Transcript PENGKONDISI-SINYAL-2

Pertemuan ke 8
Selasa, 16 Oktober 2012
Sensor-Transduser TEUM@2012
1
POKOK BAHASAN
•Review Sensor Cahaya
•Pengkondisi Sinyal dengan
Operational Amplifier (Op amp)
•Panduan Perancangan
Sensor-Transduser TEUM@2012
2
Fotovoltaic (Solar Cell/Fotocell)
Berfungsi untuk mengubah sinar matahari menjadi arus listrik DC.
Tegangan yang dihasilkan sebanding dengan intensitas cahaya
yang mengenai permukaan solar cell. Semakin kuat sinar
matahari tegangan dan arus listrik DC yang dihasilkan semakin
besar.
Simbol Solar Cell:
Bahan pembuat solar cell adalah silicon, cadmium sullphide,
gallium arsenide dan selenium.
Aplikasi Sensor Solar Cell
Sensor LDR
6
(Fotoconductiv families)
LDR (Light Dependent
Reisistor)
Nilai resistansi pada LDR :
Ada cahaya resistansinya = rendah
Tidak ada cahaya resistansinya = besar
LDR (Light Dependent Resistor)
Aplikasi Sensor Cahaya
•LDR
•Q1 : Transistor BC107 atau BC 547
•VR1 : Potensio 100 Kohm
•RL1 : Relay 9 Volt
•R2 : 47 Kohm
•BL1 : Lampu taman
•R1 : 1K
Aplication in Robotic
Sensor-Transduser TEUM@2012
9
OPERATIONAL AMPLIFIER
(OP AMP)
• Penguat membalik
• Penguat tak membalik
• Penguat penyangga
• Penguat menjumlah
• Rangkaian Penguat Diferensial Dasar
• Rangkaian Penguat Instrumentasi.
Sensor-Transduser TEUM@2012
10
Penguat Membalik
Vi
Ri
Rf
• Arus pada resistor Ri:
Vo
+
Vi
Ii 
Ri
Arus ini sama dengan arus yang
mengalir pada resistor Rf, oleh
karena itu tegangan keluaran Vo:
VO  
Rf
Ri
Vi
Sensor-Transduser TEUM@2012
11
Penguat Tak Membalik
Ri
Arus yang mengalir pada
resistor Ri sama dengan
yang mengalir pada resistor
Rf, yaitu:
Vi
V
I
Rf
I
i
Vo
+
Ri
Tegangan keluaran Vo:
Vi  R f
VO  ( Ri  R f )  I  ( Ri  R f )  1 
Ri 
Ri
Sensor-Transduser TEUM@2012

Vi

12
Penguat Penyangga
(Pengikut Tegangan)
Vo = Vi
-
+
Vo
Vi
Sensor-Transduser TEUM@2012
13
Penguat Menjumlah
R1
R2
V1
R3
-
Vo
V2
+
 R2
R2 
VO   V1  V2 
R3 
 R1
Sensor-Transduser TEUM@2012
14
Rangkaian Penguat Diferensial Dasar
R1
R2
V1
• Tegangan keluaran:
Vout
-
R2
V2  V1 

R1
Vout
V2
R1
+
R2
• Mampu menyingkirkan tegangan
masukan mode bersama (common
mode), yang dinyatakan sebagai CMRR
(Common Mode Rejection Ratio).
Kelemahan:
• Impedansi masukannya rendah
• Impedansi masukan pada kedua
terminal masukannya tidak sama
• Pengubahan penguatan sulit dilakukan.
Sensor-Transduser TEUM@2012
15
Rangkaian Penguat Instrumentasi
V1
+
-
Vout
R1
 2 R1  R3 
 V2  V1 
 1 
RG  R2 

R2
R3
-
RG
Vout
R2
-
R1
+
R3
+
V2
Sensor-Transduser TEUM@2012
16
PANDUAN PERANCANGAN
• Definisikan tujuan pengukuran
– Parameter. Apa jenis variabel yang diukur
(tekanan, suhu, aliran, level, tegangan, arus,
resistansi, dsb)
– Kisaran. Bagaimanakah kisaran pengukurannya
(10 sampai 200 oC, 45 sampai 85 psi, 2 sampai 4
V, dsb)
– Akurasi. Seberapa besarkah akurasi yang
diinginkan (5% FS, 3% dari pembacaan, dsb)
– Linieritas. Haruskah keluaran pengukurannya
linier
– Noise. Bagaimana level dan spektrum frekuensi
noise di lingkungan pengukuran.
Sensor-Transduser TEUM@2012
17
• Pilih sensor yang digunakan (bila dimungkinkan)
– Parameter. Apa jenis keluaran sensor (resistansi,
tegangan, dsb.)
– Fungsi alih. Bagaimana hubungan antara
keluaran sensor dan variabel yang diukur (linier,
grafik, persamaan, akurasi, dsb.)
– Tanggapan waktu. Bagaimana tanggapan waktu
sensor (konstanta waktu order- pertama, orderkedua, frekuensi)
– Kisaran. Bagaimana kisaran keluaran parameter
sensor untuk kisaran pengukuran yang diberikan
– Daya. Bagaimana spesifikasi daya sensor
(maksimum disipasi resistif, penarikan arus, dsb).
Sensor-Transduser TEUM@2012
18
• Rancang Pengkondisi Sinyal Analog (P/S)
– Parameter. Apa jenis keluaran yang diinginkan
(tegangan, arus, frekuensi)
– Kisaran. Bagaimana kisaran parameter
keluaran yang diinginkan (0 sampai 5 volt, 4
sampai 20 mA, 5 sampai 10 kHz, dsb.)
– Impedansi masukan. Berapa impedansi P/S
yang harus diberikan kepada sumber sinyal
masukan
– Impedansi keluaran. Berapa impedansi
keluaran P/S yang harus ditawarkan kepada
rangkaian beban keluaran.
Sensor-Transduser TEUM@2012
19
• Beberapa catatan yang perlu diperhatikan
– Bila masukannya berupa suatu perubahan
resistansi dan harus digunakan rangkaian
jembatan atau pembagi tegangan, maka
pertimbangkanlah pengaruh ketidaklinieran
tegangan keluaran terhadap resistansi, dan
pengaruh arus yang mengaliri sensor resistif
– Untuk perancangan dengan opamp, pendekatan
perancangan yang paling mudah adalah dengan
membuat persamaan keluaran-masukan. Dari
persamaan ini akan terlihat dengan jelas, jenis
rangkaian yang dapat digunakan. Persamaan ini
menyatakan fungsi alih statik P/S
– Perhatikan selalu kemungkinan pembebanan
sumber tegangan oleh P/S karena dapat
menimbulkan kesalahan.
Sensor-Transduser TEUM@2012
20
Contoh 1
Sebuah sensor menghasilkan tegangan keluaran dalam
kisaran 20 sampai dengan 250 mV. Buatlah rangkaian yang
mengkondisikan tegangan tersebut menjadi dalam kisaran 0
sampai dengan 5 V (linier), dan rangkaian tersebut harus
mempunyai impedansi masukan yang tinggi.
Penyelesaian :
Karena hubungan antara keluaran dan masukan rangkaian
tersebut linier, maka hubungan tersebut dapat dinyatakan dalam
bentuk persamaan garis lurus :
Vout = mVi + Vo
dengan: m = kemiringan garis, yang menyatakan penguatan
Vo = tegangan ofset keluaran
Untuk nilai keluaran 0 dan 5 volt diperoleh persamaan :
0 = m (0,02) + Vo
5 = m (0,25) + Vo
Sensor-Transduser TEUM@2012
21
• Dari kedua persamaan ini, kalau diselesaikan
secara serentak maka akan diperoleh nilai m =
21,7 dan Vo = - 0,434 V sehingga persamaannya
menjadi :
Vout = 21,7 (Vin-0,02)
yang merupakan persamaan penguat diferensial.
Karena disyaratkan impedansi masukannya harus
tinggi, maka digunakan penguat instrumentasi.
Misalkan dipilih nilai R2 = R3 = 1kW dan R1 = 100
kW, sehingga RG dapat diperoleh sebesar:
RG = 9662 W
Sensor-Transduser TEUM@2012
22
12V
680 W
6,2V
Tegangan 0,02 V dapat diperoleh dari rangkaian
pembagi tegangan. Rangkaian yang dimaksudkan
diperlihatkan dalam gambar berikut:
+
30,9 kW
0,02 V
R1
100 K
-
100 W
R2
R3
1K
1K
-
Vout
RG= 9662 W
+
Vin
R1
100 K
R2
R3
1K
1K
+
Sensor-Transduser TEUM@2012
23
Contoh 2.
• Sebuah sensor mengeluarkan tegangan
yang berkisar antara –2,4 V sampai -1,1
V. Untuk interface ke ADC, diperlukan
untuk mengubah tegangan tersebut
menjadi dalam kisaran 0 sampai 2,5 V.
Rancanglah sebuah rangkaian
pengkondisi sinyal untuk keperluan
tersebut.
Sensor-Transduser TEUM@2012
24
Penyelesaian
• Dalam soal ini tidak ada informasi tentang
variabel yang diukur, lingkungan
pengukuran, ataupun sensornya
• Permasalahannya hanyalah
pengkonversian kisaran tegangan
• Impedansi sumbernya juga tidak diketahui,
maka akan lebih baik kalau dianggap
bahwa nilainya tinggi, dan kemudian
dirancang sistem yang berimpedansi
masukan tinggi.
Sensor-Transduser TEUM@2012
25
• Rangkaian yang diperlukan dapat diperoleh dari
persamaan yang menyatakan hubungan
keluaran-masukan sebagai berikut :
Vout = mVin + Vo
• Dari spesifikasi yang diketahui, maka dapat
diperoleh :
0 = m (-2,4) + Vo
2,5 = m (-1,1) + Vo
• Jika kedua persamaan ini kita selesaikan secara
serentak, maka akan diperoleh m = 1,923 dan
Vo = 4,6152 V, sehingga diperoleh persamaan
fungsi alihnya :
Vout = 1,923 Vin + 4,6152.
Sensor-Transduser TEUM@2012
26
- 15V
- 4,6152 V
Sensor-Transduser TEUM@2012
27
Sensor-Transduser TEUM@2012
28