APLIKASI OP-AMP

[PENGAPLIKASIAN OP-AMP]

DAFTAR ISI 

1. Tujuan Pembelajaran

2. Alat, Bahan (Komponen), dan Dasar Teori

3. Rangkaian dan Prinsip Kerja  

4. Video Perangkaian

5. Download Materi dan Datasheet

 

APLIKASI KONTROL PENDINGIN DAN PEMANAS AIR PADA DISPENSER

Tujuan Pembelajaran :

a. Untuk mengetahui apa itu sensor infrared dan NTC

b. Untuk mengetahui bagaimana prinsip kerja dari sensor infrared dan NTC

c. Untuk mempelajari aplikasi dari sensor infrared dan NTC 

d. Untuk mempelajari simulasi rangkaian sensor infrared dan NTC menggunakan aplikasi proteus. 

Alat :

    Terminals : Ground dan power

 

    Instrumens : DC Voltmeter 

Bahan/Komponen :

1. Resistor
2. Transistor/BC547
3. Op-amp
4. Sensor Infrared
5. NTC
6. Motor
7. Relay
8. Baterai
9. Diode
10. logictoggle
11. Led

 

Dasar Teori 

SENSOR INFRARED

Spesifikasi Sensor :

Fitur	Spesifikasi
Nama	Sensor Infrared Proximity
Tipe	Module Sensor
Banyak Pin	3 Pin
Tegangan Masukan	3-5 Volt
Konsumsi Arus	23 mA saat 3.0V dan 43 mA saat 5.0V
Jarak pembacaan	2 - 30 cm (diatur dengan potensiometer)
Keluaran Sensor	Digital LOW
Lampu LED indikator	Ada

Sensor Infrared adalah komponen elektronika yang dapat mendeteksi benda ketika cahaya infra merah terhalangi oleh benda. Sensor infared terdiri dari led infrared sebagai pemancar dan fototransistor sebagai penerima cahaya infra merah. Led infrared sebagai pemancar cahaya infra merah merupakan singkatan dari Light Emitting Diode Infrared yang terbuat dari bahan Galium Arsenida (GaAs) dapat memancarkan cahaya infra merah dan radiasi panas saat diberi energi listrik. (M. Aksin. 2013) Proses pemancaran cahaya akibat adanya energi listrik yang diberikan terhadap suatu bahan disebut dengan sifat elektroluminesensi. (Sutrisno. 1987). Gambar led infrared dapat dilihat pada gambar 

        Di sini kami mengetahui bahwa sinar infrared merupakan sinar yang tidak dapat di lihat. Panjang gelombangnya sendiri yaitu 700 nm dan 1 mm. Sehingga disini saya ingin membuktikan bahwa sinar infrared dapat dijadikan alat lacak atau biasa disebut sensor. dengan panjang gelombang dan frequensi yang diketahui, sensor infrared diharapkan mampu dijadikan sebagai alat pendeteksi benda yang dapat membuka sebuah pintu secara otomatis.

 

        Infrared atau yang lazim dikenal dengan infra merah merupakan sinar elektromagnetik yang memiliki panjang gelombang lebih dari cahaya yang terlihat, yakni antara 700 nm dan 1 mm. Sinar infrared adalah cahaya yang tidak terlihat atau tak tertangkap mata. Apabila dilihat dengan menggunakan spektroskop cahaya maka radiasi dari sinar infrared akan terlihat pada spektrum elektromagnet dengan panjang gelombang yang berada di atas panjang gelombang cahaya merah.

Dengan adanya panjang gelombang ini menyebabkan sinar infrared tidak tertangkap mata, tetapi radiasi dari panas yang ditimbulkan masih dapat terdeteksi.

Tabel

Dari grafik dapat disimpilkan bahwa semakin jauh jarak benda maka semakin kecil output nya, dan begitu juga sebaliknya.

NTC

Pengertian termistor NTC (Negative Temperature Coefisien) adalah resistor dengan koefisien temperatur negatif yang sangat tinggi. Termistor jenis ini dibuat dari oksida dari kelompok elemen transisi besi ( misalnya FE₂O₃, N_iO CoO dan bahan NTC yang lain). Oksida – oksida ini mempunyai resistivitas yang sangat tinggi dalam zat murni, tetapi bisa ditransformasikan kedalam semi konduktor dengan jalan menambahkan sedikit ion – ion lain yang valensinya berbeda. Harga nominal biasanya ditetapkan pada temperatur 25 ^oC. Perubahan resistansi yang diakibatkan oleh non linieritasnya ditunjukkan dalam bentuk diagram resistansi dengan temperatur, seperti yang ditunjukkan pada gambar berikut ini.

 

Op Amp 

    Operasional amplifier (Op-Amp) adalah suatu penguat berpenguatan tinggi yang terintegrasi  dalam sebuah chip IC yang memiliki dua input inverting dan non-inverting dengan sebuah terminal output, dimana rangkaian umpan balik dapat ditambahkan untuk mengendalikan karakteristik tanggapan keseluruhan pada operasional amplifier (Op-Amp). Pada dasarnya operasional amplifier (Op-Amp) merupakan suatu penguat diferensial yang memiliki 2 input dan 1 output.

Prinsip kerja sebuah operasional Amplifier (Op-Amp) adalah membandingkan nilai kedua input (input inverting dan input non-inverting), apabila kedua input bernilai sama maka output Op-amp tidak ada (nol) dan apabila terdapat perbedaan nilai input keduanya maka output Op-amp akan memberikan tegangan output. Operasional amplifier (Op-Amp) dibuat dari penguat diferensial dengan 2 input.

Penguat Non-inverting (Op Amp)

Rangkaian untuk penguat non-inverting adalah seperti yang ditunjukkan gambar (3).

Gambar 3

Rangkaian Penguat Non-Inverting

Penguat tersebut dinamakan penguat non-inverting karena masukan dari penguat tersebut adalah masukan non-inverting dari Op Amp. Tidak seperti penguat inverting, sinyal keluaran penguat jenis ini sefasa dengan sinyal masukannya. Seperti pada rangkaian penguat inverting syarat ideal sebuah penguat adalah tegangan masukan sama dengan 0 dan impedansi masukan tak terhingga. sehingga dari rangkaian tersebut dapat diperoleh rumus penguat adalah sebagai berikut :                                    

 

Substitusi persamaan (5) dan (6) ke persamaan (1) sehingga diperoleh 

Inverting Amplifier 

 

NonInverting

Komparator

Adder

    Rangkaian Dasar OpAmp

Op-Amp memiliki beberapa karakteristik, diantaranya:

a. Penguat tegangan tak berhingga (AV = ∼)

b. Impedansi input tak berhingga (rin = ∼)

c. Impedansi output nol (ro = 0) d. Bandwidth tak berhingga (BW = ∼)

d. Tegangan offset nol pada tegangan input (Eo = 0 untuk Ein = 0)

Grafik input dan output op amp

Resistor

Resistor memiliki nilai resistansi atau hambatan yang berfungsi untuk menghambat dan mengatur arus listrik yang mengalir dalam rangkaian. Resistor memiliki dua pin untuk mengukur tegangan listrik dan arus listrik, dengan resistansi tertentu yang dapat menghasilkan tegangan listrik di antara kedua pin. Nilai tegangan terhadap resistansi berbanding lurus dengan arus yang mengalir.

Relay

    Relay adalah Saklar (Switch) yang dioperasikan secara listrik dan merupakan komponen Electromechanical (Elektromekanikal) yang terdiri dari 2 bagian utama yakni Elektromagnet (Coil) dan Mekanikal (seperangkat Kontak Saklar/Switch). Relay menggunakan Prinsip Elektromagnetik untuk menggerakkan Kontak Saklar sehingga dengan arus listrik yang kecil (low power) dapat menghantarkan listrik yang bertegangan lebih tinggi. Sebagai contoh, dengan Relay yang menggunakan Elektromagnet 5V dan 50 mA mampu menggerakan Armature Relay (yang berfungsi sebagai saklarnya) untuk menghantarkan listrik 220V 2A.

 

Pada dasarnya, Relay terdiri dari 4 komponen dasar  yaitu :

1.     Electromagnet (Coil)

2.     Armature

3.     Switch Contact Point (Saklar)

4.     Spring

Kontak Poin (Contact Point) Relay terdiri dari 2 jenis yaitu :

• Normally Close (NC) yaitu kondisi awal sebelum diaktifkan akan selalu berada di posisi CLOSE (tertutup)
• Normally Open (NO) yaitu kondisi awal sebelum diaktifkan akan selalu berada di posisi OPEN (terbuka)

Berdasarkan gambar diatas, sebuah Besi (Iron Core) yang dililit oleh sebuah kumparan Coil yang berfungsi untuk mengendalikan Besi tersebut. Apabila Kumparan Coil diberikan arus listrik, maka akan timbul gaya Elektromagnet yang kemudian menarik Armature untuk berpindah dari Posisi sebelumnya (NC) ke posisi baru (NO) sehingga menjadi Saklar yang dapat menghantarkan arus listrik di posisi barunya (NO). Posisi dimana Armature tersebut berada sebelumnya (NC) akan menjadi OPEN atau tidak terhubung. Pada saat tidak dialiri arus listrik, Armature akan kembali lagi ke posisi Awal (NC). Coil yang digunakan oleh Relay untuk menarik Contact Poin ke Posisi Close pada umumnya hanya membutuhkan arus listrik yang relatif kecil.

Beberapa fungsi Relay yang telah umum diaplikasikan kedalam peralatan Elektronika diantaranya adalah :

1.    Relay digunakan untuk menjalankan Fungsi Logika (Logic Function)

2.  Relay digunakan untuk memberikan Fungsi penundaan waktu (Time Delay   Function)

3.   Relay digunakan untuk mengendalikan Sirkuit Tegangan tinggi dengan bantuan dari Signal Tegangan rendah.

4.  Ada juga Relay yang berfungsi untuk melindungi Motor ataupun komponen lainnya dari kelebihan Tegangan ataupun hubung singkat (Short).

 Motor

Motor listrik adalah alat untuk mengubah energi listrik menjadi energi mekanik. Alat yang berfungsi sebaliknya, mengubah energi mekanik menjadi energi listrik disebut generator atau dinamo. Motor listrik dapat ditemukan pada peralatan rumah tangga seperti kipas angin, mesin cuci, pompa air dan penyedot debu

Dioda

    Dioda (Diode) adalah Komponen Elektronika Aktif yang terbuat dari bahan semikonduktor dan mempunyai fungsi untuk menghantarkan arus listrik ke satu arah tetapi menghambat arus listrik dari arah sebaliknya. Oleh karena itu, Dioda sering dipergunakan sebagai penyearah dalam Rangkaian Elektronika. Dioda pada umumnya mempunyai 2 Elektroda (terminal) yaitu Anoda (+) dan Katoda (-) dan memiliki prinsip kerja yang berdasarkan teknologi pertemuan p-n semikonduktor yaitu dapat mengalirkan arus dari sisi tipe-p (Anoda) menuju ke sisi tipe-n (Katoda) tetapi tidak dapat mengalirkan arus ke arah sebaliknya.

Berdasarkan Fungsi Dioda, Dioda dapat dibagi menjadi beberapa Jenis, diantaranya adalah :

• Dioda Penyearah (Dioda Biasa atau Dioda Bridge) yang berfungsi sebagai penyearah arus AC ke arus DC.
• Dioda Zener yang berfungsi sebagai pengaman rangkaian dan juga sebagai penstabil tegangan.
• Dioda LED yang berfungsi sebagai lampu Indikator ataupun lampu penerangan
• Dioda Photo yang berfungsi sebagai sensor cahaya
• Dioda Schottky yang berfungsi sebagai Pengendali

Untuk menentukan arus zenner  berlaku persamaan:

 

Pada grafik terlihat bahwa pada tegangan dibawah ambang batas tegangan mundur (reverse) sebuah dioda akan tembus (menghantar) dan tidak bisa menahan lagi. Batas ini disebut dengan area tegangan breakdown dioda. Kondisi dioda pada area ini adalah tembus atau menghantar dan tidak menghambat. Kemudian pada level tegangan diantara tegangan breakdown dan tegangan forward terdapat area tegangan reverse dan tegangan cut off. Pada area ini kondisi dioda adalah menahan atau tidak mengalirkan arus listrik.

Baterai

Baterai (Battery) adalah sebuah alat yang dapat merubah energi kimia yang disimpannya menjadi energi Listrik yang dapat digunakan oleh suatu perangkat Elektronik. Hampir semua perangkat elektronik yang portabel seperti Handphone, Laptop, Senter, ataupun Remote Control menggunakan Baterai sebagai sumber listriknya. Dengan adanya Baterai, kita tidak perlu menyambungkan kabel listrik untuk dapat mengaktifkan perangkat elektronik kita sehingga dapat dengan mudah dibawa kemana-mana. Dalam kehidupan kita sehari-hari, kita dapat menemui dua jenis Baterai yaitu Baterai yang hanya dapat dipakai sekali saja (Single Use) dan Baterai yang dapat di isi ulang (Rechargeable).

        Baterai dalam sistem PV mengalami berulang kali siklus pengisian dan pengosongan selama umur pakainya. Siklus hidup (cycle life) baterai adalah banyaknya pengisian dan pengosongan hingga kapasitas baterai turun (melemah) dan tersisa 80% dari kapasitas nominalnya. Pabrik baterai biasanya mencantumkan siklus hidup pada spesifikasi teknis baterai. Mencantumkan satu nilai siklus hidup (cycle life) sebenarnya terlalu menyederhanakan informasi, karena siklus hidup baterai juga tergantung pada suhu baterai.

        Dari grafik di atas, terlihat pada suhu operasional baterai yang lebih rendah, siklus hidup baterai lebih lama. Siklus hidup baterai juga tergantung dari DoD, artinya baterai yang dikosongkan hanya 50% dari kapasitasnya, berumur lebih lama jika dikosongkan hingga 80%, namun membuat sistem menjadi lebih mahal, karena membutuhkan kapasitas baterai lebih besar untuk mengakomodasi kebutuhan yang sama.

    Jika pada suhu operasional lebih rendah, umur baterai lebih lama,  namun ada efek negatif berkaitan dengan kapasitas baterai. Pada suhu  yang lebih rendah, kapasitas baterai menjadi lebih rendah. Hal ini disebabkan karena pada suhu yang lebih tinggi, reaksi kimia yang terjadi pada baterai bergerak lebih aktif/cepat, sehingga kapasitas baterai cenderung lebih tinggi.

    Terkadang, pada suhu yang lebih tinggi, kapasitas baterai justru dapat lebih besar dari angka nominalnya, meskipun pada suhu tinggi, elemen baterai terlalu aktif, juga berakibat buruk pada kesehatan baterai.

Transistor

 Transistor adalah sebuah komponen di dalam elektronika yang diciptakan dari bahan-bahan semikonduktor dan memiliki tiga buah kaki. Masing-masing kaki disebut sebagai basis, kolektor, dan emitor.

1. Emitor (E) memiliki fungsi untuk menghasilkan elektron atau muatan negatif.

2. Kolektor (C) berperan sebagai saluran bagi muatan negatif untuk keluar dari dalam transistor.

3. Basis (B) berguna untuk mengatur arah gerak muatan negatif yang keluar dari transistor melalui kolektor.

 

Berfungsi sebagai penguat, sebagai sirkuit pemutus dan penyambung arus (switching), stabilisasi tegangan, dan modulasi sinyal.

Selain itu, transistor biasanya juga dapat digunakan sebagai saklar dalam rangkaian elektronika. Jika ada arus yang cukup besar di kaki basis, transistor akan mencapai titik jenuh. Pada titik jenuh ini transistor mengalirkan arus secara maksimum dari kolektor ke emitor sehingga transistor seolah-olah short pada hubungan kolektor-emitor. Jika arus base sangat kecil maka kolektor dan emitor bagaikan saklar yang terbuka. Pada kondisi ini transistor dalam keadaan cut off sehingga tidak ada arus dari kolektor ke emitor. 

 

Rumus transistor NPN:

 

Grafik Titik Saturasi Pada Daerah Kerja Transistor

Grafik Titik Saturasi Pada Garis Beban Transistor

LED

    LED merupakan keluarga dari Dioda yang terbuat dari Semikonduktor. Cara kerjanya pun hampir sama dengan Dioda yang memiliki dua kutub yaitu kutub Positif (P) dan Kutub Negatif (N). LED hanya akan memancarkan cahaya apabila dialiri tegangan maju (bias forward) dari Anoda menuju ke Katoda.

Ketika LED dialiri tegangan maju atau bias forward yaitu dari Anoda (P) menuju ke Katoda (K), Kelebihan Elektron pada N-Type material akan berpindah ke wilayah yang kelebihan Hole (lubang) yaitu wilayah yang bermuatan positif (P-Type material). Saat Elektron berjumpa dengan Hole akan melepaskan photon dan memancarkan cahaya monokromatik (satu warna).

Tegangan Maju LED

Logictoggle

[Logic State Source (Momentary Action)]

berfungsi sebagai untuk memutuskan alur energi yg menyambung ke IC, atau untuk menghubungkannya. Jadi logic toggle pada dasarnya adalah alat penyambung atau pemutus alur.

 

Spesifikasi dari Toggle adalah :

•              Jumlah pin : 6

•              Konfigurasi : SPST

•              Tipe : Toggle

•              Logika : 0-1

Rangkaian dan Prinsip Kerja

Prinsip Rangkaian Pendeteksi Gelas (IR Sensor) :

Saat Gelas mendekati sensor (logika 1)

Saat Gelas mendekati sensor (logika 1) maka tegangan pada output IR sensor sebesar 5V masuk ke base transistor yang mana akan mengaktifkan VBE transistor (karena lebih besar dari tegangan yang dibutuhkan untuk mengaktifkan VBE transistor sebesar 0.76V). Karena aktifnya transistor maka arus dari supply ke relay kemudian ke kolektor lalu ke emitor selanjutnya ke ground dengan adanya arus di relay maka switch dari relay akan bergerak ke kiri (on).yang menyebabkan terhubungnya arus dari supply ke selenoid valve lalu ke ground. Sehingga solenoid valve hidup.

Saat Gelas tidak mendekati sensor (logika 0)

Saat Gelas tidak mendekati sensor (logika 0) maka tidak ada tegangan pada output IR sensor sehingga transistor tidak aktif, yang mengakibatkan arus dari supply ke relay namun tertahan di kolektor sehingga relay off dan switch dari relay tetap berada di kanan (off). Karena switch yang berada di kanan maka tidak rangkaian yang bekerja.

Prinsip Rangkaian Pendingin air (NTC) :

Saat Suhu > 14 C

Saat suhu pada NTC lebih besar dari 14 derajat celcius, maka tegangan output dari NTC akan akan di hambat lagi dengan R yang diantara NTC dan R ini menghasilkan dropdown tegangan sebesar > 0.15V, lalu tegangan di antara NTC dan R diumpankan kekaki input non inverting amplifier U yang akan menyebabkan tegangan output U 5 kali tegangan input U1, selanjutnya  tegangan output U1 (> 0.76 V) akan menjadi base transitor, yang mana tegangan base transistor mengaktifkan  VBE transistor (harus lebih besar / sama dengan 0,76 V) sehingga transistor hidup, karena transistor hidup maka arus dari supply ke relay ke kolektor ke emitor lalu ke ground, karena adanya arus yang mengalir di relay maka relay ON. Akibat relay ON maka switch akan berpindah ke kiri yang akan menghungkan kutup positif baterai ke peltier dan DC fan lalu ke kutup negatif batrai, sehingga peltier dan DC fan hidup.      

Saat Suhu < 15 C

Saat suhu pada NTC kecil dari 15 derajat celcius,  maka tegangan output dari NTC akan di hambat lagi dengan yang diantara NTC dan ini menghasilkan dropdown tegangan sebesar < 0.14V, lalu tegangan di antara NTC dan  diumpankan kekaki input non inverting amplifier U yang akan menyebabkan tegangan output 5 kali tegangan input U, selanjutnya  tegangan output U (< 0.72 V) akan menjadi base transitor, yang mana tegangan base transistor tidak akan cukup untuk mengaktifkan  VBE transistor (harus lebih besar / sama dengan 0,76 V) sehingga transistor mati, karena transistor mati maka arus dari supply ke relay RL21 tertahan di kolektor sehingga relay off. Akibat relay off maka switch tetap di kanan yang akan menghungkan kutup positif baterai ke resistor ke LED lalu ke kutup negatif batrai, sehingga LED hidup.  

Prinsip Rangkaian Pemanas air (NTC) :

Saat Suhu < 90 C

Saat suhu pada NTC lebih kecil dari 90 derajat celcius, maka tegangan output dari NTC akan akan di hambat lagi dengan R , lalu tegangan di antara NTC dan R diumpankan  kekaki base transitor , yang mana tegangan base transistor mengaktifkan  VBE transistor  (harus lebih besar / sama dengan 0,76 V) sehingga transistor  hidup, karena transistor hidup maka arus dari supply ke relay ke kolektor ke emitor transistor lalu ke ground, karena adanya arus yang mengalir di relay maka relay ON. Akibat relay ON maka switch akan berpindah ke kiri yang akan menghungkan kutup positif baterai ke peltier dan DC fan lalu ke kutup negatif batrai, sehingga peltier dan DC fan hidup.      

Saat Suhu > 89 C

Saat suhu pada NTC besar dari 15 derajat celcius,  maka tegangan output dari NTC akan di hambat lagi dengan R, lalu tegangan di antara NTC dan R diumpankan kekaki base transitor, yang mana tegangan base tidak akan cukup untuk mengaktifkan  VBE transistor (harus lebih besar / sama dengan 0,76 V) sehingga transistor  mati, karena transistor mati maka arus dari supply ke relay tertahan di kolektor sehingga relay off. Akibat relay off maka switch tetap di kanan yang akan menghungkan kutup positif baterai ke resistor ke LED lalu ke kutup negatif batrai, sehingga LED hidup.  

Video Simulasi Rangkaian

Download File :

Materi [Disini]

HTML [Disini]

Video [Disini]

Rangkaian [Disini]

Datasheet [Disini]

Library [Disini]