000.(1×10−9)



Fc =



1 𝑅1×𝑅𝑠



R2 = 𝑅1+𝑅𝑠



2.𝜋.𝑅𝑠.𝐶 1 2.3,14.100000.(1×10−9)



100𝑘×10𝑘



R2 = 100𝑘+10𝑘 R2 = 9090,9 Ω



Vo = 10 𝑉𝑝 − 𝑝



Fc = 1592 𝐻𝑧



Vo Terukur = 2,45 Vp-p



gel. Negatif =



Vo Terhitung = 10 Vp-p



gel. Negatif = 2,5 Vp-p



1 1 2 10000



0,5× ×



7



10000×(1×10−9)



Gambar.10 Gelombang Input dan Output Percobaan 1



HALAMAN



t =



2) Percobaan 2 Frekuensi



Respon



Input (Fc) Frekuensi (Fi)



Tegangan



Tegangan



Perioda



Bentuk



Bentuk



Input



Output



(t)



Gelombang



Gelombang



Input



Output



Kotak



Segitiga



(terukur) 4.000 Hz



1.592 Hz



1 Vp-p



5,50 Vp-p



Konfigurasi Osiloskop :



Konfigurasi AFG :



Ch1 : 0,5 Volt/Div



Frekuensi : 4 KHz



Ch2 : 1 Volt/Div



Level : 1 Vp-p



Time Base : 50 uS/Div



Input Sinyal : Kotak



2,5×10



-4



Perhitungan :



Vo =



4000



= 2,5 × 10−4



𝑉𝑖.𝑡



Fc =



𝑅1.𝐶



1 𝑅1×𝑅𝑠



R2 = 𝑅1+𝑅𝑠



2.𝜋.𝑅𝑠.𝐶



Fc =



1.(2,5×10−4) 10000.(1×10 −9)



1 2.3,14.100000.(1×10−9)



Vo = 25 Vp − p



Fc = 1592 𝐻𝑧



Vo Terukur = 5,50 Vp-p



gel. Negatif =



Vo Terhitung = 25 Vp-p



gel. Negatif = 6,25 Vp-p



100𝑘×10𝑘



R2 = 100𝑘+10𝑘 R2 = 9090,9 Ω



1 1 2 4000



0,5× ×



10000×(1×10−9)



Gambar.11 Gelombang Output Percobaan 2



8



Vo =



1



HALAMAN



t =



3) Percobaan 3 Frekuensi



Respon



Tegangan



Tegangan



Perioda



Bentuk



Bentuk



Input (Fc)



Frekuensi



Input



Output



(t)



Gelombang



Gelombang



Input



Output



Kotak



Kotak



(Fi) 300 Hz



1.592 Hz



(terukur) 1 Vp-p



10 Vp-p



Konfigurasi Osiloskop :



Konfigurasi AFG :



Ch1 : 0,5 Volt/Div



Frekuensi : 300 Hz



Ch2 : 5 Volt/Div



Level : 1 Vp-p



Time Base : 2 mS/Div



Input Sinyal : Kotak



-



Perhitungan :



Vo = −



𝑅𝑠



× 𝑉𝑖𝑛



Fc =



𝑅1



1 𝑅1×𝑅𝑠



2.𝜋.𝑅𝑠.𝐶



Vo = − 100𝐾 × 1



Fc =



R2 = 𝑅1+𝑅𝑠 1



2.3,14.100000.(1×10−9)



10𝐾



Vo = −10 𝑉𝑝 − 𝑝



Fc = 1592 𝐻𝑧



100𝑘×10𝑘



R2 = 100𝑘+10𝑘 R2 = 9090,9 Ω



Vo Terukur = 10 Vp-p Vo Terhitung = -10 Vp-p



HALAMAN



9



Gambar.12 Gelombang Input dan Output Percobaan 3



F. Analisis



Dari praktikum kali ini dapat di simpulkan bahwa rangkaian integrator amplifier memiliki hubungan dengan rangkaian low pass filter yang dimana apabila frekuensi inputnya lebih besar dari respon frekuensi (Fc) maka rangkaian akan bertindak sebagai integrator amplifier, hal ini di sebabkan oleh rangkaian low pass filter pada input yang memblokir sinyal input frekuensi yang melebihi respon frekuensi sehingga tidak ada tegangan yang di lewatkan ke kaki inverting IC LM741 dan rangkaian pun akan bertindak sebagai integrator amplifier. Dan apabila input sinyal memiliki frekuensi yang lebih rendah dari pada respon frekuensi maka rangkaian akan bertindak sebagai inverting amplifier, hal ini di sebabkan karena low pass filter pada input rangkaian akan melewatkan tegangan yang memiliki frekuensi lebih rendah dari respon frekuensi, oleh karena itu tegangan akan masuk ke kaki inverting IC LM741 dan rangkaian pun akan bertindak sebagai inverting amplifier. Pada rangkaian Integrator dengan frekuensi input sebesar 10000 Hz gelombang input sangat jauh berbeda dengan gelombang output, yang dimana gelombang output berubah menjadi gelombang segitiga. Hal ini di sebabkan oleh respon frekuensi pada rangkaian yang lebih kecil dibandingkan dengan frekuensi input, yang dimana frekuensi input nya 10000 Hz dan respon frekuensinya sebesar 1592 Hz. Seperti yang sudah dijelaskan pada paragraf pertama apabila frekuensi input lebih besar dari respon frekuensi nya maka low pass filter akan memblokir tegangan input pada kaki inverting, oleh karena itu gelombang input kotak dapat berubah menjadi gelombang segitiga dan rangkaian pun bertindak sebagai integrator amplifier. Lalu pada rangkaian Integrator yang sama dengan frekuensi input sebesar 4000 Hz dapat dianalisis perubahan gelombang output nya. Gelombang output pada percobaan ke 2 ini memiliki bentuk segitiga namun memiliki sisi yang agak melengkung. Hal ini di sebabkan oleh besar frekuensi input (4000 Hz) yang hampir mendekati respon frekuensinya (1592 Hz). Apabila frekuensi input telah melebihi batas respon frekuensi maka bentuk gelombang output akan sama dengan gelombang input dan rangkaian pun tidak akan bekerja sebagai Integrator, akan tetapi malah bekerja sama dengan rangkaian inverting amplifier. Pada percobaan ke 3 dengan frekuensi sebesar 300 Hz dapat di analasis pada rangkaian yaitu rangkaian sudah tidak bekerja lagi sebagai Integrator dan kerja rangkaian pun sudah berubah menjadi inverting amplifier yang di mana output nya dikuatkan sebesar 10x yang telah di hitung dengan rumus –Rs/R1. Input yang awal nya hanya sebesar 1 Vp-p menjadi -10 Vp-p. Selain itu juga gelombang output memiliki bentuk yang sama dengan gelombang input. Semua ini disebabkan oleh respon frekuensi yang lebih besar dari frekuensi input (300 Hz),



HALAMAN



kaki inverting IC LM741 dan rangkaian pun akan bertindak sebagai inverting amplifier.



10



oleh karena itu low pass filter pada input rangkaian akan melewatkan tegangan input menuju



G. Kesimpulan



Dari serangkaian praktikum yang telah dilkukan dapat diambil kesimpulan sebagai berikut : 1. Rangkaian integrator amplifier memiliki hubungan dengan low pass filter. 2. Apabila frekuensi inputnya lebih besar dari respon frekuensi (Fc) maka rangkaian akan bertindak sebagai integrator amplifier. 3. Apabila input sinyal memiliki frekuensi yang lebih rendah dari pada respon frekuensi (Fc) maka rangkaian akan bertindak sebagai inverting amplifier. 4. Sinyal input frekuensi tinggi akan terblokir pada input. 5. Sinyal input frekuensi rendah akan dilewatkan pada input lalu di kuatkan (inverting



HALAMAN



11



amplifier) dan menuju output rangkaian.



Tugas-Tugas 1. Pada frekuensi berapakah rangkaian ini tidak bertindak sebagai integrator (yaitu inverting amplifier)? 2. Bagaimana output rangkaian integrator apabila inputnya berupa gelombang sinus dan segitiga? 3. Simulasikan pada software (Multisim/Proteus/yang lainnya) Jawab : 1. Rangkaian Integrator akan bekerja mendekati inverting amplifier apabila frekuensi input pada rangkaian kurang dari/di bawah batas respon frekuensi pada rangkaian. Untuk mencari nilai respon frekuensi dapat di gunakan rumus sebagai berikut :



Fc =



1 2. 𝜋. 𝑅𝑠. 𝐶



2. Apabila input berupa gelombang segitiga maka gelombang output akan berbentuk sinus seperti pada gambar 13.



Gambar.13 Gelombang Input segitiga Apabila input berupa gelombang sinus maka gelombang output akan berbentuk kosinus



3. Praktikum ini 100% dilakukan dengan simulasi pada software Proteus Professional v8.9.



HALAMAN



Gambar.14 Gelombang Input Sinus



12



seperti pada gambar 14.