Penguat operasional dan komparator di papan kendali: penguat pembalik dan tak pembalik, pengikut tegangan, penguat diferensial, komparator dan histeresis, pengondisian sinyal sensor, dan diagnosis

Tangki air panas 500 liter di sebuah laundry dikendalikan papan termostat elektronik dengan sensor termistor dan relai pemanas. Beberapa minggu terakhir, relai itu berdetak cepat, beberapa kali per detik, setiap kali suhu air mendekati 60 °C. Kontak relai sudah dua kali hangus dan diganti, dan gejalanya tetap. Di luar rentang itu, misalnya saat air masih dingin pagi hari, papan bekerja normal.

Papan itu memakai komparator: tegangan dari pembagi termistor dibandingkan dengan tegangan acuan, dan keluarannya menggerakkan transistor relai. Sebuah resistor bernilai besar dari keluaran ke masukan komparator memberi histeresis, yaitu jarak antara titik mati dan titik nyala. Sambungan solder di salah satu kaki resistor itu retak. Tanpa histeresis, derau beberapa milivolt pada kabel sensor cukup untuk membalik keluaran setiap kali tegangan sensor berada di sekitar acuan. Bab ini menjelaskan penguat operasional dan komparator dari sisi teknisi papan, termasuk perhitungan yang menunjukkan berapa milivolt yang memisahkan relai yang tenang dari relai yang berdetak.

Batas pembahasan

Bab ini membahas penguat operasional dan komparator di papan kendali peralatan: rangkaian dasar, histeresis, batas nyata, pengondisian sinyal sensor, dan diagnosis dari tegangan kaki. Termistor dan perhitungan resistansinya ada di Bab 26 · Fisika; masukan analog dan pengubah analog ke digital di Bab 2 · Komputasional; sensor proses dan loop 4 sampai 20 mA di Bab 60; resistor dan kapasitor di Bab 83; dioda pelindung dan zener acuan di Bab 84; transistor penggerak dan resistor penarik di Bab 85; rel catu daya di Bab 86; osiloskop di Bab 87; solder dan sambungan retak di Bab 88; diferensial termostat dan kendali ON dan OFF di tingkat proses di Bab 58 tentang kendali pompa dan pemanas dengan sakelar proses dan Bab 62 tentang elemen kendali akhir dan loop kendali; kalibrasi instrumen di Bab 61; dan multimeter di Bab 15.

Penguat operasional

Penguat operasional (operational amplifier), sering disebut op-amp, adalah penguat dengan dua masukan, yaitu masukan tak pembalik (+) dan masukan pembalik (−), satu keluaran, dan dua kaki catu. Op-amp adalah sumber tegangan yang dikendalikan tegangan, dan sambungan catu dayanya biasanya dianggap ada dan tidak digambar pada skema op-amp dan perangkat logika. Di papan, kaki catu tetap harus diperiksa lebih dulu.

Keluaran op-amp tanpa umpan balik adalah selisih kedua masukan dikalikan penguatan yang sangat besar. Misalnya, bila keluaran berubah −2 V untuk perubahan masukan 1 mV, penguatannya −2.000. Penguatan sebesar itu tidak dipakai langsung untuk memperkuat sinyal, karena selisih masukan sekecil apa pun sudah membuat keluaran menempel ke rel catu. Penguatan itu dikendalikan dengan umpan balik.

Dua aturan dengan umpan balik negatif

Umpan balik adalah cara memakai penguatan untuk mencapai tujuan yang diinginkan, dan umpan balik negatif memerlukan pengurangan sinyal di masukan. Umpan balik negatif (negative feedback) adalah pengembalian sebagian keluaran ke masukan pembalik, sehingga sinyal di masukan dikurangi. Dengan umpan balik itu, berlaku dua aturan kerja:

1. Kedua masukan hampir sama tegangannya. Untuk op-amp ideal, beda potensial di antara kedua masukan praktis nol.
2. Hampir tidak ada arus masuk ke kedua masukan. Idealnya impedansi masukan op-amp tak terhingga, dan pada banyak kasus jalan termudah adalah memakai op-amp dengan arus masukan yang dapat diabaikan.

Kedua aturan itu berlaku hanya selama keluaran belum menyentuh rel catu. Untuk diagnosis, aturan pertama yang paling berguna: pada penguat berumpan balik negatif yang sehat, tegangan kaki + dan kaki − hampir sama.

Penguat tak pembalik, pengikut tegangan, dan penguat pembalik

Penguat tak pembalik dan pengikut tegangan

Sinyal masuk ke kaki +, dan keluaran dikembalikan ke kaki − lewat pembagi $R_f$ dan $R_g$ ke 0 V:

dengan $G$ penguatan tegangan (tanpa satuan), $R_f$ resistor umpan balik, dan $R_g$ resistor ke 0 V, keduanya dalam ohm. Aturan yang sama berlaku untuk penguat tak pembalik; misalnya, dengan penguatan 10, keluaran seharusnya 4,4 V. Penguat ini tidak membalik tanda dan impedansi masukannya sangat tinggi, sehingga cocok untuk sinyal sensor yang lemah.

Pengikut tegangan (voltage follower) adalah penguat tak pembalik dengan penguatan satu, yaitu dengan $R_g$ tak terhingga dan $R_f$ nol. Gunanya menyangga titik berimpedansi tinggi, misalnya pembagi termistor, supaya tidak terbebani masukan pengubah analog ke digital.

Penguat pembalik

Sinyal masuk ke kaki − lewat $R_{in}$, kaki + di acuan, dan $R_f$ menghubungkan keluaran ke kaki −:

Penguatan tegangan mudah ditentukan dari perbandingan $R_f$ terhadap $R_{in}$, dan rangkaian penguat pembalik berbeda dari tak pembalik dan harus dianalisis tersendiri. Tanda minus berarti keluaran bergerak ke arah berlawanan. Pada papan bercatu tunggal 0 sampai 5 V, keluaran tidak dapat menjadi negatif; untuk masukan negatif op-amp masuk ke saturasi negatif dan keluarannya berada di tanah. Karena itu, penguat pembalik di papan bercatu tunggal biasanya memakai acuan di tengah rentang, misalnya 2,5 V, di kaki +.

Penguat diferensial dan penguat instrumen

Penguat diferensial (differential amplifier) adalah penguat yang memperkuat selisih dua masukan dan menolak tegangan yang sama pada keduanya. Tegangan yang sama pada kedua masukan itu disebut tegangan mode bersama (common-mode voltage), dan pada rangkaian itu penguatan mode bersama praktis nol. Penerapan di papan kendali:

1. Resistor shunt arus: tegangan kecil di resistor bernilai rendah yang dialiri arus motor atau pemanas diperkuat menjadi sinyal untuk mikrokontroler, seperti di Contoh 3.
2. Sensor jembatan, misalnya sensor tekanan dan sel beban, yang memberi selisih beberapa milivolt di atas tegangan bersama yang besar.

Untuk sinyal yang sangat kecil dipakai penguat instrumen (instrumentation amplifier), yang impedansi masukannya tinggi di kedua sisi. Penguat instrumen dua op-amp adalah salah satu yang paling populer. Resistor penguat diferensial harus berpasangan dan teliti; selisih satu persen di antara resistor sudah merusak penolakan mode bersama.

Komparator dan histeresis

Komparator

Komparator (comparator) adalah rangkaian yang membandingkan dua tegangan dan memberi keluaran tinggi atau rendah. Loop terbuka sangat cocok untuk komparator karena penguatannya yang tinggi, dan masukan negatif komparator dapat diatur dengan pembagi tegangan. Bila tegangan di kaki + lebih tinggi daripada di kaki −, keluaran tinggi; bila lebih rendah, keluaran rendah.

Di papan kendali, komparator dipakai untuk termostat sederhana, pendeteksi tegangan turun, pendeteksi level dari elektrode, dan pembatas arus. Pada regulator, pembanding mengurangkan tegangan keluaran yang dicuplik dari tegangan acuan, dan op-amp dapat memberi penguatan untuk regulator tegangan berumpan balik. Komparator khusus sering berkeluaran kolektor terbuka, sehingga memerlukan resistor penarik ke atas seperti di Bab 85 tentang transistor dan sakelar elektronik.

Histeresis

Tegangan sensor yang naik pelan melewati acuan tidak pernah mulus: ada derau dari kabel, riak catu, dan gangguan dari relai itu sendiri. Tanpa histeresis, keluaran membalik setiap kali derau melintasi acuan. Histeresis (hysteresis) adalah celah antara tegangan nyala dan tegangan mati sebuah keluaran, misalnya celah di antara 5 V dan 3 V pada rangkaian yang menyala pada 5 V dan mati pada 3 V. Umpan balik positif pada op-amp dapat menerapkan histeresis, umpan balik positif pada rangkaian itu disengaja, dan prosedur rancangannya mudah untuk pemicu Schmitt dengan histeresis kecil.

Untuk komparator tak pembalik dengan resistor masukan $R_1$ dan resistor umpan balik positif $R_f$ dari keluaran ke kaki +, lebar histeresisnya kira-kira:

dengan $\Delta V$ lebar histeresis (V) dan $V_{\text{ayun}}$ selisih tegangan keluaran tinggi dan rendah (V). Histeresis di papan adalah versi rangkaian dari diferensial termostat di tingkat proses, seperti di Bab 58 tentang sakelar proses dan Bab 62 tentang kendali ON dan OFF. Bila resistor umpan balik itu putus, seperti di kasus pembuka, histeresisnya hilang tanpa ada komponen lain yang tampak rusak.

Batas nyata op-amp

Op-amp nyata punya batas yang sering menjelaskan gejala di lapangan:

1. Rel catu: keluaran tidak dapat melampaui tegangan catu, dan banyak op-amp tidak dapat mendekati rel lebih dari satu atau dua volt. Untuk op-amp keluaran rel ke rel, ayunan maksimum terhadap rel bergantung pada arus beban, dan sebagian op-amp memang dirancang agar masukan dan keluarannya dapat mencapai rel negatif.
2. Arus keluaran terbatas: karena arus keluaran op-amp sangat terbatas, sering diperlukan rangkaian untuk memperbesarnya, misalnya transistor penggerak relai seperti di Bab 85 tentang transistor dan sakelar elektronik. Keluaran op-amp biasanya hanya dapat memberikan sekitar 20 mA.
3. Galat ofset dan penguatan: galat penguatan dan ofset adalah sumber ketidaktelitian utama, sehingga sinyal sensor dikalibrasi seperti di Bab 61 tentang kalibrasi instrumen.
4. Lebar pita: penguatan diperoleh dengan mengorbankan lebar pita.
5. Masukan di luar rentang: tegangan masukan di atas rel catu dapat merusak op-amp, sehingga masukan dari luar papan dilindungi resistor seri dan dioda penjepit seperti di Bab 84 tentang dioda pelindung.

Pengondisian sinyal sensor di papan

Pengondisian sinyal (signal conditioning) adalah pengubahan sinyal sensor menjadi tegangan yang dapat dibaca masukan pengubah analog ke digital atau komparator. Jalur sinyal sensor yang lazim di papan kendali:

1. Termistor: pembagi tegangan dengan resistor tetap, seperti di Bab 26 · Fisika tentang termistor dan Bab 2 · Komputasional tentang masukan analog, lalu penyaring RC, pengikut tegangan bila impedansinya tinggi, dan masukan pengubah analog ke digital atau komparator. Pada penyaring RC penguatannya selalu kurang dari satu.
2. 4 sampai 20 mA: resistor ukur mengubah arus menjadi tegangan, misalnya 165 Ω menjadi 0,66 sampai 3,3 V, seperti di Bab 60 tentang sensor proses dan loop 4 sampai 20 mA.
3. Sensor jembatan: penguat instrumen dan penyaring.
4. Resistor shunt: penguat diferensial, seperti di Contoh 3.

Sensor yang putus atau hubung singkat membuat tegangan masuk menempel ke salah satu rel; papan yang baik membacanya sebagai galat, seperti di Bab 2 · Komputasional tentang papan kendali dan mikrokontroler.

Mengukur dan mendiagnosis

Pengujian penguat operasional di papan dilakukan dengan multimeter pada papan bertegangan rendah yang menyala, dengan acuan di 0 V papan, seperti di Bab 15 tentang multimeter digital. Urutannya:

1. Catu: tegangan di kedua kaki catu op-amp sesuai, seperti di Bab 86 tentang catu daya papan kendali.
2. Penguat linear: kaki + dan kaki − hampir sama. Bila keduanya berbeda jauh dan keluaran menempel ke rel, umpan baliknya putus, beban keluaran terlalu berat, masukannya di luar rentang, atau op-amp rusak.
3. Hitung keluaran yang seharusnya dari tegangan masukan dan resistor, lalu bandingkan dengan bacaan.
4. Komparator: keluaran mengikuti tanda selisih kaki + dan kaki −. Keluaran yang tidak mengikuti tanda itu berarti komparator rusak, resistor penarik putus, atau keluaran dibebani dari luar.
5. Derau dan histeresis: bila keluaran berganti cepat di sekitar ambang, sinyal dan keluaran dilihat dengan osiloskop, seperti di Bab 87 tentang osiloskop, dan resistor umpan balik positif serta sambungan solder di sekitarnya diperiksa, seperti di Bab 88 tentang solder dan perbaikan papan.

Contoh kerja

Angka dalam contoh di bawah adalah angka latihan, kecuali disebut asalnya.

Contoh 1: pembagi termistor. Termistor NTC 10 kΩ pada 25 °C di sisi atas dan resistor 10 kΩ di sisi bawah dari catu 5 V memberi $5 \times 10/(10 + 10) = 2{,}50$ V pada 25 °C. Dengan resistansi 2,98 kΩ pada 55 °C dan 2,49 kΩ pada 60 °C, dari perhitungan B seperti di Bab 26 · Fisika tentang termistor, tegangannya $5 \times 10/12{,}98 = 3{,}85$ V dan $5 \times 10/12{,}49 = 4{,}00$ V, sehingga kemiringannya di sekitar 60 °C kira-kira $0{,}15/5 = 0{,}030$ V per kelvin.

Contoh 2: saturasi di rel. Op-amp bercatu 5 V yang keluarannya hanya mampu sampai 3,5 V diberi masukan 0,5 V dengan penguatan 10. Keluaran seharusnya 5 V, tetapi tertahan di 3,5 V, sehingga mikrokontroler membaca nilai yang salah tanpa tanda galat.

Contoh 3: resistor shunt. Shunt 0,1 Ω di sisi bawah pemanas yang mengalirkan 2 A menimbulkan $0{,}1 \times 2 = 0{,}2$ V. Penguat diferensial dengan penguatan 10 memberi 2,0 V. Daya di shunt $2^2 \times 0{,}1 = 0{,}4$ W, sehingga dipilih shunt 1 W atau lebih.

Contoh 4: tegangan acuan komparator. Pembagi 10 kΩ ke 5 V dan 40 kΩ ke 0 V memberi acuan $5 \times 40/50 = 4{,}0$ V, yaitu titik 60 °C menurut Contoh 1.

Contoh 5: lebar histeresis. Dengan $R_1 = 10$ kΩ, $R_f = 820$ kΩ, dan ayunan keluaran 5 V: $\Delta V \approx 5 \times 10/820 = 0{,}061$ V, atau sekitar $0{,}061/0{,}030 = 2$ K. Bila $R_f$ putus, $\Delta V$ menjadi nol, dan derau 20 mV puncak ke puncak, yang setara kurang dari 1 K, sudah cukup membalik keluaran berulang kali di sekitar 60 °C, seperti di kasus pembuka.

Contoh 6: membaca tegangan kaki. Sensor 0 sampai 0,5 V harus menjadi 0 sampai 3,3 V: $G = 3{,}3/0{,}5 = 6{,}6$, sehingga $R_f/R_g = 5{,}6$, misalnya $R_g = 10$ kΩ dan $R_f = 56$ kΩ. Pada penguat tak pembalik itu, kaki + 0,30 V, kaki − 0,30 V, dan keluaran 1,98 V: $0{,}30 \times 6{,}6 = 1{,}98$ V, sehingga penguat sehat. Pada papan lain, kaki + 0,30 V, kaki − 0,05 V, dan keluaran menempel di 3,5 V: aturan kaki yang sama tidak terpenuhi, sehingga umpan baliknya putus atau keluaran terbebani berlebih.

Kondisi berhenti

Hentikan pekerjaan dan serahkan kepada orang berwenang atau ganti papan bila:

1. Papan termostat atau pembatas yang diperiksa adalah fungsi keselamatan, misalnya pembatas suhu lebih atau pendeteksi level rendah pemanas; papan diganti dengan suku cadang asli.
2. Pengukuran harus dilakukan di bagian papan yang tersambung ke jala-jala atau sisi primer catu daya, seperti di Bab 86 tentang catu daya papan kendali dan bahaya sisi primer.
3. Resistor acuan, histeresis, atau penguatan diusulkan diganti dengan nilai lain untuk "menyetel" suhu atau level tanpa dokumen pabrik.
4. Sensor yang diganti tidak sama jenis dan karakteristiknya, misalnya termistor dengan nilai B berbeda.
5. Kontak relai sudah hangus dan penyebab detaknya belum ditemukan.

Salah tafsir yang sering terjadi

Hubungan dengan bab lain

Bab 26 · Fisika menjelaskan termistor, Bab 2 · Komputasional masukan analog, dan Bab 60 sensor dan 4 sampai 20 mA. Bab 83 membahas komponen pasif, Bab 84 dioda pelindung, Bab 85 transistor penggerak, Bab 86 catu daya, Bab 87 osiloskop, dan Bab 88 solder. Bab 58 dan Bab 62 membahas diferensial termostat dan kendali ON dan OFF, Bab 61 kalibrasi, dan Bab 15 multimeter.

Latihan dan pembahasan