Penguat Differensiator [PDF]

Citation preview

LEMBAR PENGESAHAN “Rangkaian Penguat Differensiator”



Disusun Oleh: Kelompok 1B



Nama



NIM



1. Risky Maulana



1507045001



2. Putri Islam Nur Hikmah



1507045040



Samarinda,13 April 2017 Asisten



Pradiska Suryanata NIM: 1407045028



ABSTRAK Putri Islam Nur Hikmah, Risky Maulana dibawah bimbingan asisten Pradiska Suryanata, telah menyelesaikan praktikum tentang “Rangkaian Penguat Differensiator” pada hari Rabu, tanggal 20 Februari 2017 pukul 14.40 – 16.40 WITA. Bertempat di Laboratorium Elektronika dan Instrumentasi, gedung G, lantai 4, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Mulawarman, Samarinda, Kalimantan Timur. Penguat operasional adalah penguat instan yang bisa langsung digunakan untuk banyak aplikasi penguat. Menurut penggunaannya penguat operasional dapat dibagi menjadi beberapa bagian salah satunya adalah rangkaian differensiator. Rangkaian diferensiator merupakan rangkaian yang memiliki keluaran sama dengan keluaran tapis lolos tinggi dan merupakan rangkaian yang memiliki keluaran yang merupakan diferensial dari masukannya. Pada praktikum tentang penguat diferensiator ini dilakukan dengan menggunakan satu buah LM741 dan dua buah resistor. Praktikum ini dilakukan untuk mengetahui prinsip kerja dari rangkaian diferensiator, bentuk gelombang keluaran dari rangkaian diferensiator, dan tegangan keluaran pada rangkain diferensiator. Berdasarkan hasil percobaan didapatkan didapatkan nilai untuk Vin sebesar 4 V dan untuk nilai Vout sebesar 4 volt. Dan untuk bentuk gelombang yaitu apabila sinyal gelombang masukan berbentuk sinusoidal maka bentuk keluarannya berbentuk cosinus, apabila bentuk sinyal masukannya berbentuk kotak maka bentuk keluarannya berbentuk gelombang segitiga.



Kata Kunci: Penguat Operasional, Penguat Differensiator, Peguat Sinyal.



ABSTRACT Putri Islam Nur Hikmah, Risky Maulana under guidance assistance by Pradiska Suryanata, have completed practicum of "Differentiator Amplifier Circuit" on Wednesday, 20st February, 2017 at 02:40 - 04 40 pm. Located at the Electronics and Instrumentation Laboratory, G building, 4th floor, Mathematics and Natural Sciences Faculty, Mulawarman University, Samarinda, East Borneo. Operational amplifier is an instant booster that can be directly used for many applications the amplifier. According to its use of operational amplifiers can be divided into several sections one of which is a series of differentiator. Differentiator circuit is a circuit that has the same output with output filter and a high pass the circuit which has an output of the differential input. At the Practice on differentiator amplifier is performed using a single LM741 and the two resistors. This practice conducted to determine the working principle of a differentiator circuit, the output of the circuit waveform differentiator, and the output voltage on a string differentiator. Based on the experimental results obtained for a value for Vinput is 6 V and value of Voutput is -1,44 volts. And a waveform that is when the input sinusoidal wave signal the cosine-shaped output form, when the form of a box-shaped input signal then output a wave-shaped form of a triangle.



Keywords: Operational Amplifier, Differential Amplifier, Signal Amplifier



BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Perkembangan ilmu pngetahuan dan teknologi harus diimbangi dengan perkembangan sumber daya manusia. Untuk itulah perguruan tinggi bertujuan untuk membentuk mahasiswa yang handal, yaitu mahasiswa yang mampu memahami ilmu pengetahuan dan teknologi yang diberikan dalam perguruan tinggi serta mampu mengembangkan dan merealisasikannya dalam masyarakat. Di zaman modern ini mahasiswa tidak akan terlepas dengan yang namanya perangkat elektronik seperti handphone, televisi, perangkat audio dan perangkat elektronik lainnya. Setiap perangkat pastinya memiliki kualitas yang berbeda beda, setiap produsen pasti akan mengembangkan perangkat yang lebih baik, maka digunakanlah amplifier secara khusus. Operational amplifier dapat di terapkan dalam rangkaian inverting, rangkaian non-inverting, rangkaian integrator dan rangkaian differentiator. Pada rangkaian differentiator bentuk sinyal merupakan diferensial dari isyarat masukan, jika tetapan waktu RC >>T/2. Pada penggunaan OP-Amp sebagai differentiator perlu diperhatikan daerah osilasi pada frekuensi tertentu Differentiator adalah rangkaian yang melakukan operasi differensiasi secara matematika. Rangkaian ini menghasilkan tegangan keluaran yang sebanding dengan kemiringan tegangan masukan. Penggunaan rangkaian differentiator yang umum adalah untuk mendeteksi tepi mendahului dan tepi ketinggian dari sebuah pulsa persegi atau untuk menghasilkan keluaran persegi dari sinyal masukan sinyal segitiga. Rangkaian differentiator adalah rangkaian aplikasi dari rumusan matematika yang dapat dimainkan (dipengaruhi) dari kerja resistor. Dasar OP-Amp differentiator adalah kebalikan dengan yang ada pada integrator. Oleh karena itu, praktikum pada praktikum ini kita akan mengetahui cara kerja dari rangkaian differentiator, mengetahui susunan rangkaian pada rangkaian differentiator, menegetahui hasil grafik masukan dan keluaran pada rangkaian differentiator, memehami penggunaan IC pada rangakian differentiator serta pengaruh frekuensi pada rangakaian differentiator.



1.2 Tujuan percobaan 1. Mengetahui prinsip kerja dari rangkaian differentiator 2. Mengetahui pengaruh frekuensi pada rangkaian differentiator 3. Mengetahui fungsi kapasitor dalam rangakaian differentiator



1.3 Tujuan percobaan 1. Dapat mengetahui prinsip kerja dari rangkaian differentiator 2. Dapat mengetahui pengaruh frekuensi pada rangkaian differentiator 3. Dapat mengetahui fungsi kapasitor dalam rangakaian differentiator



BAB II DASAR TEORI Penguat operasional atau operational amplifier dalam bahasa Inggris, sering disebut dengan IC dan disingkat sebagai Op-Amp, di mana banyak transistor digabunngkan dalam satu kristal semikonduktor. Dengan memakai teknologi IC banyak transistor dan komponen elektronik yang lain dan bisa digabungkan menjadi satu komponen dengan berbagai macam sambungan dan sifat-sifat tertentu yang dapat dikreasikan dengan menjadikan komponennya yang cukup canggih (Blocher, 2003). Penguat differensial bisa mengukur maupun memperkuat isyarat isyarat kecil dalam isyarat yang lebih besar. Empat buah tahanan presisi dan sebuah OP-Amp membentuk sebuah perangkat differensial. Terminal masukannnya ada dua yaitu V1 dan V2, dimana V1 sebagai masukan negatif V2 sebagai masukan positif. Tegangan masukan dari penguat differentiator Vout sebanding dengan perbedaaan tegangan yang di terapkan ke masukan negatif dan masukan positifnya. Sehingga gain differensial akan tergantung dari perbandingan tahanan tahanannya (Saidin, 2012). Pada penguat inverting kapasitor (C) di tempatkan di depan, maka akan di peroleh rangkaian differentiator. Bentuk rangakaian differentiator adalah mirip dengan rangkaian inverting. Sehingga jika berangakat dari rumus besaran inverting ini disubtitusikan akan didapat rumus penguat differentiator, dari hubungan ini terlihat sistem akan mololoskan frekuensi tinggi (high pass filter), dimana besaran penguatan akan berbanding lurus dengan frekuensi. Namun demikian, sistem seperti ini akan menguatkan noise yang umumnya berfrekuensi tinggi. Untuk praktisnya rangkaian ini dibuat dengan penguatan DC sebesar 1 (unity gain). Biasanya kapasitor di seri dengan sebuah resistor yang nilainya sama besar dengan R. Dengan cara ini akan diperoleh penguatan 1 (unity gain) pada nilai frekuensi cut off tertentu (Saidin, 2012). Pada rangkaian differentiator bentuk sinyal merupakan diferensial dari isyarat masukan, jika tetapan waktu RC >>T/2. Pada penggunaan OP-Amp sebagai



differentiator perlu diperhatikan daerah osilasi pada frekuensi tertentu (Saidin, 2012). Kalau komponen C pada rangkaian penguat inverting di tempatkan di depan. Maka akan di peroleh rangkaian differentiator seperti pada gambar 2.1 dengan analisa yang sama seperti rangkaian integrator akan diperoleh persamaan penguatnya



𝑉𝑜𝑢𝑡 = −𝑅𝐶 𝑑𝑉𝑖𝑛 /𝑑𝑡



(2.1)



(Malvino, 1987). Rumus ini secara matematis menunjukkan bahwa tagangan keluaran Vout pada rangkaian ini adalah diferensiasi dari tegangan input Vin. Contoh praktis dari hubungan matematis ini adalah jika tegangan input berupa sinyal segitiga, maka output-nya akan menghasilkan sinyal kotak



R



Vin



C



Vout



U1



IDEAL Gambar 2.1 Rangkaian Penguat Differentiator (Malvino, 1987). Banyak rangkaian differentiator adalah mirip dengan rangkaian inverting. Sehingga jika berangkat dari rumus penguat inverting



𝐺=



𝑅2



(2.2)



𝑅1



dan pada rangkaian differentiator diketahui :



𝑅2 = 𝑅1 𝑅1 = 𝑍𝑐 =



(2.3) 1 𝜔𝐶



(2.4)



maka jika besaran ini disubtitusikan akan didapat rumus penguat differentiator:



𝐺(𝜔) = −𝜔𝑅𝐶



(2.5)



Dari hubungan ini terihat 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, rangkaian ini dibuat dengan penguatan DC sebesar 1 (unity gain). Biasanya, kapasitor diseri dengan sebuah resistor yang nilainya sama dengan R. dengan ini akan diperoleh penguatan 1 (unity gain) pada nilai frekuensi cut off tertentu (Novitasari,2016). Fungsi rangkaian untuk menghasilkan tegangan yang merupakan fungsi dari tegangan input differensial waktu. Differentiator sirkuit pada dasarnya sebuah pass filter untuk kondensator yang terdiri dari baris dan resiator baris. Karena frekuensi reaktansi kondensator meningkat jika frekuensi jatuh rendah dari input. Jika ada masukan tingkat di terapkan untuk diferendiator tegangan pada kondensator berubah dalam sekejap sehingga ada tegangan pada resistor berkurang secara eksponensial sesuai dengan rumus (Clayton, 2005). Penguat diferensial digunakan untuk mencari selisih dari dua tegangan yang telah dikalikan dengan konstanta tertentu yang telah ditentukan oleh nilai resistansi yaitu sebesar Rf/R1 untuk R1=R2 dan Rf=Rg. Penguat jenis ini berbeda dengan differentiator. Rumus yang digunakan adalah sebagai berikut



𝑉𝑜𝑢𝑡 =



(𝑅𝑓 +𝑅1 )𝑅𝑔 (𝑅𝑔 +𝑅2 )𝑅1



𝑉2 −



𝑅𝑓



𝑉 𝑅1 1



(2.6)



sedangkan untuk R1=R2 dan Rf=Rg maka berlaku diferensial adalah :



𝑉𝑜𝑢𝑡 =



𝑅𝑓 𝑅1



(𝑉2 𝑉1 )



(2.7)



(Clayton, 2005). Penguat diferensial tersebut menggunakan komponen BJT (Bipolar Junction Transistor) yang identik/ sama persis sebagai penguat. Pada penguat diferensial terdapat dua sinyal masukan (input) yaitu V1 dan V2. Dalam kondisi ideal apabila kedua masukan identik ( Vid=0), maka keluaran Vod=0. Hal ini disebabkan karena IB1=IB2 sehingga IC1=IC2. Keluaran penguat diferensial digunakan dan dihubungkan dengan masukan penguat diferensial tingkat berikutnya. Dengan



begitu besar penguatan total (AD) adalah hasil kali anatara penguatan penguat diferensial pertama (Vd1) dan penguatan penguat difereansial kedua (Vd2) (Clayton, 2005). Dalam penerapannya penguat diferensial lebih disukai apabila hanya memilik satu keluaran, jadi yang diinginkan adalah tegangan antara satu keluaran dari bumi (ground). Untuk dapat menghasilkan satu keluaran yang tengangannya terhadap bumi (ground) sama dengan tegangan antara dua keluaran (Vout) maka salah satu keluaran dari penguat diferrensial tingkat kedua dihubungkan dengan suatu penguat pengikut emiter (emitter follower) (Malvino, 1987). Differentiator adalah rangkaian yang melakukan operasi diferensiasi secara matematik. Rangkaian ini menghasilkan keluaran yang dapat dibuat secara sama dengan atau lebih besar daripada masukan. Tegangan keluaran dapat dicari dengan rumus :



𝑉𝑜𝑢𝑡 = −2𝑅𝑓𝐶𝑖𝑛



(2.8)



(Malvino,1987). Low pass filter adalah sebuah penapis lolos rendah membolehkan sinyal sinyal yang masuk diteruskan hanya dengan sedikit bahkan tidak ada pelemahan hingga frekuensi tertentu, di atas frekuensi ini penapis akan menahan sinyal sinyal masukan. Cara filter ini adalah pada frekuensi rendah, kapasitor akan terbuka dan rangkaian akan berkerja seperti penguat pembalik dengan penguatan R2/R1 (Malvino, 1987). High pass filter adalah jenis filter yang akan melewatkan frekuensi tinggi dan meredam frekuensi rendah kapasitor menjadi seperti terbuka dan penguat tegangan menjadi nol. Pada frekuensi tinggi, kapasitor akan menjadi seperti di hubungkan pembalik dengan penguat tegangan –R2/R1 (Malvino, 1987). Rangkaian differentiator adalah suatu rangkaian yang menghitung nilai sesaat setiap titik pada kemiringan garis untuk membentuk gelombang. Diferensiasi dan integrasi adalah pasangan operasi matematik yang mempunyai efek yang berlawanan satu sama lain. Sebagai contoh, jika suatu bentuk di diferensiasikan maka akan di dapat bentuk gelombang asalnya (Clayton, 2005).



Differentiator adalah rangkaian dari rumusan matematika yang dapat dimainkan (dipengaruhi) dari kerja kapasitor. Rangkaian ini menghasilkan tegangan keluaran sebanding dengan kemiringan tegangan masukan. Differentiator berfungsi untuk mendiferensialkan tegangan input terhadap waktu, jika tidak proses akan hilang. Mendifferensialkan sinyal hasil pembalikan terhadap waktu dengan persamaan :



𝑉𝑜𝑢𝑡 = −𝑅𝐶



𝑑𝑉𝑖𝑛 𝑑𝑡



(2.9)



(Clayton, 2005). Dimana Vin dan Vout adalah fungsi dan waktu. Pada dasarnya dapat juga dibandingkan dari integrator dengan cara mengganti kapasitor dan induktor. Differentiator juga dapat



dildihat sebagai tapis pelewat rendah dan dapat



digunakan sengai tapis aktif (Clayton, 2005). Pada sinyal frekuensi rendah, reaktansi kapasitor (XC) akan bernilai tinggi sehingga OP-Amp (pada untai penguat differentiator) akan mengahasilkan penguatan yang lemah (Rf/XC) dan tegangan output yang rendah (Novitasari, 2016). Kita bicarakan Phase Locked Loop (PPL), yaitu salah satu ruang rangkaian imum IC serbaguna dan tentu telah dikenal oleh para penggemar elektronika. Seperti halnya penguat operasional, PPL ini bekerja berdasarkan pada tegangan umpan balik. Bila Op-Amp mengumpan balikkan tegangan (terkadang arus), maka PPL justru mengumpulkan frekuensi AC (Zaki, 2005). Pada sinyal frekuensi tinggi, reaktansi kapasitor (XC) bernilai lebih rendah sehingga penguat differentiator akan menghasilkan penguatan (gain) dan tegangan output yang lebih tinggi, namun demikian pada frekuensi tinggi sebuah untai differentiator akan menjadi tidak stabil dan akan mulai terjadi osilasi untuk menghindari penguatan frekuensi tinggi dari kebutuhan untai maka dapat di lakukan pengurangan frekuensi dengan menambahkan sebuah kapasitor (Cf) tanbahan bernilai kecil yang dirangkai paralel terhadap resistor feedback (Rf). Kekurangan penguat differentiator adalah penguat differentiator pada frekuensi tinggi akan menjadi tidak stabil dan akan mulai terjadi osilasi (Novitasari, 2016).



BAB III METODOLOGI PERCOBAAN 3.1 Waktu dan Tempat Praktikum Elektronika Dasar II tentang “Rangkaian Penguat Differentiator“ dilaksanakan pada tanggal 15 Maret 2017, pukul 14.40-16.40 WITA, bertempat di Laboratorium Elektroninka dan Instrumentasi, Lantai 4, Gedung G, Fakultas Matematika Dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Mulawarman, Samarinda, Kalimantan Timur.



3.2 Alat dan Bahan 3.2.1 Alat 1. Signal Generator 2. Osiloskop 3. Kabel Probe 4. Kabel Penghubung 5. Penjepit Buaya 6. Project Board 7. Catu Daya



3.2.2 Bahan 1. IC LM 741 2. Dua Buah Kapasitor C1= 22pF =22×10-12F CF= 22pF =22×10-12F 3. Dua Buah Resistor R1= Coklat, Hitam, Merah, Emas = 10×102 ± 5% Ω Rf= Coklat, Hitam, Orange, Emas = 10×103 ± 5% Ω



3.3 Langakah Kerja 1. Disiapkan resistor, project board, IC LM 741, dan kapasitor 2. Dicatat nilai resistor dan kapasitor 3. Dirangkai rangkaian sesuai gambar 3.1 4. Dihubungkan rangkaian pada osiloskop catu daya dan signal generator 5. Diamati gelombang yang terbentuk



Cf Rf



R1



+



C1



Vout



U1



++



IDEAL +



+



-



-



-



--



Gambar 3.1 Rangkaian Differentiator



V V1



10V



V1



BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1 Tabel Pengamatan 4.1.1 Resistor No. Warna 1. Coklat, Hitam, Merah, Emas 2. Coklat, Hitam, Orange, Emas 4.1.2 Kapasitor No. Nilai 1. 22×10-12F 2. 22×10-12F 4.1.3 Frekuensi No. Nilai 1. 6 Hz 4.2 Analisis Data volt/DIV Vin = × A 5 =



10



×2



5



=4V



Vout = =



volt/DIV 5 10



× A



×2



5



=4V V



Vin = V in



out



4



=4 = 1 kali dV



in Vout = −RfC time/DIV



1 Rtotal



1



1



=R +R 1



f



Nilai 10×102 ± 5% Ω 10×103 ± 5% Ω



1



1



= 1000 + 10000 10+1



= 10000 11



= 10000 R tot = 909,09 Ω Ctot = C1 + C2 = 22 × 10−12 + 10 × 10−9 Ctot = 10 × 10−9 F 2,5



Vout = −909,09 × 6 × 10 × 10−9 10 = −1,36 × 10−5 V



4.3 Analisis Grafik 4.3.1 Grafik Vin dengan 10volt/DIV dan 10time/DIV



4.3.2 Grafik Vout dengan 10volt/DIV dan 10time/DIV



4.4 Pembahasan Pada hasil pecobaan di dapatkan tegangan inputnya untuk 10



volt



/DIV adalah 4



volt dengan frekuensi sebesar 6 Hz, dan tegengan output untuk 10 volt/DIV adalah 4 volt. Menurut teori, bila sinyal input melebihi frekuensi fa maka hasil output akan sama dengan inputnya. Adapun fungsi komponen komponen yang digunakan dalam percobaaan rangkaian penguat differentiator adalah sebagai berikut, resistor yang berfungsi sebagai tahanan atau hambatan (R1), resistor juga berfungsi sebagai feedback, kapasitor berfungsi sebagai pengganti resistor untuk feedback (Cf), kapasitor berfungsi sebagai komponen penghambat berbasis pada frekuensi (C1), osiloskop sebagai alat yang digunakan untuk mengamati sinyal, catu daya sebagai penghasil sumber arus listrik, signal generator sebagai penghasil sinyal, project board sebagai tempat atau wadah untuk membuat rangkaian, kabel penghubung sebagai kabel yang menghubungkan komponen satu dengan koomponen yang lainnya, kabel penjepit buaya berfungsi sebagai kabel yng menghubungkan rangkaian dengan catu daya. Adapun faktor kesalahan yang terjadi dalam percobaan yaitu kurang telitinya praktikan dalam merangkai kapasitor sehingga IC menjadi panas dan terlalu banyaknya penggunaan kabel sehingga terdapat noise pada rangkaian. Hasil gelombang yang digambarkan dalam grafik menunjukkan bahwa gelombang yang berbentuk kotak maka pada gelombang keluarannya akan mendapatkan gelombang yang berbentuk spikers wave, walaupun bentuknya kurang jelas dikarenakan terdapatnya noise dalam rangkaian yang dibuat. Differentiator adalah rangkaian dari rumusan matematika yang dapat dimainkan (dipengaruhi) dari kerja kapasitor.



Fungsi



rangkaian



untuk



menghasilkan tegangan yang merupakan fungsi dari tegangan input differensial waktu. Differentiator sirkuit pada dasarnya sebuah pass filter untuk kondensator yang terdiri dari baris dan resiator baris. Karena frekuensi reaktansi kondensator meningkat jka frekuensi jatuh rendah dari input. Jika ada masukan tingkat di terapkan untuk diferendiator tegangan pada kondensator berubah dalam sekejap sehingga ada tegangan pada resistor berkurang secara eksponensial



BAB V PENUTUP 5.1 Kesimpulan 1. Prinsip kerja dari rangkaian differentiator, yaitu kapsitor yamg didepan sebuah OP-Amp yang mana membentuk tapis lolos tinggi sehingga keluaran pada rangkaian differentiator merupakan diferensial dari masukanya. 2. Pengaruh frekuensi pada rangkaian differentiator adalah dimana besaran penguatan akan berbanding lurus dengan frekuensi. 3. Fungsi kapasitor dalam rangkaian differentiator adalah sebagai umpan balik dimana umpan balik pada kapasitor akan mulai mengisi karena pengaruh dari tegangan input dan juga dapat memfilter sinyal masukannya.



DAFTAR PUSTAKA Blocher, Richard. 2003. Dasar Elektronika. Yogyakarta : Andi Clayton, George. 2005. Operational Amplifier. Jakarta : Erlangga Malvino, Albert. 1987. Prinsip Prinsip Elektronika. Jakarta : Erlangga Novitasari, Desy. 2016. Rangkaian Integral Rc Dan Differentiator Rc. (diakses pada tanggal 12 maret pukul 21.00 WITA pada web : http:// desy novita sari physics. blogspot. co. id/ 2016/ 03/ rangkaian- integral- Rc- dandifferentiator- Rc. html/ 3in = 1) Saidin, T Adiratpa. 2012. Elektronika Fisis Dasar II Penguat OP-Amp. (diakses pada tanggal 12 Maret 2017 pukul 19.00 WITA pada web : http:// dipapisik. blogspot. co. id/ 2012/ 04)