Pada tulisan ini disampaikan percobaan pembuatan integrator berbasis operational amplifier.
Daftar Isi
Parameter Sistem
- tipe op amp: LM358
- Tegangan power supply: tunggal, 3,2 volt dari sebuah modul ESP32 Lolin32 Lite
- Pengukuran dengan osiloskop GW Instek 1152A-U
- Sinyal dari pembangkit sinyal GW Instek AFG-2012
Berikut ini adalah rangkaian yang digunakan:
Power supply tunggal dengan tegangan adalah 3,2 volt, berasal dari sebuah modul ESP32 Lolin32 Lite. Sebagai referensi ground, digunakan pembagi tegangan resistor 2k2 dan 1k, menghasilkan tegangan 1,02 volt.
Operational amplifier menggunakan LM358. Pertimbangannya adalah op amp ini dapat bekerja dengan single supply, dengan tegangan supply dapat mencapai 3 volt. op-amp juga dapat menerima tegangan input yang sudah mendekati 0 volt. op-amp ini bukan jenis rail-to-rail, sehingga tetap akan terjadi clipping di output jika output mendekati tegangan supply.
Op-amp lain yang sering dipakai untuk aplikasi single supply tegangan rendah adalah LM324. LM324 memiliki kemampuan output sampai VCC – 1,5 volt. Jadi kalau diberi VCC 5 volt, output op-amp dapat mulai dari 0 volt sampai 3,5 volt.
Nilai resistor 100k dan kapasitor 10uF. Dari hasil pengukuran, nilai tepat dari resistor adalah 101,5 k dan kapasitor 9,1 uF. Tujuan pemilihan nilai ini adalah untuk mendapatkan parameter time-constant sekitar 1 detik.
Percobaan
Rangkaian dibuat dengan breadboard. Input dengan sinyal persegi dari generator sinyal GW Instek AFG-2012. Output diukur dengan osiloskop GW Instek GDS-1152A-U. Tegangan , nilai resistor dan nilai kapasitor diukur dengan osiloskop dan juga multimeter Kyoritsu KEW 1021R.
Kapasitor pada integrator menggunakan kapasitor non-polar, supaya tegangan pada kapasitor tersebut dapat bernilai positif dan negatif. Jika dipakai kapasitor polar seperti elektrolit, maka kapasitor hanya berfungsi pada 1 polaritas saja.
Berikut ini pengukuran sinyal input yang berasal dari sinyal generator.
Sinyal diukur di channel 1 (sinyal kotak di bawah warna kuning). Frekuensi 0,1 Hz. Amplitudo 2 Vpp. Tegangan terukur adalah 40 mV di bagian low, dan 2,160 di bagian HIGH.
Berikut ini sinyal output dari output integrator.
Sinyal diukur di channel 2 (sinyal atas warna biru).
Tegangan output integrator naik jika input LOW. Tegangan akan naik dengan kemiringan sesuai time constant, sampai mencapai saturasi. Tegangan maksimum output op amp adalah 1,84 volt, jadi ini adalah tegangan saturasi output op amp.
Jika input HIGH, output integrator akan turun dengan kemiringan sesuai time constant. Tegangan terendah pada output integrator adalah 40 mV.
Ketika input berubah dari HIGH ke LOW, output sejenak berubah menjadi negatif (diukur mencapai -0.6 volt). Tegangan negatif ini berasal dari tegangan yang tersimpan di kapasitor.
Rangkaian Clamp Dioda
Output integrator dapat negatif. Jika terlalu negatif dapat mengganggu/merusak komponen selanjutnya. Berikut ini hasil percobaan menambah diode clamp pada output integrator. Clamp pertama adalah rangkaian diode clamp konvensional.
Tanpa clamp, tegangan minimum adalah -680 mV
Dengan rangkaian clamp dioda 1N4148, tegangan minimum adalah 400 mV
Berikut ini rangkaian clamp dengan perubahan sedikit. Pada rangkaian clamp biasa, anoda disambungkan ke 0 volt. Pada rangkaian ini, anoda disambungkan ke tegangan 0,7 volt supaya tegangan output tidak dapat negatif.
Berikut ini hasil percobaan output integrator dengan diode clamp hasil modifikasi.
Dengan dioda clamp 1N4148 dan resistor 1k, maka tegangan minimum integrator adalah 120 mV
Dengan dioda clamp 1N4148 dan resistor 10k, maka tegangan minimum integrator adalah 0 mV
Dari percobaan didapat rangkaian clamp terbaik adalah dengan dioda 1N4148 dan resistor 10k.
Analisis
- Tegangan supply 3,2 volt dari ESP32 dapat menjadi power supply untuk LM358.
- Tegangan saturasi atas op-amp adalah 1,84 volt
Referensi
- Datasheet LM358 https://www.ti.com/product/LM358
- Datasheet 1N4148 https://www.vishay.com/docs/81857/1n4148.pdf
- Teori op-amp sebagai integrator https://www.electronics-tutorials.ws/opamp/opamp_6.html