Aplikasi Perangkat Lunak Electronics Workbenchpada Alat Elektronik Analog (Samuel H. Tirtamihardja)

151

APLIKASI PERANGKAT LUNAKELECTRONICS WORKBENCH

PADA ALAT ELEKTRONIK ANALOG

Samuel H. Tirtamihardja

ABSTRAKUntuk menganalisa dan merancang suatu rangkaian elektronika kita tidak harus membuat

rangkaian tersebut baru kemudian kita coba amati rangkaian tersebut denganmempergunakan multimeter ataupun osiloskop. Sekarang kita dapat mempergunakansoftware elektronika untuk menganalisa dan merancang suatu rangkaian elektronika.Software yang paling umum dipergunakan adalah Electronics Workbench ( EWB ).

1. PENDAHULUANDi zaman komputerisasi ini, seperti di dalam bidang Teknik Elektro, rangkaian listrik

real dapat disimulasikan dengan menggunakan program komputer sehingga pada layarkomputer dapat dilihat respons seperti apa yang dikehendaki pada rangkaian elektronik real-nya. Sampai saat ini, alat-alat elektronik yang dijadikan objek dalam karya tulis ilmiah sebagaisyarat kelulusan dan bahan penilaian untuk mata ajaran Analisa dan Perancangan, dirancang dandianalisa hanya secara teoritis berdasarkan literatur yang ada.

Dalam penelitian ini perangkat lunak Electronics Workbench (EWB) diteliti untukdiaplikasikan sebagai program simulasi bagi alat-alat elektronik yang dirancang. Dalam hal iniditeliti mengenai seberapa akurat respons yang diperoleh dari simulasi EWB dibandingkandengan respons dari beberapa alat elektronik real dan juga seberapa banyak jenis alat elektronikyang dapat disimulasikan atau seberapa banyak jenis komponen atau rangkaian terintegrasi yangterdapat dalam EWB. Aplikasi EWB ini diharapkan dapat menjembatani kesenjangan antarateori dan praktek seperti disebut di atas.

Biasanya pada suatu karya tulis ilmiah mengenai perancangan dan penganalisaan suatualat elektronik hanyalah didasarkan pada studi literatur dan tidak melalui suatu pembuktianpraktis. Pembuktian dengan komponen-komponen dan rangkaian-rangkaian terintegrasi fisikselain membutuhkan biaya pengadaan yang tinggi (untuk jenis dan jumlah besar), juga seringterjadi kerusakan pada komponen-komponen fisik tersebut. Penggunaan EWB dapat mengatasikelemahan-kelemahan perangkat keras di atas dan membangkitkan kepercayaan diri paramahasiswa bahwa alat elektronik yang dirancang dapat bekerja seperti yang dikehendaki.

Penelitian ini dibatasi dengan menguji coba alat elektronik analog, yang dirancang dandianalisa oleh mahasiswa Jurusan Teknik Elektro untuk mata ajaran Analisa dan Perancangan.

Penelitian ini bertujuan untuk menyelidiki keakuratan respons yang diperoleh darisimulasi EWB dibandingkan dengan respons secara fisik dan teoritis dari alat elektronik yangdipilih, yakni suatu alat elektronik analog dan berapa banyak jenis komponen atau rangkaianterintegrasi yang terdapat dalam EWB.

Penelitian ini menganalisis hasil pengujian baik secara fisik maupun simulasi dariTransmitter Vibrasi (analog).

Jurnal Teknologi Industri Vol. IV No. 3 Juli 2000 : 151 - 158

152

Transmitter vibrasi adalah alat yang dapat mengukur level dan komponen frekuensi darivibrasi mesin secara elektronik serta dapat mengirimkan data-data itu ke ruang pemantauansejauh 100 m dari alat tersebut. Transmitter vibrasi ini menggunakan suatu transduser vibrasiyang disebut akselerometer piezoelektrik / AP (piezoelectric accelerometer) dan terdiri daripenguat depan muatan, penguat instrumentasi, penguat tegangan tak membalik dua tingkat,filter lolos bawah, filter lolos pita, dan pengubah tegangan ke arus.

2. REALISASI RANGKAIAN DAN CARA KERJA ALATSistem lengkap dari transmitter vibrasi berturut-turut terdiri dari tingkat penguat depan

muatan, tingkat penguat instrumentasi, tingkat filter lolos bawah 20 kHz orde-4, tingkat filterlolos pita 3-tingkat orde-2, tingkat penguat tegangan tak membalik 2-tingkat, tingkat pengubahtegangan-ke-arus dan tingkat catu daya. Catu daya yang digunakan adalah sumber tegangansearah +15V dan -15V yang dikonversi dari sumber tegangan bolak-balik PLN.

2.1. Diagram Blok dan Cara Kerja AlatSecara keseluruhan diagram blok dari transmitter vibrasi dapat dilihat pada Gambar 1., di

sini catu daya tidak digambarkan.

AkselerometerPiezoelektrik(1 pC/ms-2)

Penguat DepanMuatan

(1 mV/pC)

PenguatInstrumentasi(A vo 6-31 kali)

LPFOrde-4

(0-20 kHz)

BPF Tingkat-3

(100-250 Hz)

BPF Tingkat-2(25-100 Hz)

BPF Tingkat-1(5-25 Hz)

Penguat Tegangan TakMembalik Dua Tingkat

(A vo =100 kali)

PengubahTegangan-ke-Arus

(1 mA/V)

Kabel Telepon100m

Beban

Gambar 1. Diagram blok transmitter vibrasi.

Di sini digunakan teori bahwa setiap mesin bergetar pada saat bekerja, dimana getaranatau vibrasi yang dihasilkan sebanding dengan kecepatan putaran mesin. Vibrasi mesindideteksi dengan menggunakan akselerometer piezoelektrik / AP. Transduser ini mengkonversisinyal percepatan getaran (besaran mekanik) menjadi muatan listrik (besaran listrik), yaitu 1pC/ms-2. Sinyal keluaran dari AP diberikan pada rangkaian penguat depan muatan. Penguatdepan muatan ini didesain agar memberikan impedansi masukan sangat tinggi danmenghasilkan tegangan keluaran yang sebanding dengan muatan masukannya ( 1 mV/pC).

Tegangan keluaran dari penguat depan muatan mempunyai level yang rendah (dalamorde mV). Karena itu tegangan ini diteruskan ke penguat yang cocok untuk memperkuat sinyallevel rendah yaitu penguat instrumentasi. Penguatan tegangan dari penguat instrumentasi dapatdiatur dengan memutar resistor variabel sesuai dengan nilai yang dikehendaki antara 6 - 31 kali.

Aplikasi Perangkat Lunak Electronics Workbenchpada Alat Elektronik Analog (Samuel H. Tirtamihardja)

153

Penguatan ini dimaksudkan untuk memperoleh level tegangan yang cukup tinggi sehingga dapatdirespons dengan baik oleh filter lolos bawah.

Tegangan yang telah dimiliki level yang cukup tinggi itu lalu dimasukkan ke rangkaianfilter lolos bawah / LPF. Sinyal keluaran penguat instrumentasi akan mengalami penyaringanfrekuensi pada saat melewati LPF. Hanya sinyal berfrekuensi di bawah frekuensi pancung darifilter ini yang dilewatkan. LPF didesain untuk meredam derau frekuensi tinggi (lebih dari 20kHz) dan penurunan tegangan pada pita stop sebesar 80 dB/dekade (orde-4).

Sinyal yang dihasilkan LPF diteruskan ke salah satu tingkat filter lolos pita / BPF. BPFterdiri dari tiga tingkat pilihan dimana masing-masing tingkat memiliki frekuensi tengah yangdapat diatur dalam jangkauan tertentu. BPF pertama dapat melewatkan frekuensi tengah 5 Hzsampai 25 Hz, BPF kedua melewatkan frekuensi tengah 25 - 100 Hz dan BPF ketiga melalukanfrekuensi tengah 100 - 250 Hz. Pemilihan BPF dengan frekuensi tengah yang dikehendaki dapatdilakukan dengan mengatur selektor pada BPF yang dimaksud. Sinyal masukan pada salah satuBPF diseleksi frekuensinya, yaitu cuma frekuensi tertentu yang dilewatkan BPF tersebut. Hal inidilakukan dengan mengubah frekuensi tengah dari BPF yakni dengan memutar potensiometeryang terdapat pada rangkaian BPF itu sehingga frekuensi yang dilewatkan memberikan indikasimengenai kecepatan putaran mesin yang dianalisis.

Selanjutnya sinyal dari salah satu BPF dihubungkan ke penguat tegangan tak membalikuntuk mendapatkan penguatan lebih tinggi. Penguat tegangan tak membalik terdiri dari duatingkat dengan penguatan tegangan setiap tingkat sebesar 10 kali (total 100 kali). Tegangankeluaran yang diperoleh cukup besar sehingga dapat dikonversi menjadi arus yang memadaiuntuk dikirimkan.

Bagian selanjutnya dari diagram blok adalah pengubah tegangan-ke-arus. Di sini sinyalmasukan berupa tegangan diubah menjadi arus yang sebanding dengan tegangan tersebut (1mA/V). Pengiriman arus dimaksudkan agar redaman yang dialami lebih kecil daripada yangdialami tegangan melalui jarak yang jauh.

Arus listrik dari pengubah tegangan-ke-arus dikirimkan melalui kabel ke tempat yangberjarak 100 meter dari pengubah tegangan-ke-arus. Di tujuan, arus itu dideteksi denganmenggunakan sebuah resistor sehingga dihasilkan tegangan pada kedua ujung resistor itu.Tegangan jatuh pada resistor ini diukur dengan osiloskop, dimana tegangan ini menunjukkanlevel getaran yang dihasilkan mesin.

Misalkan terdapat mesin yang akan dianalisis dengan kecepatan putaran 3600 rpm, makaselektor diatur pada posisi BPF yang meloloskan frekuensi tengah 25 - 100 Hz danpotensiometer pada BPF terpilih digeser sampai diperoleh tegangan keluaran alat yang memilikilevel yang terbesar, yaitu pada frekuensi 60 Hz. Kemudian level getaran mesin tersebut diamati,jika hasil yang diperoleh sama dengan hasil pengukuran pada saat kondisi baru dan baik, berartikondisi mesin itu masih baik. Jika hasil pengukuran yang diperoleh menyimpang jauh,mesintersebut harus diperbaiki.

2.2. Akselerometer PiezoelektrikTransduser akselerometer piezoelektrik yang merupakan transduser yang dibuat oleh

pabrik dan digunakan sebagai alat bantu untuk mendapatkan sinyal listrik yaitu muatan listrikdari percepatan getaran. Dari spesifikasi yang dikeluarkan pabrik pembuatnya, akselerometer inimemiliki sensitivitas 1 pC/ms-2.

2.3. Penguat Depan MuatanPenguat depan jenis muatan dipakai sebagai gerbang pertama masuknya sinyal listrik.

Penguat depan ini didesain agar dapat meresponsi keluaran dari transduser berupa muatan listrikdan agar panjang kabel dari akselerometer ke penguat ini tidak mempengaruhi tegangankeluaran penguat depan.

Jurnal Teknologi Industri Vol. IV No. 3 Juli 2000 : 151 - 158

154

+

_

C1

R1

vo

vi

+15V

-15V

IC1aLF 444

12

3

4

11

=10M

=1 nF

Ω

Gambar 2. Penguat depan muatan yang dipakai.

2.4. Penguat InstrumentasiPenguat instrumentasi yang digunakan sebagai penguat tegangan sinyal dari rangkaian

penguat depan muatan karena penguat instrumentasi memiliki karakteristik yang baik, yakniimpedansi masukan tinggi, impedansi keluaran rendah, CMRR cukup tinggi dan penguatannyadapat diatur dengan sebuah potensiometer P1, sehingga penguat ini cocok untuk memperkuattegangan dengan level rendah sekali seperti yang diperlukan oleh sinyal dari penguat depanmuatan.

+

-

+

-

+

-

-15V

1110

9

12

1314

IC1b

IC1c

IC1d

5

67

R6R 5

10 k Ω10 k Ω

10 k Ω10 k ΩR 8

R7

R 3

R4

R2

P 1

15 k Ω

15 k Ω1 kΩ

5 kΩ vo

v in8

IC1 = LF444

Gambar 3. Penguat instrumentasi dari alat.

Penguat instrumentasi yang digunakan ditunjukkan oleh Gambar 3. dimana IC op-amp

yang dipakai adalah 43 tingkat LF 444.

Aplikasi Perangkat Lunak Electronics Workbenchpada Alat Elektronik Analog (Samuel H. Tirtamihardja)

155

2.5. Filter Lolos BawahPenguatan tegangan filter lolos bawah / LPF adalah konstan sebesar Avo dari 0 Hz

sampai frekuensi pancung dimana penguatan berkurang sebesar 3 dB dari Avo. Di atas frekuensipancung, fc, penguatan berkurang sebesar 80 dB/dekade untuk filter orde-4 yang dipakai.Rangkaian LPF orde-4 ditunjukkan oleh Gambar 4., dimana terlihat IC op-amp yang digunakanadalah LF 353.

+

-+

-

+15V

-15V

IC2a IC2b1

2

3

4 6

578

R 9 R10

R11

R12

C 2

C3

2,4 k Ω 2,4 k Ω

3,3 nF

3,3 nF

5,49k Ω

36,5k Ω

2,4 k Ω 2,4 k Ω

R13 R14

C 4

C 5

3,3 nF

3,3 nF

R17

R16

R15

6,8 k Ω

6,9 k Ωvo

v in

Gambar 4. Filter lolos bawah orde empat.

2.6. Filter Lolos PitaFilter lolos pita / BPF dibuat dengan maksud untuk hanya melewatkan sinyal dengan

frekuensi tertentu dan meredam frekuensi-frekuensi lain. Gambar 5. menunjukkan rangkaianBPF yang didesain terdiri dari tiga tingkat pilihan berorde dua. BPF pertama melewatkanfrekuensi tengah 5 – 25 Hz, filter kedua 25 –100 Hz, dan filter ketiga 25 – 100 Hz. Pada alatdigunakan selektor untuk memilih BPF mana yang akan digunakan.

Kemudian dijelaskan mengenai penguat tegangan tak membalik yang terdiri dari duatingkat dengan tujuan agar didapat penguatan yang lebih stabil daripada penguatan oleh penguattegangan satu tingkat untuk harga Avo yang sama. Setiap tingkat dari penguat tegangan takmembalik memiliki penguatan tegangan Avo sebesar 10 kali. Rangkaian penguat tegangan takmembalik dua tingkat dapat dilihat pada Gambar 6.

Jurnal Teknologi Industri Vol. IV No. 3 Juli 2000 : 151 - 158

156

+

-R18 C6

R19

P2a

R20

+

-R21 C8

C9

R22

P2b

R23

+

-R24 C10

C11

R25

P3

R26 R27

Tingkat-1fc: 5-25 Hz

Tingkat-2fc: 25-100 Hz

Tingkat-3fc: 100-250 Hz

+15V

-15V

IC3aLF353

12

6

5

43

7

8

-15V

IC4a

4

13

2

C7

3,3 Fµ

3,3 Fµ

10 kΩ

196 Ω

19,1kΩ

1 Fµ

1 Fµ

9,53kΩ

12,4kΩ

IC3bLF353

10 kΩ

200 Ω6,34kΩ

220 nF

220 nF174 Ω

24,3kΩ

18,2kΩ 30,1kΩ

IC4aLF353

1 k Ω

vo

vin

vin

vin

Gambar 5. Filter lolos pita tiga tingkat.

6+

-

+15V5

78

1 k Ω9 k Ω

IC4bLF353

R29

R28

2+

-

-15V3

14

1 k Ω9 k Ω

IC5aLM358

R30

R31

vo

v in

Gambar 6. Penguat tegangan tak membalik dua tingkat.

Selanjutnya tegangan dari diagram blok penguat tegangan akan diubah ke dalam bentukarus dan dapat dilihat pada Gambar 7.

Aplikasi Perangkat Lunak Electronics Workbenchpada Alat Elektronik Analog (Samuel H. Tirtamihardja)

157

6+

-

+15V5

78

1 k Ω

IC5bLM358

KabelTelepon100 m 1 k Ω

R32

R33

v iniB

v B

+

_

Gambar 7. Pengubah tegangan-ke-arus dengan arus yang dikirim.

3. HASIL SIMULASI DAN PEMBAHASANPengujian rangkaian ini dilakukan secara simulasi terhadap beberapa titik uji yaitu

keluaran penguat muatan (T1), keluaran penguat instrumentasi (T2), keluaran filter lolos bawah /LPF orde-4 (T3), keluaran setiap filter lolos pita / BPF orde-2 (1', 2', 3'), keluaran penguattegangan tak membalik dua tingkat (T6) dan keluaran pengubah tegangan-ke-arus (T7 / teganganbeban pada R33).

Pengujian rangkaian transmitter vibrasi keseluruhan dilakukan tiga kali yaitu denganmemberikan arus sebesar 1 mA dengan frekuensi diubah-ubah sebesar 15, 50, dan 150 Hz.Karena komponen transduser tidak terdapat dalam model komponen dari EWB, makadigunakan sumber arus bolak-balik untuk menggantikannya.

Prosedur pengujian yang digunakan adalah sebagai berikut. Sumber arus AC diatursehingga keluarannya adalah arus 1 mA 15 Hz. Arus ini diberikan pada masukan transmittervibrasi (T0 ), sedangkan keluarannya (T7) diberikan pada osiloskop. Sinyal keluaran yangtampak pada osiloskop diamati dan direkam. Kemudian simulasi diulangi untuk frekuensi arus50 Hz dan 150 Hz.

Hasil simulasi pengujian transmitter vibrasi dapat dilihat pada gambar 8 di bawah ini.Gambar tersebut mengilustrasikan sinyal keluaran yang diperoleh dengan menggunakan arusberfrekuensi 50 Hz.

Gambar 8. Hasil pengujian transmitter vibrasi.

Jurnal Teknologi Industri Vol. IV No. 3 Juli 2000 : 151 - 158

158

Tampak dari gambar di atas bahwa sinyal keluaran transmitter vibrasi berupa sinyalsinus yang terpancung dan berayun. Hal ini menunjukkan bahwa transmitter vibrasi yangdirancang kurang sempurna. Kelemahan dari transmitter vibrasi yang dibuat terutama adalahrangkaian penguat depan muatan kurang meresponsi sinyal masukan yang sangat kecil danslope tanggapan frekuensi yang dihasilkan masing–masing tingkat BPF tidak mencukupi untukmenyaring sinyal dengan baik.

4. KESIMPULANDari hasil percobaan terhadap penelitian yang disimulasikan dengan menggunakan

Electronics Workbench v.5.12 Educational Edition (EWB), maka dapat diambil beberapakesimpulan, sebagai berikut:1. Electronics Workbench v.5.12, Educational Edition mempunyai kumpulan model

komponen, baik analog maupun digital, yang terbatas sehingga jumlah peralatan elektronikyang dapat diuji terbatas pula sesuai dengan ketersediaan model-model komponen padaEWB. Untuk kumpulan model komponen yang lebih banyak, disarankan untukmenggunakan Electronics Workbench, Professional Edition.

2. Dalam perangkat lunak EWB terdapat suatu instrumen tes istimewa yang tidak ada di dalamdunia real / fisik, yakni Bode Plotter, yang berfungsi untuk memberikan tanggapanfrekuensi lengkap dari suatu rangkaian jika masukan suatu rangkaian diberi sinyal sinusdengan amplitudo dan frekuensi tertentu.

3. Pengujian secara simulasi terhadap Transmitter Vibrasi dengan EWB memberikanperbedaan hanya sampai dengan 2,5 % dibandingkan pengujian secara fisik untuk blok-blokpenguat depan muatan, penguat instrumentasi, penguat tegangan tak membalik dua tingkat,pengubah tegangan-ke-arus, filter lolos bawah orde-4, dan frekuensi tengah dari filter lolospita 3-tingkat. Sedangkan untuk pengujian penguat tegangan dan lebar pita frekuensi darifilter lolos pita menghasilkan perbedaan yang cukup signifikan.

4. Sinyal keluaran Transmitter Vibrasi yang diperoleh dengan EWB berupa sinyal sinus yangterpancung dan berayun, yang menunjukkan bahwa Transmitter Vibrasi yang dirancangkurang sempurna. Kelemahan dari transmitter vibrasi yang dibuat terutama adalahrangkaian penguat depan muatan kurang meresponsi sinyal masukan yang sangat kecil danslope tanggapan frekuensi yang dihasilkan masing–masing tingkat BPF tidak mencukupiuntuk menyaring sinyal dengan baik.

5. DAFTAR PUSTAKABoylestad, Robert dan Louis Nashelsky, Electronic Devices and Circuit Theory, Edisi ke-6,

Prentice Hall International Inc., Englewood Cliffs, New Jersey, 1996.Hugeng, Alat Ukur Vibrasi Jarak Jauh, Tugas Akhir, Universitas Trisakti, Jakarta, 1995.Interactive Image Technologies Ltd., Electronics Workbench: Technical Reference, Toronto,

Ontario, 1996.Interactive Image Technologies Ltd., Electronics Workbench: User's Guide, Toronto, Ontario,

1996.Jacob, J. Michael, Applications and Design with Analog Integrated Circuit, Edisi ke-2, Prentice

Hall International Inc., Englewood Cliffs, New Jersey, 1993.Jones, Larry dan A. Foster Chin, Electronic Instrumentation and Measurement, John Wiley &

Sons Inc., New York, 1983.Malvino, Albert Paul, Electronic Principles, Edisi ke-5, McGraw-Hill Co., Singapore, 1993.Serridge, Mark, dan Torben R. Licht, Piezoelectric Accelerometer and Vibration Preamplifier

Handbook , Brüel & Kjær, Denmark, 1986.Yacono, John dan Marc Spiwak, Electronics Experimenter’s Handbook , Winter 1994.