Instrumentation Amplifier Single Chip INA Di pasaran sudah

Instrumentation Amplifier

Single Chip INA • Di pasaran sudah tersedia INA single chip yang siap pakai • Tidak harus membuat dari 3 op amp • Penguatan lebih presisi karena semua komponen (kecuali Resistor Gain) dikemas dalam single-chip dan terjaga presisinya • Harga Lebih mahal (>Rp 60 ribu)

Single Chip INA Vout Vref • Pada INA single chip, umumnya gain differential stage dibuat 1 sehingga R 1 = R 2 • Besarnya Gain hanya tergantung RG

Single chip INA di pasaran • Beberapa jenis INA yang ada di pasaran Indonesia Produksi Analog Device • AD 620 • INA 114 Produksi Burr-Brown • INA 121 • INA 102 (sudah obsolete)

AD 620 pinout Schematic view Pin 1 & 8 : RG Untuk menentukan gain Pin 7 : +Vs dihubungkan ke tegangan catu positif Pin 4 : -Vs dihubungkan ke tegangan catu negatif Pin 5: REF dihubungkan ke tegangan referensi: pada mode split supply ke ground, pada mode dual supply ke pembagi tegangan yang terbuffer Pin 2 & 3: -IN dan +IN tegangan masukan inverting dan non inverting

Gain AD 620 Diukur terhadap Vref

Contoh rangkaian: interface strain gage ke ADC • Diketahui spec strain gage(SG): Misalnya suatu SG memiliki hambatan nominal 120 ohm. Pada beban maksimal, SG memiliki hambatan 119 ohm. • Diketahui spec ADC: ADC 0804 8 bit, dilengkapi pin REF/2, input diferensial Vref_adc Vin 1 Data out = (Vin 1 -Vin 2) x 255 / (2 x. Vref_adc) Range data out : 0 s/d 255 (karena 8 bit) Input = Vd = Vin 1 -Vin 2 Vd max = 2 Vref_adc data=255 Vd min = 0 data=0 Vin 1&Vin 2 < Vcc (5 V) Vref_adc max = ½ Vcc ADC = 2. 5 V

Diagram blok rangkaian Rangkaian SG (resistor bridge) INA ADC

Solusi 1: menggunakan split supply • INA menggunakan split supply +Vs=12 V , -Vs=-12 V, dan Vref=GND=0 V • ADC bisa dibuat full range dengan Vref_adc=1/2 VCC=2. 5 V • ADC Vin min=0 V; Vin max=5 V • IN+ Vin(out INA), IN- GND

skematik

Menghitung gain INA • RSG max= 120 ohm (nominal) • RSG min = 119 ohm (beban max) • VAB min = 0 V (saat RSG = nominal) • VAB max = [120/(120+120) – 119/(119+120)] x 5 = (0. 5 – 0. 498)*5 = 0. 01 V (saat RSG = beban max) • Vin_adc min = 0 • Vin_adc max= Vref_adc=5 V • Gain = (Vin_adc max – Vin_adc min)/(VAB max – VAB min) = 5 / 0. 01 = 500

Menghitung RG • Menggunakan AD 620 RG = 49400/(500 – 1) = 98. 99 ohm ~ 100 ohm

Solusi 2: menggunakan single supply • Digunakan catu yang sama untuk INA dan ADC misal: Vcc=5 V • INA +Vs = 5 V, -Vs = 0 V, Vref=? • Menentukan Vref INA : – Aturan: (dari datasheet ad 620) – Vref min = -Vs+1. 6 V ; Vref max = +Vs -1. 6 V – Jadi untuk catu single 5 V 1. 6 < Vref < 3. 4 – Misal Vref dipilih 2 V

Menentukan range output INA • • Input VAB range 0 s/d 0. 01 dari bridge Vout min INA ketika VAB=0 Vout=Vref=2 V Vout max INA ketika VAB=0. 01 Vout=? Untuk menentukan Vout max harus memperhatikan output swing IC AD 620 Output voltage swing INA -Vs+1. 1 s/d +Vs-1. 2 (menurut datasheet) Dengan catu single 5 V 1. 1 V s/d 3. 8 V Vout max < 3. 8 V out max=3 V Range output INA : 2 V – 3 V (ΔVout. INA= 1 V)

Menentukan REF ADC Vref_adc Vin 1 Vin 2 • Range input ADC = ΔVout. INA=1 V • Karena range input ADC 0 s/d 2 Vref_ADC, maka Vref_ADC=0. 5 V • Range out INA 2 V-3 V • Vin 1 Vout INA, Vin 2 2 V

Skematik 0. 5 V 2 V 2 V 0. 5 V 2 V 0804

Menentukan Gain dan RG • Gain=Range output/range input = 1 V / 0. 01 V = 100 • RG = 49400/(100 -1)=498 ohm • Yang ada di pasaran 510 ohm

Interface dengan termokopel Terminal A Terminal B Suhu referensi Suhu yang diukur 2 kawat/elemen dari 2 material yang berbeda, salah satu ujung ‘disatukan’ Ujung yang lain ‘dipisah’ Prinsip kerja : jika terdapat perbedaan suhu antara bagian yang ‘bersatu’ (measuring junction) dan bagian yang ‘berpisah’(reference) maka akan terdapat beda potensial antara bagian yang ‘berpisah’ Vout sebanding dengan (Tm – Tref)

Tegangan output termokopel • Tegangan out T’kopel(Vtc) sebanding dengan Tm – Tref • Vtc = S(Tm – Tref) dianggap linear • S=seebeck coefficient Paling linear

Pengukuran suhu dengan termokopel • Kedua terminal termokopel langsung dihubungkan ke alat ukur/signal conditioner Objek yang diukur Tm Signal conditioner Vtc / voltmeter Tref Tergantung suhu ruangan tempat pengukuran Akibatnya : nilai yang terukur (Vtc) akan tergantung suhu ruangan tempat pengukuran. Vo bisa berbeda walaupun Tm nya sebenarnya sama Karena Tref nya berbeda

Pengukuran suhu dengan termokopel • Dengan memberi tegangan kompensasi pada reference junction • Tegangan kompensasi (Vc) harus bisa berubah mengikuti perubahan suhu ruangan (Vc sebanding dengan suhu ruangan) • Piranti pemberi kompensasi juga harus berupa ‘sensor suhu’

Diagram termokopel dengan kompensasi Tref T’kopel Vtc Tm Vout kompensator Vc Vout=Vtc+Vc = S(Tm – Tref) + Vc Jika dibuat Vc = S Tref, Vout = S Tm

Rangkaian kompensator • Menggunakan komponen yang bisa menghasilkan tegangan sebanding dengan suhu • Salah satu contoh yang paling sederhana adalah dioda 1 N 914 Linear terhadap suhu Dibias maju Vd=0. 6 V – 2. 5 m. V x T T : suhu dalam o. C

Bagaimana menghubungkan kompensator ke termokopel? • Dipasang R pembagi tegangan pada dioda(R 2 & R 3) supaya dihasilkan perubahan tegangan yang sama dengan termokopel Vtc = S(Tm – Tref) Pada perancangan, 2. 5 m. V x R 2/(R 2+R 3) dibuat sama dengan S Vout Vc Vc = (2. 5 m. Vx. Tref – 0. 6 V)x R 2/(R 2+R 3) V dioda (diukur terbalik) Pembagi tegangan

• Vout = Vc + Vtc = (2. 5 m. Vx. Tref – 0. 6 V)x R 2/(R 2+R 3) +S(Tm – Tref) = 2. 5 m. V x R 2/(R 2+R 3) x Tref – 0. 6 V x R 2/(R 2+R 3) + S(Tm – Tref) Dibuat sama dengan S = S Tref – 0. 6 V x R 2/(R 2+R 3) + S Tm – S Tref = S Tm – 0. 6 V x R 2/(R 2+R 3) Suhu yang diukur Ofset, besarnya tetap

Menentukan R 2 dan R 3 • Tergantung jenis termokopel. Misal tipe K, S=40. 8 u. V/ o. C • 2. 5 m. V x R 2/(R 2+R 3) = 40. 8 u. V • R 2/(R 2+R 3) = 0. 01632 • Tentukan R 2=200, maka R 2+R 3=12254 • R 3=12054 12 K

Koneksi ke INA • Vout rangkaian termokopel & kompensasi disambungkan ke terminal input INA • Perlu ditambah rangkaian penghilang offset yang dipasangkan pada pin VREF INA (rangkaian zero adjust)

Skematik Vtc Vc T’kopel & kompensasi INA Vout rangkaian Rangkaian zero adjust