mekatronika

 

MEKATRONIKA DASAR  

       

HENDRO NURHADI 

Daftar Isi

Kata Pengantar………….…………………………………………………………..i Daftar Isi …………………………………………………………………………ii Daftar Gambar ……………………………………………………………………iii BAB 1

Pengertian mekatronika ……………………………………………….1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7

BAB 2

Komponen dasar elektronika ………………………………………20 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7

BAB 3

Dioda ……………..……………………………………………24 Kapasitor …………….…………………………………………29 Resistor ……………………………………………………….33 Transistor ………………………………………………………38 Induktor ………………………………………………………..41 IC(integrated circuit) …………………………………………..42 Transformator …………………………………………………..44

Pemrosesan Sinyal 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8

BAB 4

Pengertian Mekanika …………………………..…………………1 Pengertian elektrik dan elektronik……………..…………………7 Teknologi informasi dan komunikasi………….…………………9 Pembagian konsep dasar mekatronika …………………………10 Control system …………………………………………………10 Automatic system ………………………………………………18 Automatic control system ………………………………………19

…………………………………………………49

Pengantar sinyal analog dan digital …………………………...49 Pemrosesan sinyal digital ……………………………………..50 Pemrosesan sinyal analog ……………………………………..54 Matlab ………………………………………………………..55 Filter ……………………………………………………….....74 Operating amplifier ……………………………………………62 Converter ……………………………………………………….89 Multiplexer ……………………………………………………105

Instrumentasi pada mekatronika ………………………………….111 4.1 Sensor ………………………………………………………..111 4.1.1 Peryaratan Umum Sensor ………………………………111 4.1.2 Jenis Sensor .....................................................................114 4.1.3 Klasifikasi Sensor ………………………...…………115 4.2 Sensor Thermal ………………………………………………115 4.2.1 Bimetal .............................................................................117 4.2.2 Termistor ………………………………………………118 4.2.3 Resistance Thermal Detector (RTD ) …………………121 ii 

 

4.2.4 Termokopel …………………………………………….123 4.2.5 Dioda sebagai Sensor Temperatur ………………….….124 4.2.6 Infrared Pyrometer ……………………………………126 4.3 Sensor Mekanik ………………………………………………126 4.3.1 Sensor Posisi …………………………………………127 4.3.2 Sensor Kecepatan ( Motion Sensor ) …………………..134 4.3.3 Sensor Tekanan ( Presure Sensor ) ……………………137 4.4 Sensor Cahaya ………………………………………………156 4.5 Aktuator ……………………………………………………169  4.5.1 Aktuator tenaga elektris ……………………………….170 4.5.2 Aktuator menggunakan keramik multilayer …………173 4.5.3 Aktuator mekanik ……………..……………………...173 4.5.4 Aktuator elektrik. ……………………………………174 4.5.5 Aktuator fluida ………………………………………177 4.5.6 Aktuator smart ………………………………………184 BAB 5

Pengenalan PLC …………………………………………………..185 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6

SISTEM PLC ………………………………………………...185 RELAY ………………………………………………………187 Aljabar Boolean ……………………………..…………….195 SISTEM HIDROLIK ……………………….………………203 ELEKTRO PNUMATIK ……………………………………204 Contoh-contoh PLC ………………………………………….215

Daftar Pustaka

………………………………………………………....……226

   

iii   

BAB I PENGANTAR MEKATRONIKA Secara sempit pengertian mekatronika mengarah pada teknologi kendali numerik yaitu teknologi mengendalikan mekanisme menggunakan aktuator untuk mencapai tujuan tertentu dengan memonitor kondisi gerak mesin menggunakan sensor dan memasukkan informasi tersebut kedalam mikro-prosessor. Dengan demikian, mekatronika adalah gabungan disiplin ilmu dasar seperti, mekanika, elektro, dan informatika untuk merancang, memproduksi, mengoperasikan, atau memelihara sistem maupun mengoptimasi suatu produk untuk mencapai tujuan yang diinginkan.

Gambar I.1 Diagram Sederhana Pembentukan Ilmu Mekatronika Beberapa manfaat penerapan mekatronika antara lain: 1. Meningkatkan fleksibilitas Sebagai contoh, lengan robot industri dapat melakukan berbagai jenis pekerjaan dengan merubah program peranti lunak di mikro-prosesornya seperti halnya lengan manusia. Ini yang menjadi faktor utama dimungkinkannya proses produksi produk yang beraneka ragam tipenya dengan jumlah yang sedikit-sedikit. 2. Meningkatkan kehandalan Dengan menggunakan komponen-komponen elektronika untuk mengendalikan gerakan, maka komponen-komponen mesin pengendali gerak manual bisa dikurangi, sehingga meningkatkan kehandalan. 3. Meningkatkan presisi dan kecepatan Dengan menerapkan kendali digital dan teknologi elektronika, maka tingkat presisi mesin dan kecepatan gerak mesin dapat diangkat lebih tinggi lagi sampai batas tertentu. Batas ini misalnya adalah rigiditas mesin yang menghalangi kecepatan lebih tinggi karena munculnya getaran

 

1 

Elemen-elemen mekatronika: ƒ

Mekanisme mesin adalah obyek kendali yang bias berupa lengan robot, mekanisme penggerak otomotif,generator pembangkit listrik dan sebagainya.

Gambar I.2 mekanisme mesin pengerak piston ƒ

Sensor Sensor adalah alat untuk mendeteksi / mengukur sesuatu yang digunakan untuk mengubah variasi mekanis, magnetis, panas, sinar dan kimia menjadi tegangan dan arus listrik. Sensor itu sendiri terdiri dari transduser dengan atau tanpa penguat/pengolah sinyal yang terbentuk dalam satu sistem pengindera.

Gambar I.3 Sensor Efek-Hall

Gambar I.4 Diagram blok sensor efek hall

 

2 

Gambar I.5 Sensor ultrasonik ƒ

Kontroler adalah elemen yang berfungsi sebagai pengambil keputusan apakah keadaan obyek kendali telah sesuai dengan nilai referensi yang diinginkan,dan kemudian memproses informasi untuk menetapkan nilai komando guna merefisi keadaan obyek kendali

Gambar I.6 Diagram Blok ƒ

Rangkaian penggerak adalah elemen yang berfungsi menerima sinyal komando dari controller dan mengkonversikan menjadi energy yang mampu menggerakan actuator untuk melaksanakan komando dari kontroler. elemen ini selain menerima informasi dari kontroler juga menerimah catu daya berenergi tinggi

Gambar I.7 Rangkaian motor penggerak miniatur lift untuk perintah naik- turun dengan menggunakan plc

 

3 

ƒ

Aktuator Aktuator adalah bagian keluaran untuk mengubah energi suplai menjadi energi kerja yang dimanfaatkan. Sinyal keluaran dikontrol oleh sistem kontrol dan aktuator bertanggung jawab pada sinyal kontrol melalui elemen kontrol terakhir.

Gambar I.8 Konstruksi Silinder Kerja Tunggal ƒ

Sumber Energi adalah elemen yang mencatu daya energi listrik kesemua elemen yang membutukan nya. Salah satu bentuk kongkrit sumber energy adalah batere untuk system yang berpindah tempat,atau adaptor AC-DC untuk system stasionari(tetap di tempat)

Gambar I.9 Skema Power Suply

 

4 

Aplikasi/penerapan mekatronika antara lain: •

Peralatan rumah tangga: mesin cuci, mesin penghisap debu, microwave, remotecontrol, dll.

Gambar I.10 Microwave •

Berbagai piranti pada komputer: mouse, printer, disk drive, keyboard, dll.

Gambar I.12 Mouse •

Gambar I.11 Mesin Cuci

Gambar I.13 Printer

Peralatan medis dan laboratorium

Gambar I.12 X-Ray

 

Gambar I.12 Alat pencuci darah

5 

•

Bidang robotika

Gambar I.14 Robot •

Gambar I.15 Robot Burung Hantu

Bidang industri

Gambar I.16 Pabrik Pembuatan Mobil Dunia penerbangan: pengendalian pesawat terbang secara FBW (Fly By Wire)

Gambar I.17 Pesawat Siluman  

6 

1.1 MEKANIKA Mekanika (Bahasa Latin mechanicus, dari Bahasa Yunani mechanikos, "seseorang yang ahli di bidang mesin") adalah jenis ilmu khusus yang mempelajari fungsi dan pelaksanaan mesin, alat atau benda yang seperti mesin.mekanika merupakan bagian yang sangat penting dalam ilmu fisika terutama untuk ahli sains dan ahli teknik. Mekanika mempelajari keadaan gerak dari suatu sistem fisis (benda). Mekanika dapat dipecah menjadi dua berdasarkan ada atau tidaknya gaya yang bekerja pada sistem yaitu :Kinematika dan Dinamika. Besar-besaran fisis yang menggambarkan keadaan gerak dari suatu benda (partikel, sistem partikel) secara umum dapat diwakili oleh koordinat posisi, kecepatan, percepatan, momenatum dll. Mekanika (Mechanics) juga berarti ilmu pengetahuan yang mempelajari gerakan suatu benda serta efek gaya dalam gerakan itu. Cabang ilmu Mekanika terbagi dua ; Mekanika Statik dan Mekanika Dinamik , sedang Mekanika Dinamik dapat dibagi dua pula , yaitu Kinematik dan Kinetik.

. Gambar I.18 Mesin Bubut

Gambar I.19 Mesin Frais

 

7 

1.2 ELEKTRONIKA adalah ilmu yang mempelajari alat listrik arus lemah yang dioperasikan dengan cara mengontrol aliran elektron atau partikel bermuatan listrik dalam suatu alat seperti komputer, peralatan elektronik, termokopel, semikonduktor, dan lain sebagainya. Ilmu yang mempelajari alat-alat seperti ini merupakan cabang dari ilmu fisika, sementara bentuk desain dan pembuatan sirkuit elektroniknya adalah bagian dari teknik elektro, teknik komputer, dan ilmu/teknik elektronika dan instrumentasi. Alat-alat yang menggunakan dasar kerja elektronika ini biasanya disebut sebagai peralatan elektronik (electronic devices). Contoh peralatan/ piranti elektronik ini: Tabung Sinar Katoda (Cathode Ray Tube, CRT), radio, TV, perekam kaset, perekam kaset video (VCR), perekam VCD, perekam DVD, kamera video, kamera digital, komputer pribadi desk-top, komputer Laptop, PDA (komputer saku), robot, smart card, dll.

Gambar I.20 Sirkuit komputer

Gambar I.21 Micro processor

 

8 

1.3 Informatika merupakan disiplin ilmu yang mempelajari transformasi fakta berlambang yaitu data maupun informasi pada mesin berbasis komputasi. Disiplin ilmu ini mencakup beberapa macam bidang, termasuk di dalamnya: ilmu komputer, ilmu informasi, sistem informasi, teknik komputer dan aplikasi informasi dalam sistem informasi manajemen. Secara umum informatika mempelajari struktur, sifat, dan interaksi dari beberapa sistem yang dipakai untuk mengumpulkan data, memproses dan menyimpan hasil pemrosesan data, serta menampilkannya dalam bentuk informasi. Aspek dari informatika lebih luas dari sekedar sistem informasi berbasis komputer saja, tetapi masih banyak informasi yang tidak dan belum diproses dengan komputer. Informatika mempunyai konsep dasar, teori, dan perkembangan aplikasi tersendiri. Informatika dapat mendukung dan berkaitan dengan aspek kognitif dan sosial, termasuk tentang pengaruh serta akibat sosial dari teknologi informasi pada umumnya. Penggunaan informasi dalam beberapa macam bidang, seperti bioinformatika, informatika medis, dan informasi yang mendukung ilmu perpustakaan, merupakan beberapa contoh yang lain dari bidang informatika.

Gambar I.22 Laptop

Gambar I.23 Komputer

 

9 

Open Loop CS Control System Closed Loop CS

Mekatronika

Discrete Automatic System Continuous

Automatic Control System Gambar I.24 Diagram pembagian mekatronika

1.4.1 CONTROL SYSTEM Sistem kontrol adalah kombinasi komponen (listrik, mekanik, termal, atau hidrolik) yang bertindak bersama untuk untuk mengendalikan, memerintah, dan mengatur keadaan dari suatu sistem. Bagian sistem kontrol: „ Sistem { Sebuah susunan komponen – komponen fisik yang saling terhubung dan membentuk satu kesatuan untuk melakukan aksi tertentu { Contoh : tubuh, pemerintahan, motor „ Kontrol { mengatur, mengarahkan, memerintahkan „ Input (Set Point, Reference) { Respon sistem yang diinginkan „ Output { Respon sistem sebenarnya „ Plant { Obyek yang dikontrol

 

10 

Contoh Sistem Kontrol – Elevator

Gambar I. 25 a). elevator jaman dulu, b). elevator zaman sekarang. a. Elevator/lift jaman dulu, dikendalikan oleh pemegang tali atau operator lift, pada gambar tali dipotong untuk menunjukkan sebuah rem yang aman, inovasi dari lift jaman dulu. b. Duo lift/elevator yang digunakan di grande arche paris, dikendalikan oleh sebuah motor, dimana setiap motor gerakannya saling berlawanan. Pada jaman sekarang lift/elevator adalah full otomatis, menggunakan sistem kontrol untuk mengendalikan posisi dan kecepatan.

Gambar I.26 diagram floor versus time „ Input : lantai 4 „ Output (elevator response) : lantai – lantai yang dilewati elevator { Transient response { Steady state response Æ steady state error  

11 

Macam-macam Diagram Blok dan Komponen-komponennya

1.

Gambar I.27 Diagram blok open loop control system Keterangan: input biasanya berupa sinyal atau sejenisnya masuk dan kemudian diproses oleh sistem menghasilkan output berupa suatu mekanisme mesin.

2. Gambar I.28 Diagram blok close loop control system Keterangan: input yang berupa sinyal masuk menuju eror detector sebagai pembanding, kemudian masuk ke dalam proses dan keluar melalui output, tetapi sebelumnya sinyal yang keluar dari proses kembali lagi menuju eror detector (feedback).

3. Gambar I.29 diagram blok close loop control system with sensor

4.

Gambar I.30 diagram blok control system lengkap

 

12 

Gambar I. 31 Diagram blok lengkap control system

 

13 

Keterangan komponen komponennya: „ Variabel yang dikontrol { Variabel aktual yang diawasi dan dijaga pada nilai tertentu yang diinginkan di dalam proses. „ Variabel yang diukur { Kondisi dari controlled variable pada saat tertentu dalam pengukuran „ Sensor { “Mata” sistem, mengukur controlled variable dan menghasilkan sinyal output yang mewakili statusnya „

Sinyal feedback { Output dari measurement device.

„ Set Point { Nilai dari controlled variable yang diinginkan „ Error detector { Pembanding set point dengan sinyal feedback, dan menghasilkan sinyal output yang sesuai dengan perbedaan tersebut „ Sinyal error { Output dari error detector „ Kontroler { “Otak” dari sistem. Ia menerima error sebagai input dan menghasilkan sinyal kontrol yang menyebabkan controlled variable menajdi sama dengan set point „ Aktuator { “Otot” dari sistem. Ia adalah alat yang secara fisik melakukan keinginan kontroler dengan suntikan energi tertentu „ Variabel yang dimanipulasi { Besaran fisik yang merupakan hasil dari kerja yang dilakukan aktuator. „ Plant/proses { Proses tertentu yang dikontrol oleh sistem „ Disturbances/gangguan { Faktor pengganggu, menyebabkan perubahan pada variabel yang dikontrol

 

15 

1.4.1.1 Open Loop Control System Suatu sistem kendali yang keluarannya tidak berpengaruh terhadap aksi kendali disebut sistem kendali loop terbuka. Dengan kata lain, sistem kendali loop terbuka tidak dapat digunakan sebagai perbandingan umpan balik dengan masukan. Dalam suatu sistem kendali loop terbuka, keluaran tidak dapat dibandingkan dengan masukan acuan. Jadi setiap masukan acuan berhubungan dengan operasi tertentu, sehingga ketetapan dari sistem tergantung pada kalibrasi. Kelemahan sistem kendali ini adalah jika ada gangguan, maka sistem kendali loop terbuka tidak dapat melaksanakan tugas seperti yang diharapkan. Sistem kendali loop terbuka dapat digunakan hanya jika hubungan antara masukan dan keluaran diketahui dan tidak terdapat gangguan internal maupun eksternal. Contoh dari sistem kendali loop terbuka ini adalah mesin cuci, dimana perendaman, pencucian dan pembilasan dalam mesin cuci dilakukan atas basis waktu. Mesin ini tidak mengukur sinyal keluaran, yaitu tingkat kebersihan pakaian.

Gambar I.32 diagram blok dasar open loop control system

Contoh: Becak motor

Gambar I.33 Becak motor Input berupa kedalaman gas pada stang becak motor, input dikendalikan oleh manusia, proses/plant berupa mekanisme motor bakar, output berupa gerak roda. Disini tidak ada feed back jadi, kita tidak tahu apakah terjadi eror antara input yang berupa gas pada stang dan juga perputaran gerak roda.

 

16 

1.4.1.2 Close Loop Control System Sistem kendali umpan balik sering disebut sebagai sistem kendali loop tertutup. Pada sistem kendali umpan balik, sistem mempertahankan hubungan yang ditentukan antara keluaran dengan beberapa masukan acuan, dengan cara membandingkan mereka dan selisih yang dihasilkan akan digunakan sebagai alat kendali. Pada sistem kendali loop tertutup, sinyal kesalahan yang bekerja, yaitu perbedaan antara sinyal masukan dan sinyal umpan balik ( yang mungkin sinyal keluarannya sendiri atau fungsi dari sinyal keluaran dan turunannya ), disajikan ke kontroler sedemikian rupa untuk mengurangi kesalahan dan membawa keluaran sistem ke nilai yang dikehendaki. Istilah kendali loop tertutup selalu berarti penggunaan aksi kendali umpan balik untuk mengurangi kesalahan sistem. Sebagai contoh dari sistem kendali loop tertutup ini adalah sistem kendali suhu ruangan. Dengan mengukur suhu ruangan yang sebenarnya dan membandingkannya dengan suhu acuan (suhu yang dikehendaki), thermostat menjalankan alat pemanas atau pendingin, atau mematikannya sedemikian rupa sehingga memastikan bahwa suhu ruangan tetap pada suhu yang nyaman tidak tergantung dari keadaan di luar.

Gambar I.34 Air Conditioner with inverter

Gambar I.35 Diagram blok close loop control system

„ Open loop control system „ Aksi kontrolnya tidak tergantung dari output sistem. „ Tidak dapat memberikan kompensasi/koreksi jika ada gangguan (lihat gambar a). { Contoh : mesin cuci, oven, dll. „ Ketepatan hasil bergantung pada kalibrasi. „ Sederhana dan murah. „ Close loop control system „ Aksi kontrolnya bergantung pada output sistem (melalui feedback).

 

17 

„ Mengatasi kelemahan sistem open loop karena bisa memberikan koreksi saat ada gangguan „ Mungkin terjadi “overkoreksi”, sehingga sistem justru menjadi tidak stabil „ Kompleks dan mahal, karena komponen lebih banyak { Contoh : pengaturan kecepatan motor, pendingin-pemanas ruangan

Gambar (a) diagram blok open loop control sytem, (b) diagram blok close loop control system 1.4.2 Automatic System Sistem otomatis adalah suatu sistem yang bekerja secara otomatis tanpa harus dikendalikan oleh sesuatu. Juga dapat didefinisikan sebagai suatu teknologi yang berkaitan dengan aplikasi mekanik, elektronik dan sistem yang berbasis komputer (komputer, PLC atau mikro). Semuanya bergabung menjadi satu untuk memberikan fungsi terhadap manipulator (m Elemen dasar sistem otomasi Terdapat tiga elemen dasar yang menjadi syarat mutlak bagi sistem otomasi, yaitu power, program of instruction, kontrol sistem yang kesemuanya untuk mendukung proses dari sistem otomasi tersebut. a. Power Power atau bisa dikatakan sumber energi dari sistem otomasi berfungsi untuk menggerakan semua komponen dari sistem otomasi. Sumber energi bisa menggunakan energi listrik, baterai, ataupun Accu, semuanya tergantung dari tipe sistem otomasi itu sendiri. b. Program of instruction Proses kerja dari sistem otomasi mutlak memerlukan sistem kontrol baik menggunakan mekanis, elektronik ataupun komputer. Untuk program instruksi / perintah pada sistem kontrol mekanis maupun rangkaian elektronik tidak menggunakan bahasa pemrograman dalam arti sesungguhnya, karena sifatnya yang analog. Untuk sistem kontrol yang menggunakan komputer

 

18 

dan keluarganya (PLC maupun mikrokontroler) bahasa pemrograman merupakan hal yang wajib ada. c. Sistem kontrol Sistem kontrol merupakan bagian penting dalam sistem otomasi. Apabila suatu sistem otomasi dikatakan layaknya semua organ tubuh manusia seutuhnya maka sistem kontrol merupakan bagian otak / pikiran, yang mengatur dari keseluruhan gerak tubuh. Sistem kontrol dapat tersusun dari komputer, rangkaian elektronik sederhana, peralatan mekanik. Hanya saja penggunaan rangkaian elektronik, perlatan meknik mulai ditinggalkan dan lebih mengedepankan sistem kontrol dengan penggunaan komputer dan keluarganya (PLC, mikrokontroller) Sistem kontrol sederhana dapat ditemukan dari berbagai macam peralatan yang kita jumpai, diantaranya - Setiap toilet memiliki mekanisme kontrol untuk mengisi ulang tangki air dengan pengisian sesuai dengan kapasitas dari tangki tersebut. Mekanisme sistem kontrol tersebut menggunakan peralatan mekanis yang disusun sedemikian rupa sehingga membentuk sistem otomasi. - AC atau air conditioner merupakan sistem otomasi yang menggunakan sistem kontrol mikroelektronik atau yang sering disebut komputer sederhana. - Robot assembly contoh sistem otomasi yang menggunakan klntrol sistem komputer atau keluarganya. Sistem control tersebut akan memberikan pengaturan pada gerakan-gerakan tertentu untuk menyusun suatu peralatan pada industri.ekanik) sehingga akan memiliki fungsi tertentu.

1.4.2.1 Discrete Adalah sistem otomatis yang hanya mengenal batasan minimal dan maksimal, tidak ada nilai diantaranya. Contoh: on/off, 0/1. 1.4.2.2 Continuous Adalah sistem otomatis yang mengenal lebih dari 2 nilai, bukan hanya nilai maksimal dan minimal. Contoh: mati, kecepatan 1, kecepatan 2, kecepatan 3. Contoh Automatic system: AUTOMATIC WIRELESS SCORING BOARD FOR TAEKWONDO PLC WASTAFEL OTOMATIS 1.4.3 Automatic Control System Sistem kendali otomatis adalah suatu sistem yang memiliki sensor, aktuator dan kontroler. Pada sistem ini mencakup gabungan antara control system dan automatic system. Contoh automatic control system: PRINTER KAMERA LIFT

 

19 

BAB 2 Komponen Dasar Elektronika Elektronika adalah ilmu mengenai electron. Elektronika membahas cara-cara penggunaan electron untuk melakukan hal-hal yang bermanfaat dan menarik. Pada pembahasan tentang rangkaian listrik, perlu kiranya kita mengetahui terlebih dahulu beberapa hal megenai apa itu yang dimaksud dengan listrik. Untuk memahami tentang listrik, perlu kita ketahui terlebih dahulu pengertian dari arus. Arus merupakan perubahan kecepatan muatan terhadap waktu atau muatan yang mengalir dalam satuan waktu dengan simbol i (dari kata Perancis : intensite), dengan kata lain arus adalah muatan yang bergerak. Selama muatan tersebut bergerak maka akan muncul arus tetapi ketika muatan tersebut diam maka arus pun akan hilang. Muatan akan bergerak jika ada energi luar yang memepengaruhinya. Muatan adalah satuan terkecil dari atom atau sub bagian dari atom. Dimana dalam teori atom modern menyatakan atom terdiri dari partikel inti (proton bermuatan + dan neutron bersifat netral) yang dikelilingi oleh muatan elektron (-), normalnya atom bermuatan netral. Muatan terdiri dari dua jenis yaitu muatan positif dan muatan negative Arah arus searah dengan arah muatan positif (arah arus listrik) atau berlawanan dengan arah aliran elektron. Suatu partikel dapat menjadi muatan positif apabila kehilangan elektron dan menjadi muatan negatif apabila menerima elektron dari partikel lain. Coulomb adalah unit dasar dari International System of Units (SI) yang digunakan untuk mengukur muatan listrik. Simbol :Q = muatan konstan Q = muatan tergantung satuan waktu muatan 1 elektron = -1,6021 x 10-19 coulomb 1 coulomb = -6,24 x 1018 elektron Secara matematis arus didefinisikan

da i= dt Satuannya : Ampere (A) Dalam teori rangkaian arus merupakan pergerakan muatan positif. Ketika terjadi beda potensial disuatu elemen atau komponen maka akan muncul arus dimaan arah arus positif mengalir dari potensial tinggi ke potensial rendah dan arah arus negatif mengalir sebaliknya. Macam-macam arus : 1. Arus searah (Direct Current/DC) Arus DC adalah arus yang mempunyai nilai tetap atau konstan terhadap satuan waktu, artinya dimana pun kita meninjau arus tersebut pada waktu berbeda akan mendapatkan nilai yang sama 2. Arus bolak-balik (Alternating Current/AC) Arus AC adalah arus yang mempunyai nilai yang berubah terhadap satuan waktu dengan karakteristik akan selalu berulang untuk perioda waktu tertentu (mempunyai perida waktu : T). Tegangan atau seringkali orang menyebut dengan beda potensial dalam bahasa Inggris voltage adalah kerja yang dilakukan untuk menggerakkan satu muatan (sebesar satu coulomb) pada elemen atau komponen dari satu terminal/kutub ke terminal/kutub lainnya, atau pada kedua terminal/kutub akan mempunyai beda potensial jika kita menggerakkan/memindahkan muatan sebesar satu coulomb dari satu terminal ke terminal lainnya. Keterkaitan antara kerja yang dilakukan sebenarnya adalah energi yang dikeluarkan, sehingga pengertian diatas dapat dipersingkat bahwa tegangan adalah energi per satuan muatan.

Secara  

matematis :

v=

dw dq

20 

Satuannya : Volt (V)

Gambar 2.1 Tegangan Pada gambar diatas, jika terminal/kutub A mempunyai potensial lebih tinggi daripada potensial di terminal/kutub B. Maka ada dua istilah yang seringkali dipakai pada Rangkaian Listrik, yaitu : 1. Tegangan turun/ voltage drop Jika dipandang dari potensial lebih tinggi ke potensial lebih rendah dalam hal ini dari terminal A ke terminal B. 2. Tegangan naik/ voltage rise Jika dipandang dari potensial lebih rendah ke potensial lebih tinggi dalam hal ini dari terminal B ke terminal A. Ada juga hal yang penting untuk diketahui sebelum membahas tentang pokok bahasan dalam bab ini yaitu fase. Umumnya bebrapa fase yang diketahui adalah 1 fase, 2 fase, dan juga 3 fase. Penjelasan untuk ketiga jenis fase tersebut dijelaskan berikut ini. A. Rangkaian 3 fase Tiga-fase tenaga listrik adalah metode umum arus bolak tenaga listrik pembangkit , transmisi , dan distribusi .Ini adalah jenis sistem polyphase dan merupakan metode yang paling umum digunakan oleh grid di seluruh dunia untuk mentransfer daya. Hal ini juga digunakan untuk daya yang besar motor dan beban besar lainnya. Sebuah 3 fase umumnya lebih ekonomis daripada yang lain, karena menggunakan bahan konduktor kurang untuk mengirimkan tenaga listrik dari setara- fase tunggal atau dua fase pada saat tegangan sama.

Gambar 2.2 3 fase Dalam sistem fase tiga, tiga konduktor membawa tiga rangkaian arus bolak (dari frekuensi yang sama) yang mencapai puncak sesaat nilai pada waktu yang berbeda. Mengambil satu konduktor sebagai acuan, dua lainnya arus yang tertunda dalam waktu dengan sepertiga dan dua pertiga dari satu siklus arus listrik. Penundaan antara fase ini memiliki pengaruh pemberian transfer daya konstan setiap siklus arus dan juga memungkinkan untuk menghasilkan medan magnet berputar dalam motor listrik . Tiga-fasa sistem mungkin memiliki netral kawat. Sebuah kawat netral memungkinkan sistem tiga fase menggunakan tegangan yang lebih tinggi sementara masih mendukung lebih rendah-tegangan fase-tunggal peralatan. Dalam situasi distribusi tegangan tinggi, biasanya tidak memiliki kawat netral sebagai beban yang hanya dapat dihubungkan antara fase (fasefase koneksi).

 

21 

Tiga tahap memiliki sifat yang membuatnya sangat diinginkan dalam sistem tenaga listrik: • Arus fasa cenderung membatalkan satu sama lain, penjumlahan ke nol dalam hal beban seimbang linier. Hal ini memungkinkan untuk menghilangkan atau mengurangi ukuran konduktor netral; semua konduktor fasa membawa yang sama saat ini dan sehingga dapat menjadi ukuran yang sama, untuk beban seimbang. • mentransfer Power menjadi beban seimbang linier adalah konstan, yang membantu untuk mengurangi getaran generator dan motor. • Tiga fase sistem dapat menghasilkan medan magnet yang berputar ke arah tertentu, yang menyederhanakan rancangan motor listrik. B.

Rangkaian 1 fase

Dalam teknik elektro, fasa-tunggal tenaga listrik mengacu pada distribusi arus bolak tenaga listrik menggunakan sistem di mana semua tegangan pasokan bervariasi serempak. Single-fase distribusi digunakan ketika beban sebagian besar pencahayaan dan pemanasan, dengan beberapa motor listrik besar. A-fase pasokan tunggal yang dihubungkan ke arus bolak motor listrik tidak menghasilkan medan magnet bergulir;-motor fase tunggal membutuhkan sirkuit tambahan untuk memulai, dan motor tersebut jarang di atas 10 atau 20 kW pada rating. Sebaliknya, dalam tiga-fasa sistem, arus di masing-masing konduktor seketika mencapai puncak nilai-nilai mereka secara berurutan, tidak secara bersamaan, dalam setiap siklus frekuensi daya, pertama satu, maka, maka ketiga saat ini mencapai nilai maksimum kedua. Bentuk gelombang dari tiga konduktor pasokan dikurangkan dari satu sama lain dalam waktu (tertunda dalam fase ) oleh sepertiga masa mereka. Standar frekuensi daya sistem fase-tunggal baik 50 atau 60 Hz . Khusus fasa-tunggal daya jaringan traksi dapat beroperasi pada 16,67 Hz atau frekuensi lain untuk listrik kereta api listrik. Single-fase distribusi daya banyak digunakan terutama di daerah pedesaan, di mana biaya jaringan distribusi tiga fasa yang tinggi dan beban motor kecil dan jarang.

Gambar 2.3 Aplikasi sistem 1 fase C. Rangkaian 2 Fase Merupakan dua sirkuit yang digunakan, dengan tegangan fase berbeda dengan 90 derajat . Biasanya sirkuit menggunakan empat kabel, dua untuk setiap tahap. Kurang sering, tiga kabel digunakan, dengan kabel biasa dengan konduktor yang lebih besar-diameter. Beberapa generator dua-tahap awal memiliki dua majelis rotor dan lapangan lengkap, dengan gulungan fisik diimbangi dengan 90 derajat listrik untuk memberikan tenaga dua-fasa. The generator di Niagara Falls dipasang pada tahun 1895 adalah generator terbesar di dunia pada saat itu dan dua-fase mesin.

 

22 

Gambar 2.4 Rangkaian 2 fase Keuntungan dari dua-fasa listrik adalah bahwa hal itu memungkinkan untuk sederhana, motor listrik sendiri dimulai. Pada hari-hari awal teknik listrik , lebih mudah untuk menganalisa dan desain sistem dua fase dimana fase-benar terpisah. Untuk dapat menggunakan dan memanfaatkan beberapa penjelasan tersebut, maka dibuatlah komponen-komponen elektronika, diantaranya yang akan di jelaskan berikut ini. 2.1 DIODA Dioda adalah komponen semikonduktor yang paling sederhana dalam komponen dasar elektronika, piranti ini memiliki 2 terminal dan terbuat dari dua jenis sambungan semikonduktor tipe P dan tipe N. Bahan tipe P menjadi sisi anoda, sedangkan bahan tipe N menjadi sisi katoda. Banyak sekali penggunaan diode dan secara umum diode dapat digunakan antara lain ntuk pengaman, penyearah, Voltage Regulator, Modulator, Pengendali Frekuensi, Indikator, Switch.

Gambar 2.5 simbol Dioda Cara untuk menentukan nama kaki- kaki suatu diode 1. Titik Kaki yang dekat dengan tanda titik merupakan sisi katoda, sedangkan yang lainnya adalah anoda

Gambar2.6 Dioda dengan titik 2. Cincin/ Gelang Cincin/ gelang terletak pada ujung bodi diode. Kaki yang dekat dengan cincin merupakan katoda, dan yang lainnya adalah anoda.

 

23 

Gambar2.7 Dioda dengan cincin 3. Pita- Pita Berwarna Pita- pita yang terpasang pada diode mempunyai lebar yang berbeda antara sisi satu dengan yang lainnya. Untuk menentukan kai- kakinya cukup melihat pita yang paling lebar, yang paling dekat dengan pita tersebut adalah katoda dan yang lainnya adalah anoda.

Gambar 2.8 diode dengan pita berwarna Cara mencatukan diode ke sumber tegangan 1. Bias Maju (Forward Bias) Dioda bias maju jika potensial positif sumber dihubungkan dengan positif diode (anoda), sedangkan potensial negative sumber dihubungkan dengan diode negative (katoda). Pada Forward Bias, perbedaan voltage antara katoda dan anoda disebut threshold voltage atau knee voltage. Pada saat knee voltage arusnya mulai bertambah cepat.

Gambar 2.9 proses Forward Bias 2. Bias Mundur (Reverse Bias) Dioda bias mundur jika potensial positif sumber dihubungkan dengen negative diode (katoda), sedangkan negative sumber dihubungkan dengan positif diode (anoda). Bila diode diberi reverse bias (beda voltage-nya tergantung dari tegangan catu) tegangan tersebut disebut tegangan terbalik. Tegangan ini tidak boleh melampaui harga tertentu, harga yang telah ditentukan ini disebut (breakdown voltage)

 

24 

Gambar2.10 proses reverse bias Dioda hanya bias dialiri arus DC searah saja, pada arah sebaliknya arus DC tidak akan mengalir. Apabila diode silicon dialiri arus AC (arus listrik dari PLN), maka yang mengalir hanya satu arah saja sehingga arus output diode berupa arus DC. Dioda dinyatakan dalam ukuran menurut kemampuan kuat arus yang mampu dilewatkan. Ukuran arus tersebyt merupakan nilai maksimal yang tidak boleh dilampaui, jika dilampaui maka diode akan rusak. Khusus bagi diode dengan kemampuan arus besar harus dilengkapi dengan plat pendingin,disamping harus diperhatikan pula batas tegangan kerja dan frekuensinya. Macam- macam Dioda 1. Dioda Zener Dioda Zener adalah suatu diode yang mempunyai sifat bahwa tegangan terbaliknya sangat stabil, tegangan ini dinamakan teganganZener. DiodaZener dibuat agar arus dapat mengalir kea rah yang berlawanan jika tegangan yang diberikan melampaui tegangan Brakdown. Di atas tegangan zener, diode ini akan menghantarkan arus listrik ke dua arah. Dioda ini biasanya digunakan sebagai Voltage Stabilizer. Ciri- ciri Dioda Zener: - Terbuat dari silicon - Kemampuan daya berkisar antara 400 mWatt – 50 Watt - Merupakan diode yang didoping khusus

Gambar 2.11 diode zener

 

25 

Gambar 2.12 Symbol untuk diode zener 2. LED (Light Emiting Dioda) LED adalah komponen yang dapat mengeluarkan emisi cahaya. LED dapat mengeluarkan cahaya bila diberikan Forward Bias. Dioda jenis ini banyak digunakan sebagai indicator dan display. Bahan dasar yang digunakan untuk pembuatan LED adalah Galium Arsenida (GaAs), yang dapat memancarkan cahaya dengan warna yang bermacam- macam. Standar arus maju LED adalah 20 mA, oleh karena itu dalam penggunaan LED biasanya dihubungkan secara seri dengan hambatan (Resistor). Ciri- cirri LED: - Terbuat dari bahan semikonduktor campuran : Galium, Phospor, Indium - Dapat meancarkan cahaya jika dikenai tegangan listrik - Tegangan kerja berkisar antara 1,4 V – 3 V - Memerlukan arus antara 30 mA – 100 mA - Intensitas cahaya berbanding langsung dengan arus maju yang mengalir

Gambar 2.13 LED

Gambar 2.14 symbol untuk LED 3. Dioda Penyearah (Rectifier) Ciri- cirri Dioda Penyearah: - Mengubah arus bolak- balik (AC) menjadi arus searah (DC) - Terbuat dari Silicon - Digunakan pada Power Supply / adaptor - Tegangan kerjanya antara 25V – 50V dengan kemampuan arus antara 0,25A – 1A

 

26 

Gambar 2.15 Dioda Penyearah 4. Dioda Detektor Ciri- Ciri Dioda Detektor diantaranya adalah: - Terbuat dari Germanium - Mendeteksi sinyal- sinyal kecil pada pesawat penerima radio - Terdapat dalam berbagai tipe

Gambar 2.16 symbol untuk diode detektor 5. Dioda Foto Dioda Foto adalah komponen elektronik yang hubungan P-N diodanya dibuat sensitive terhadap cahaya. Dioda ini mempunyai sifat yang berkebalikan dengan LED, yang akan menghasilkan arus listrik bila terkena cahaya. Besarnya arus listrik yang dihasilkan pun tergantung dari besarnya cahaya yang masuk

Gambar2.17 Dioda Foto

Gambar2.18 symbol untuk Dioda Foto 6. Dioda Bridge Dioda Bridge merupakan diode yang digunakan untuk membuat penyearah pada Power Supply. Dioda ini termasuk yang banyak dijual di pasaran. Dioda Bridge Tersusun atas diode silicon yang dirangkai menjadi suatu bridge dengan berbagai macam kapasitas. Ukuran diode bridge yang utama adalah Voltage dan Ampere maximumnya.

 

27 

Gambar2.19 Dioda Bridge

Gambar2.20 symbol untuk Dioda Bridge

 

28 

Macam- macam pengkodean diode Ada tiga system pengkodean untuk diode, yaitu: 1. Sistem Amerika Sistem pengkodean diode pada system inji yaitu dimana diode- diode ditandai dngan angka dan huruf 1N dan diikuti dengan nomer tipenya. Contoh 1N4001, dsb. 2. Sistem Jepang Sistem ini hamper sama seperti system Amerika, tetapi disini ditandai dengan huruf 1S, dan diikuti dengan angka dan huruf lainnya. 3. Sistem Eropa Sistem Eropa ini berbeda dengan dua system yang sebelumnya, disini terdiri dari dua atau tiga huruf dan diikuti dengan nomer seri, dimana huruf pertama menunjukkan bahan dasar dari diode tersebut. Contoh: A= Germanium, B= Silikon Sedangkan huruf kedua menyatakan fungsinya,Contoh: A= Dioda Umum, Z= Dioda Zener, P= Dioda Cahaya, dsb. 2.2 Kapasitor Kapasitor adalah suatu alat yang dapat menyimpan energi di dalam medan listrik, dengan cara mengumpulkan ketidakseimbangan internal dari muatan listrik. Kapasitor memiliki satuan yang disebut Farad dari nama Michael Faraday. Karena kapasitor juga tidak dapat menguatkan, menyearahkan dan mengubah suatu energi ke bentuk lainnya sama seperti resistor, maka kapasitor juga termasuk komponen pasif elektronika. Kapasitor juga sering disebut kondensator atau kapasitansi.

Lambang kondensator (mempunyai kutub) pada skema elektronika.

Lambang kapasitor (tidak mempunyai kutub) pada skema elektronika. Kapasitansi dari kapasitor dapat ditentukan dengan rumus:

C : Kapasitansi

ε0 : permitivitas hampa

εr : permitivitas relatif

A : luas pelat

d :jarak antar pelat/tebal dielektrik Pada kapasitor keramik dan beberapa jenis yang lain nilainya dikodekan. Biasanya terdiri dari 4 digit, dimana 3 digit merupakan angka dan digit terakhir berupa huruf yang menyatakan toleransinya. 3 digit pertama angka yang terakhir berfungsi untuk menentukan 10n, nilai n dapat dilihat pada tabel.

 

29 

3rd Digit 0 1 2 3 4 5 6-7 8 9

Multiplier 1 10 100 1000 10000 100000 Not Used .01 .1

Letter D F G H J K M P Z

Tolerance 0.5 pF 1% 2% 3% 5% 10% 20% +100-0% +80-20%

Tabel 2.1 Kode Kapasitor Keramik Macam- macam dan penggunaan kapasitor : 1. Electrolytic Capacitor

Gambar 2.21 Electrolytic Kapasitor Kapasitor electrolytic adalah jenis yang paling populer untuk nilai lebih besar dari sekitar 1 microfarad. Kapasitor electrolytic dibangun menggunakan lapisan tipis oksida pada aluminium foil. Elektrolit digunakan untuk membuat kontak dengan lempeng lainnya. Kapasitor jenis ini memiliki perbedaan pada kedua sisinya, maka dalam pemasangan kita harus hati-hati jangan sampai terbalik karena akan mengakibatkan kerusakan bahkan meledak. 2. Tantalum Capacitor

Gambar 2.22 Tantalum Kapasitor Tantalum kapasitor ini mirip dengan kapasitor elektrolitikyang elektrodanya terbuat dari material tantalum. Karakteristik temperatur dan frekuensi lebih bagus dari pada kapasitor elektrolitik dari bahan almunium dan kapasitor ini banyak digunakan untuk sistem dengan sinyal analog.

 

30 

3. Ceramic Capacitor

Gambar 2.23 Keramik Kapasitor Kapasitor keramik biasanya digunakan untuk frekuensi radio dan beberapa aplikasi audio. Kapasitor keramik rentang nilai dari angka-angka serendah beberapa picofarads menjadi sekitar 0,1 microfarads. Biasanya kapasitor ini digunakan untuk rangkaian dengan frekuensi tinggi. Kapasitor ini tidak baik digunakan untuk rangkaian analog karena dapat mengubah bentuk sinyal. 4. Multilayer Ceramic Capacitor

Gambar 2.24 Multilayer Keramik Kapasitor Kapasitor ini hampir sama dengan kapasitor keramik yang membedakan adalah jumlah lapisan yang menyusun dielektriknya. Pada jenis ini dielektriknya tersusun dari banyak lapisan dengan ketebalan 10 sampai 20 µm dan pelat elektrodanya terbuat dari logam murniserta memiliki karakteristik suhu yang lebih bagus daripada kapasitor keramik. 5. Polyester Film Capacitor

Gambar 2.25 Polyester Film Kapasitor Dielektriknya terbuat dari polyester film. Berkarakteristik suhu dan frekuensi yang lebih bagus dari semua kapasitor diatas. Biasa dipakai rangkaian berfrekuensi tinggidan analog, sering disebut mylar dan bertoleransi ± 5 % sampai ± 10 %. 6. Polypropylene Capacitor

Gambar 2.26 Polypropylene Kapasitor

 

31 

Kapasitor ini bertoleransi lebih tinggi dari polyester film capacitor. Nilai kapasitansi dari komponen ini tidak akan berubah bila dirancang dengan sistem frekuensi yang melaluinya lebih kecil atau sama dengan KHz. 7. Kapasitor Mika

Gambar 2.27 Kapasitor Mika Bahan dielektrik kapasitor ini menggunakan mika. Kapasitor ini memiliki kestabilan yang bagus karena temperatur koefisiennya rendah, dan memiliki frekuensi karakteristik ynga sangat bagus. Biasa digunakan dalam rangkaian resonansi, filter untuk frekuensi tinggidan rangkaian yang bertegangan tinggi. 8. Polystyrene Film Capacitor

Gambar 2.28 Polyestyrene Film Kapasitor Dielektrik dari kapasitor ini adalah polystyrene film. Sering digunakan dalam aplikasi berfrekuensi tinggi. Karena konstruksinya sama dengan koil maka kapasitor ini baik untuk aplikasi pewaktu dan filter yang berfrekuensi beberapa ratus KHz. Kapasitor ini memiliki dua warna elektroda yaitu merah (dari bahan tembaga) dan abu-abu (kertas aluminium). 9. Electric Double Capacitor (Super Capacitor)

Gambar 2.29 Electric Double Kapasitor Kapasitor ini bahan dielektriknya sama dengan kapasitor elektrolitik tetapi memiliki ukuran yang lebih besar. Biasanya mempunyai satuan Farad (F). Kapasitor ini biasa digunakan untuk rangkaian power supply. 10. Trimmer Capacitor

Gambar 2.30 Trimmer Kapasitor Dielektrik kapasitor ini menggunakan bahan keramik atau plastik. Nilai kapasitansinya dapat diubah dengan cara memutar skrup yang ada di bagian atas. Dalam pemutaran harus menggunakan obeng khusus agar tidak timbul efek kapasitansi pada obeng dengan tangan.  

32 

11. Tuning Capacitor

Gambar 2.31 Turning Kapasitor Kapasitor yang biasa disebut “ Varicons “ ini sering digunakan sebagai pemilih gelombang pada radio. Jenis dielektriknya menggunakan udara, mengubah nilai kapasitansinya dengan memutar gagang yang ada pada badan kapasitor kekiri atau kekanan. 2.3 RESISTOR Resistor sering juga disebut dengan tahanan, hambatan atau resistansi. Dimana resistor mempunyai fungsi sebagai penghambat arus, pembagi arus, dan pembagi tegangan. 2.3.1

Macam-macam resistor dan penggunaanya Resistor merupakan komponen pasif elektronika ang berfungsi untuk membatasi arus listrik yang mengalir. Berdasarkan kelasnya resistor dibagi menjadi dua yaitu: fixed resistor dan variable resistor. Dan umumnya terbuat dari carbon film atau metal film, tetapi tidak menutup kemungkinan untuk dibuat dari material lain. a) Fixed resistor Merupakan resistor yang mempunyai nilai tetap. Ciri fisik dari resistor ini adalah bahan pembuat resistor terdapat ditengah-tengah dan pada pinggirnya terdapat 2 conducting metal, biasanya kemasan seperti ini disebut dengan axial. Ukuran fisik fixed resistor bermacam-macam, tergantung pada daya resistor yang dimilikinya. Misalnya fixed resistor dengan daya 5 Watt pasti mempunyai bentuk fisik yang jauh lebih besar dibandingkan dengan fixed resistor yang mempunyai daya ¼ Watt. Contoh gambar resistor :

Gambar 2.32 Fixed Resistor Selain kemasan axial terdapat pula kemasan lain yang disebut SIP ( single in line ) biasa disebut juga dengan R-Pack. Didalam kemasan ini terdapat lebih dari 1 resistor yang biasanya disusun parallel dan mempunyai pusat yang dinamakan common. Untuk contoh dapat dilihat pada gambar berikut : Berikut ini akan dijelaskan sedikit tentang penggunaan resistor berdasarkan tipe atau jenisnya : ¾ Precision Wirewound Resistor Merupakan tipe resistor yang mempunyai tingkat keakuratan sangat tinggi sampai 0.005% dan TCR (Temperature Coefisient of Resistance) sangat rendah. Sehingga sangat cocok digunakan untuk aplikasi DC yang membutuhkan keakuratan yang sangat tinggi. Tetapi jangan menggunakan jenis ini untuk aplikasi rf (radio frequency) sebab mempunyai Q resonant frequency yang rendah.  

33 

Gambar 2.33 Precision Wirewound Resistor Contoh aplikasi penggunaan resistor ini adalah DC measuring equipment dan reference resistor untuk voltage regulator dan decoding network. ¾ NIST Standart Resistor NIST (National Institut of Standart and Technology) Standart resistor merupakan tipe resistor dengan tingkat keakuratan paling tinggi yaitu 0.001%, TCR yang rendah dan sangat stabil dibandingkan dengan precision wirewound resistor. Komponen ini biasanya digunakan sebagai standart di dalam verifikasi keakuratan dari suatu alat ukur resistive. ¾ Power Wirewound Resistor Biasanya resistor ini digunakan untuk aplikasi yang membutuhkan daya yang sangat besar. Komponen ini dapat membatasi daya yang besar dibandingkan dengan resistor yang lain. Karena panas yang ditimbulkan cukup besar biasanya resistor ini dilapisi oleh bahan seperti ceramic tube, ceramic rods, anodized aluminium, fiberglass mandels, dll. Contoh dari power Wirewond resistor :

Gambar 2.34 Power Wirewound Resistor ¾ Fuse Resistor Komponen ini selain berfungsi sebagai resistor, juga berfungsi sebagai sekering. Resistor ini didsesain sedemikian rupa sehingga bila ada arus yang sangat besar melaluinya maka hambatannya menjadi tidak terhingga. Pada kondisi normal suhu dari resistor ini akan panas ketika ada arus yang melaluinya. Contoh dari fuse resistor :

Gambar 2.35 Fuse Resistor ¾ Carbon Composition

 

34 

Resistor ini memiliki koefisien temperature dengan batas 1000 ppm/◦C terhadap nilai hambatannya, dimana nilai hambatannya akan turun ketika suhunya naik. Selain itu resistor juga memiliki koefisien tegangan, dimana nilai hambatannya akan berubah ketika diberi tegangan. Semakin besar tegangan maka semakin besar perubahannya. Voltage rating dari resistor carbon composition ditentukan berdasarkan ukuran fisik, nilai, dan dayanya.

Gambar 2.36 Carbon Composition ¾ Carbon Film Resistor Resistor jenis carbon film mempunyai karakteristik yang sama dengan resistor carbon composition tetapi temperature coefisient nilainya lebih rendah. Frekuensi respon dari resistor ini jauh lebih bagus dibandingkan dengan wirewound dan lebih bagus lagi dibandingkan dengan carbon composition. Dimana wirewound akan menjadi suatu induktansi ketika frekuensinya rendah dan akan menjadi kapasitansi apabila frekuensinya tinggi. Dan untuk carbon composition hanya menjadi kapasitansi apabila dilalui frekuensi tinggi dan frekuensi rendah. Gambar carbon film resistor :

Gambar 2.37 Carbon Film Resistor ¾ Metal Film Resistor Metal Film Resistor merupakan pilihan terbaik dan jenis resistor carbon composition dan carbon film. Karena resistor ini lebih akurat, tidak mempunyai voltae coefisient, noise dan temperature coefisient yang lebih rendah. Tetapi resistor ini tidak sebagus jenis resistor precision wirewound. Bahan dasar pembuatan dari resistor ini adalah metal dan keramik, bahan ini mirip seperti yang digunakan untuk membentuk carbon film resistor.

Gambar 2.38 Metal Film Resistor ¾ Foil Resistor  

35 

Resistor ini mempunyai karakteristik yang sama dengan jenis metal film. Kelebihan utama dibandingkan dengan metal film adalah tingkat kestabilannya yang lebih tinggi, TCR paling kecil, dan frekuensi respon tinggi. Selain kelebihan terdapat pula kelemahan yaitu nilai maksimum dari resistor ini lebih kecil dari nilai resistor metal film. Resistor ini biasanya dipakai didalam stain gauge, nilai strain dapat diukur berdasarkan perubahan nilai resistansinya. Ketika digunakan sebagai strain gauge, foil-nya dipasang disuatu substrate fleksibel sehingga dapat dipasang didaerah tempat pengukuran strain dilakukan. ¾ Power Film Resistor Material yang digunakan untuk membuat resistor ini sama dengan jenis metal film. Tetapi karakteristik dayanya lebih tinggi. Power film resistor mempuyai nilai yang lebih tinggi dan respon frekuensinya yang lebih baik dibandingkan power wirewould resistor. Resistor ini banyak digunakan untuk aplikasi power karena membutuhkan frekuensi respon yang baik, daya yang tinggi dan nilai yang lebih besar daripada power wirewould resistor. Biasanya komponen ini memiliki toleransi yang cukup besar. b) Variable resistor Untuk kelas resistor yang keduaini terdapat 2 tipe. Untuk tipe pertama dinamakan variable resistor dan nilainya dapat diubah sesuai keinginan dengan mudah dan sering digunakan untuk pengaturan volume, bass, balance, dll. Sedangkan yang kedua adalah semi-fixed resistor. Nilai dari resistor ini biasanya hanya diubah pada kondisi tertentu saja. Contoh penggunaan dari semi-fixed resistor adlah tegangan referensi yang digunakan untuk ADC, fine tune circuit, dll.

Gambar 2.39 Variable Resistor Ada beberapa model pengaturan nilai variable resistor, yang sering digunakan adalah dengan cara memutar. Pengubahan nilai dengan cara memutar biasanya terbatas sampai 300 derajat putaran. Ada beberapa model variable resistor yang harus diputar berkali-kali untuk mendapatkan semua nilai resistor. Model ini dinamakan “Potentiometers” atau “Trimmer Potentiometers”. c) CDS ( Cadmium Sulfide Photocell ) Jenis resistor ini perubahan nilainya tergantung pada banyaknya cahaya yang mengenai dirinya. Biasanya resistor ini juga disebut LDR (Light Depend Resistor). Banyak sekali tipe dari komponen ini tergantung pada sensitivitas cahaya, ukuran, nilai hambatan, dll.

 

36 

Gambar 2.40 Cadmium Sulfide Photocell Pada gambar diatas, terdapat contoh salah satu bentuk CDS Photocell. CDS ini mempunyai diameter 8 mm, tinggi 4 mm, dengan bentuk silinder. Pada kondisi ruangan yang terang nilai hambatannya adalah 200 Ω, sedangkan saat kondisi ruangan gelap maka nilai hambatannya 2 MΩ.

 

37 

d) Termistor ( Thermally Sensitive Resistor ) Resistor ini nilai hambatannya berubah berdasarkan temperature dan biasanya digunakan untuk sensor suhu. Ada tiga tipe termistor antara lain : • NTC (Negative Temperature Coefisient Thermistor) Pada saat suhu disekitarnya naiknilai hambatannya menurun. • PTC (Positive Temperature Coefisient Thermistor) Pada saat suhu disekitarnya naik nilai hambatannya naik. • CTR (Critical Temperature resistor) Nilai hambatannya akan menurun dengan cepat ketika suhu disekitarnya naik diatas suhu yang spesific point.

Gambar 2.41 Termistor 2.3.2

Mengidentifikasi Nilai Resistor Untuk mengetahui nilai resistansi dari suatu resistor caranya dengan membaca warna dari resistor atau membaca suatu nilai yang tertera pada badan resistor. Untuk resistor dengan 4 warna gelang, 2 pertama adalah nilainya yang ketiga adalah factor 10ndan yang keempat adalah toleransinya. Misalnya gelang pertama adalah merah berarti nilainya = 2, gelang kedua ungu sehingga nilainya = 7, gelang ketiga oranye maka factor 10n = 103 = 1000 dan gelang keempat adalah emas berarti toleransinya = 5%, maka nilai resistansinya adalah 27000 Ω = 27KΩ. Untuk perhitungan nilai resistor dengan jumlah gelang 5 dan 6 hampir sama dengan perhitungan nilai resistor pada 4 gelang. Bedanya hanya pada factor 10n, dimana untuk jumlah gelang 5 dan 6 terletak pada gelang nomor 4 dan 5. Untuk gelang ke 6 merupakan nilai koefisien suhu dari resistor. Suhu tersebut diukur dalam ppm/◦ C ( Part Per Milion degree Centrigade ). 2.3.3 Nilai Standart Resistor Electronics Industries Assciation ( EIA), dan beberapa sumber yang lain telah menetapkan suatu nilai standart dari resistor yang biasanya diberi kode E. ada 2 kode yang nilai resistansinya banyak dijumpai dipasaran yaitu : E12 dan E24. Batas daerah nilai untuk kode E12 ada 12 yaitu : 1.0, 1.2, 1.5, 1.8, 2.2, 2.7, 3.3, 3.9, 4.7, 5.6, 6.8, dan 8.2. kode ini biasanya digunakan pada resistor dengan menggunakan material carbon film standart. Nilai maksimum yang ada hanya sampai 10 MΩ. 2.4 TRANSISTOR Transistor merupakan komponen aktif yang terbuat dari bahan semikonduktor yang merupakan jenis bahan yang tidak sepenuhnya konduktor atau isolator, namun memiliki sifat keduanya, dan memegang peranan penting dalam suatu rangkaian elektronika. Pada umumnya transistor digunakan sebagai penguat (amplifier) dan transistor juga dapat berfungsi sebagai sakelar. Komponen ini boleh dikata termasuk komponen yang susunannya sederhana bila dibandingkan dengan Integrated Circuit. Transistor berasal dari kata transfer resistor. Penamaan ini berdasarkan pada prinsip kerjanya yakni mentransfer atau memindahkan arus.

 

38 

Gambar 2.42 Transistor 2.4.1 Prinsip Kerja Transistor Menurut dari prinsip kerjanya transistor dibagi menjadi dua jenis yaitu; Transistor Bipolar (dwi kutub) dan Transistor Efek Medan (FET – Field Effect Transistor). 1. BJT

NPN

PNP Gambar 2.43 Lambang rangkaian PNP dan NPN

BJT (Bipolar Junction Transistor) adalah salah satu dari dua jenis transistor. Cara kerja BJT dapat dibayangkan sebagai dua dioda yang terminal positif atau negatifnya berdempet, sehingga ada tiga terminal. Perubahan arus listrik dalam jumlah kecil pada terminal basis dapat menghasilkan perubahan arus listrik dalam jumlah besar pada terminal kolektor. Prinsip inilah yang mendasari penggunaan transistor sebagai penguat elektronik. Rasio antara arus pada koletor dengan arus pada basis biasanya dilambangkan dengan β atau hFE. β biasanya berkisar sekitar 100 untuk transistor-transisor BJT. 2. FET

P-Channel

N-Channel

Gambar 2.44 Lambang Channel FET, Kiri: P-Channel, Kanan: N-Channel FET dibagi menjadi dua keluarga: Junction FET (JFET) dan Insulated Gate FET (IGFET) atau juga dikenal sebagai Metal Oxide Silicon (atau Semiconductor) FET (MOSFET). Berbeda dengan IGFET, terminal gate dalam JFET membentuk sebuah dioda dengan kanal (materi semikonduktor antara Source dan Drain). Secara fungsinya, ini membuat N-channel JFET menjadi sebuah versi solid-state dari tabung vakum, yang juga membentuk sebuah dioda antara grid dan katode. Dan juga, keduanya (JFET dan tabung vakum) bekerja di "depletion mode", keduanya memiliki impedansi input tinggi, dan keduanya menghantarkan arus listrik dibawah kontrol tegangan input.

 

39 

FET lebih jauh lagi dibagi menjadi tipe enhancement mode dan depletion mode. Mode menandakan polaritas dari tegangan gate dibandingkan dengan source saat FET menghantarkan listrik. Jika kita ambil N-channel FET sebagai contoh: dalam depletion mode, gate adalah negatif dibandingkan dengan source, sedangkan dalam enhancement mode, gate adalah positif. Untuk kedua mode, jika tegangan gate dibuat lebih positif, aliran arus di antara source dan drain akan meningkat. Untuk P-channel FET, polaritas-polaritas semua dibalik. Sebagian besar IGFET adalah tipe enhancement mode, dan hampir semua JFET adalah tipe depletion mode.

Gambar 2.45 Transistor yang dipandang sebagai gabungan dua dioda Pada prinsipnya, suatu transistor terdiri dari atas dua buah dioda yang disatukan. Transistor merupakan komponen elektronika dengan 3 elektrode / kaki, yakni: Basis (B), collector (C), dan Emitor(E). Tiga material yang umum digunakan sebagai bahan baku pembuat transistor adalah: Germanium (sudah jarangf digunakan), Silikon (banyak digunakan), dan Gallium. Agar transistor dapat bekerja, kepada kaki-kakinya harus diberikan tegangan, tegangan ini dinamakan bias voltage. Basis emitor diberikan forward voltage, sedangkan basis kolektor diberikan reverse voltage. Sifat transisitoradalah bahwa antara kolektor dan emitor akan ada arus (transistor akan menghantar) bila ada arus basis. Makin besar arus basis makin besar penghatarannya. Suatu arus listrik yang kecil pada basis akan menimbulkan arus yang jauh yang lebih besar diantara kolektor dan emitornya, maka dari itu transistor digunakan untuk memperkuat arus.

Gambar 2.46 rangkaian Transistor Terdapat dua jenis transistor ialah jenis NPN dan PNP. Pada transistor jenis NPN tegangan basis dan kolektornya positif terhadap emitor, sedangkan pada transistor PNP tegangan basis dankolektornya negatif terhadap tegangan emitor.

Transistor dapat dipergunakan antara lain untuk: 1. 2.

 

Sebagai penguat arus, tegangan dan daya (AC dan DC) Sebagai penyearah 40 

3. 4. 5.

Sebagai mixer Sebagai osilator Sebagai switch

Kerusakan-kerusakan yang sering terjadi pada transistor: 1. 2. 3.

Adanya pemutusan hubungan dari rangkaian elektronik. Terjadi konseleting / hubung singkat antar elektroda transistor. Terjadi kebocoran diantara elektrode-elektrode transistor.

Penyebab terjadinya kerusakan pada sebuah transistor: 1. 2. 3. 4.

Penanganan yang tidak tepat saat pemasangan pada rangkaian. Transistor terlalu panas karena suhunya melebihi batas maksimal kemempuannya. Bagi transistor dari bahan Gremanium, suhu maksimal ± 75° C sedang transistor silikon suhu maksimal mencapai ± 150° C. Kesalahan pengukuran. Pemasangan yang salah pada rangkaian.

2.5 Induktor Induktor termasuk komponen pasif karena tidak dapat menguatkan sinyal maupun mengubah suatu energy kebentuk lainnya. Seringkali Induktor disebut sebagai induktansi, lilitan, kumparan atau belitan. Pada inductor mempunyai sifat yaitu dapat menyimpan energy dalam bentuk medan magnet. Satuan dari inductor sendiri adalah Henry (H).

Gambar 2 47 Induktor

Gambar 2.48 Lambang Induktor Arus yang mengalir pada inductor akan menghasilkan fliks magnetic (φ) yang membentuk loop yang melingkupi kumparan. Jika ada N Lilitan, maka total fluks adalah : λ = LI v=

=L

Dari karakteristik v-I, dapat diturunkan sifat penyimpan energy pada inductor

 

41 

Misal: pada saat t = 0 maka I = 0 Pada saat t = t maka I = I Merupakan energy yang disimpan pada inductor L dalam bentuk medan magnet. Jika inductor dipasang arus konstan / DC, maka tegangan sama dengan nol. Sehingga inductor bertindak sebagai rangkaian hubungan singkat (short circuit). Tetapi bagi arus AC inductor bersifat menghambat. 2.6 Integrated Circuit Sirkuit terpadu (bahasa Inggris: integrated circuit atau IC) adalah komponen dasar yang terdiri dari resistor, transistor dan lain-lain. IC adalah komponen yang dipakai sebagai otak peralatan elektronika. Pada komputer, IC yang dipakai adalah mikroprosesor. Dalam sebuah mikroprosesor Intel Pentium 4 dengan ferkuensi 1,8 trilyun getaran per detik terdapat 16 juta transistor, belum termasuk komponen lain. Fabrikasi yang dipakai oleh mikroprosesor adalah 60nm. 2.6.1Pengertian dasar Kita dapat mendifinisikan rangkaian terintegrasi (integrated circuit - IC) sebagai “komponen atau elemen mandiri di atas permukaan yang kontinu membentuk rangkaian yang terpadu”. Komponen atau elemen tersebut dapat berupa diode, transistor, resistor, kapasitor dan lain-lainya terdifinisi di atas wafer silikon atau bahan semikonduktor yang lain. Setelah melalui proses pabrikasi yang kompleks akhirnya IC digunakan dalam rangkaian dalam bentuk yang terbungkus rapi dan mudah untuk digunakan.

Gambar 2.49 Integrated Circuit 2.6.2 IC Monolitik dan IC Hybrid Rangkaian terintegrasi termasuk kelompok “monolitik” jika semua komponen atau elemen (diode, transistor, resistor, kapasitor dan seterusnya) terbuat dan terdifinisi dalam satu permukaan keping semikonduktor yang disebut sebagai “chip”. Pada IC monolitik semua komponen tersebut dibuat dalam waktu yang bersamaan termasuk interkoneksi antar komponen.

 

42 

Gambar 2.50 Skema Rangkaian IC Kiri: Monolitik, Kanan: Hybrid

 

43 

Bentuk lain adalah IC hybrid dimana komponen-komponen dibuat di atas substrat keramik, dihubungkan satu-dengan lainnya dengan kawat halus membentuk rangkaian. 2.6.3 Komponen pada Rangkaian Terintegrasi Piranti elektronika merupakan rangkaian elemen aktif seperti transistor dikombinasikan dengan komponen lain seperti resistor, kapasitor dan induktor. Secara praktis masing-masing komponen dapat diproduksi secara terpisah (diskrit) kemudian dirangkaikan dengan menghubungkannya dengan kawat logam. Konsep dasar ini tetap digunakan dalam sistem elektronika-mikro seperti telah direalisasi dalam bentuk IC. Perbedaannya adalah bahwa semua komponen dan interkoneksi antar komponen dibuat dalan satu permukaan substrat. Termasuk elemen pasif dalam elektronika adalah resistor, kapasitor dan induktor. Masing-masing komponen memiliki kemampuan sesuai dengan fungsinya yang masing-masing diukur sebagai resintansi, kapasitansi dan induktansi. Resistansi : menunjukkan besarnya energi yang terdesipasi oleh elektron saat mereka bergerak melalui struktur atom konduktor. Dalam bentuk diskrit resistor terbuat dari karbon atau bahan lain yang bukan penghantar yang baik. Dalam elektronik-mikro resistor merupakan lapisan tipis suatu tipe semikonduktor dikelilingi oleh semikonduktor tipe lain. Kapasitansi

: merupakan ukuran energi yang tersimpan dalam medan listrik yang mengelilingi muatan konduktor. Kapasitor diskrit terbuat dari dua keping konduktor yang dipisahkan oleh bahan isolator. Pada elektronika-mikro kapasitor dibuat pada permukaan kristal semikonduktor dilapisi isolator tipis kemudian di atasnya dibuat lapisan logam.

Induktansi

: merupakan ukuran energi yang disimpan dalam medan magnet yang dikontrol oleh arus listrik. Induktor diskrit dibuat dari kumparan kawat dan di dalamnya kadang-kadang diisi dengan bahan feromagnetik. Belum ada induktor yang baik pada elektronika-mikro.

Skema komponen pasif diskrit dan pada elektronika-mikro disertai dengan simbul dan isyarat arus sebagai respon dari tegangan yang diberikan. 2.6

Transformator

Transformator atau transformer atau trafo adalah komponen elektromagnet yang dapat mengubah taraf suatu tegangan AC ke taraf yang lain.

Gambar 2.51 Transformator step-down

 

44 

Gambar 2.52 Adaptor AC-DC merupakan piranti yang menggunakan transformator step-down 2.6.1

Prinsip kerja Transformator bekerja berdasarkan prinsip induksi elektromagnetik. Tegangan masukan bolak-balik yang membentangi primer menimbulkan fluks magnet yang idealnya semua bersambung dengan lilitan sekunder. Fluks bolak-balik ini menginduksikan GGL dalam lilitan sekunder. Jika efisiensi sempurna, semua daya pada lilitan primer akan dilimpahkan ke lilitan sekunder. 2.6.2

Hubungan Primer-Sekunder

Gambar 2.53 Rangkaian Transformator Rumus untuk fluks magnet yang ditimbulkan lilitan primer :

Rumus untuk GGL induksi yang terjadi di lilitan sekunder :

. Karena

kedua

kumparan

dimana

dihubungkan

dengan

dengan

menyusun

fluks

ulang

yang

persamaan

sama,

akan

maka

didapat

sedemikian hingga . Dengan kata lain, hubungan antara tegangan primer dengan tegangan sekunder ditentukan oleh perbandingan jumlah lilitan primer dengan lilitan sekunder.

 

45 

Gambara 2.54 Fluks pada transformator

2.6.3

Kerugian dalam transformator Perhitungan diatas hanya berlaku apabila kopling primer-sekunder sempurna dan tidak ada kerugian, tetapi dalam praktek terjadi beberapa kerugian yaitu: dalam lilitan tembaga yang disebabkan oleh resistansi 1. kerugian tembaga. Kerugian tembaga dan arus listrik yang mengalirinya. 2. Kerugian kopling. Kerugian yang terjadi karena kopling primer-sekunder tidak sempurna, sehingga tidak semua fluks magnet yang diinduksikan primer memotong lilitan sekunder. Kerugian ini dapat dikurangi dengan menggulung lilitan secara berlapis-lapis antara primer dan sekunder. 3. Kerugian kapasitas liar. Kerugian yang disebabkan oleh kapasitas liar yang terdapat pada lilitan-lilitan transformator. Kerugian ini sangat memengaruhi efisiensi transformator untuk frekuensi tinggi. Kerugian ini dapat dikurangi dengan menggulung lilitan primer dan sekunder secara semi-acak (bank winding) 4. Kerugian histeresis. Kerugian yang terjadi ketika arus primer AC berbalik arah. Disebabkan karena inti transformator tidak dapat mengubah arah fluks magnetnya dengan seketika. Kerugian ini dapat dikurangi dengan menggunakan material inti reluktansi rendah. 5. Kerugian efek kulit. Sebagaimana konduktor lain yang dialiri arus bolak-balik, arus cenderung untuk mengalir pada permukaan konduktor. Hal ini memperbesar kerugian kapasitas dan juga menambah resistansi relatif lilitan. Kerugian ini dapat dikurang dengan menggunakan kawat Litz, yaitu kawat yang terdiri dari beberapa kawat kecil yang saling terisolasi. Untuk frekuensi radio digunakan kawat geronggong atau lembaran tipis tembaga sebagai ganti kawat biasa. 6. Kerugian arus eddy (arus olak). Kerugian yang disebabkan oleh GGL masukan yang menimbulkan arus dalam inti magnet yang melawan perubahan fluks magnet yang membangkitkan GGL. Karena adanya fluks magnet yang berubah-ubah, terjadi olakan fluks magnet pada material inti. Kerugian ini berkurang kalau digunakan inti berlapislapisan. 2.6.4

Efisiensi Efisiensi transformator dapat diketahui dengan rumus

Karena adanya kerugian pada transformato, maka efisiensi transformator tidak dapat mencapai 100%. Untuk transformator daya frekuensi rendah, efisiensi bisa mencapai 98%.

 

46 

2.6.5

Jenis-jenis transformator

2.6.5.1 Step-Up Transformator step-up adalah transformator yang memiliki lilitan sekunder lebih banyak daripada lilitan primer, sehingga berfungsi sebagai penaik tegangan. Transformator ini biasa ditemui pada pembangkit tenaga listrik sebagai penaik tegangan yang dihasilkan generator menjadi tegangan tinggi yang digunakan dalam transmisi jarak jauh.

Gambar 2.55 Rangkaian Transformator Step-Up 2.6.5.2 Step-Down Transformator step-down memiliki lilitan sekunder lebih sedikit daripada lilitan primer, sehingga berfungsi sebagai penurun tegangan. Transformator jenis ini sangat mudah ditemui, terutama dalam adaptor AC-DC.

Gambar 2.56 Rangkaian Transformator Step-Down 2.6.5.3 Autotransformator Transformator jenis ini hanya terdiri dari satu lilitan yang berlanjut secara listrik, dengan sadapan tengah. Dalam transformator ini, sebagian lilitan primer juga merupakan lilitan sekunder. Fasa arus dalam lilitan sekunder selalu berlawanan dengan arus primer, sehingga untuk tarif daya yang sama lilitan sekunder bisa dibuat dengan kawat yang lebih tipis dibandingkan transformator biasa. Keuntungan dari autotransformator adalah ukuran fisiknya yang kecil dan kerugian yang lebih rendah daripada jenis dua lilitan. Tetapi transformator jenis ini tidak dapat memberikan isolasi secara listrik antara lilitan primer dengan lilitan sekunder. Selain itu, autotransformator tidak dapat digunakan sebagai penaik tegangan lebih dari beberapa kali lipat (biasanya tidak lebih dari 1,5 kali).

Gambar 2.57 Rangkaian Autotransformator

 

47 

2.6.5.4 Autotransformator variabel Autotransformator variabel sebenarnya adalah autotransformator biasa yang sadapan tengahnya bisa diubah-ubah, memberikan perbandingan lilitan primer-sekunder yang berubah-ubah.

Gambar 2.58 Autotransformator variabel 2.6.5.5 Transformator isolasi Transformator isolasi memiliki lilitan sekunder yang berjumlah sama dengan lilitan primer, sehingga tegangan sekunder sama dengan tegangan primer. Tetapi pada beberapa desain, gulungan sekunder dibuat sedikit lebih banyak untuk mengkompensasi kerugian. Transformator seperti ini berfungsi sebagai isolasi antara dua kalang. Untuk penerapan audio, transformator jenis ini telah banyak digantikan oleh kopling kapasitor. 2.6.5.6 Transformator pulsa Transformator pulsa adalah transformator yang didesain khusus untuk memberikan keluaran gelombang pulsa. Transformator jenis ini menggunakan material inti yang cepat jenuh sehingga setelah arus primer mencapai titik tertentu, fluks magnet berhenti berubah. Karena GGL induksi pada lilitan sekunder hanya terbentuk jika terjadi perubahan fluks magnet, transformator hanya memberikan keluaran saat inti tidak jenuh, yaitu saat arus pada lilitan primer berbalik arah. 2.6.5.7 Transformator tiga fasa Transformator tiga fasa sebenarnya adalah tiga transformator yang dihubungkan secara khusus satu sama lain. Lilitan primer biasanya dihubungkan secara bintang (Y) dan lilitan sekunder dihubungkan secara delta (Δ).

 

48 

BAB 3 PEMROSESAN SINYAL 3.1 Pemrosesan Sinyal Dalam dunia elektronika, dikenal dua macam sinyal yaitu sinyal analog dan sinyal digital. Secara umum, sinyal didefinisikan sebagai suatu besaran fisis yang merupakan fungsi waktu, ruangan atau beberapa variabel. Sinyal adalah awalnya dalam bentuk analog tegangan atau arus listrik, misalnya yang dihasilkan oleh mikrofon atau beberapa jenis transduser. Dalam beberapa situasi, seperti output dari sistem pembacaan CD (compact disc) player, data yang sudah dalam bentuk digital. Sinyal analog harus dikonversi ke dalam bentuk digital sebelum teknik DSP (Digital Signal Processing) dapat diterapkan.Tegangan listrik analog sinyal, misalnya, dapat didigitalkan menggunakan sirkuit elektronik yang disebut analog-ke-digital converter atau ADC (Analog Digital Converter). Ini menghasilkan keluaran digital sebagai aliran bilangan biner nilai-nilai yang mewakili tegangan listrik ke perangkat input pada setiap sampling instan. Sinyal umumnya harus diproses dalam berbagai cara. Sebagai contoh, sinyal output dari sebuah transduser mungkin terkontaminasi dengan listrik yang tidak diinginkan “noise”. Elektroda menempel pada dada pasien ketika EKG diambil mengukur perubahan tegangan listrik kecil karena aktivitas jantung dan otot-otot lain. Sinyal sering sangat dipengaruhi oleh “induk pickup” karena gangguan listrik dari suplai utama. Pengolahan sinyal menggunakan rangkaian penyaring dapat menghapus atau setidaknya mengurangi bagian yang tidak diinginkan dari sinyal. Semakin dewasa ini, yang menyaring sinyal untuk meningkatkan kualitas sinyal atau untuk mengekstrak informasi penting yang dilakukan oleh DSP teknik bukan oleh analog elektronik. Sinyal diproses sehingga mengandung informasi yang mereka dapat ditampilkan, dianalisis, atau dikonversikan ke sinyal jenis lain yang mungkin digunakan. Dalam dunia nyata, produk mendeteksi sinyal analog seperti suara, cahaya, suhu atau tekanan dan memanipulasi mereka. Seperti konverter analog-ke-digital converter kemudian mengambil dunia nyata sinyal dan mengubahnya menjadi format digital 1′s and 0′s. Dari sini, para DSP mengambil alih oleh menangkap informasi digital dan memprosesnya. Kemudian memberi makan informasi digital kembali untuk digunakan di dunia nyata. Hal ini dalam salah satu dari dua cara, baik digital atau dalam format analog dengan pergi melalui Digital-to-Analog converter. Semua ini terjadi pada kecepatan yang sangat tinggi. 1. Sinyal waktu kontinyu (continous-time signal) 2. Sinyal waktu diskrit (discrete-time signal) Pada sinyal kontinyu, variable independent (yang berdiri sendiri) terjadi terus-menerus dan kemudian sinyal dinyatakan sebagai sebuah kesatuan nilai dari variable independent. Sebaliknya, sinyal diskrit hanya menyatakan waktu diskrit dan mengakibatkan variabel independent hanya merupakan himpunan nilai diskrit. Fungsi sinyal dinyatakan sebagai x dengan untuk menyertakan variable dalam tanda (.). Untuk membedakan antara sinyal waktu kontinyu dengan sinyak waktu diskrit kita menggunakan symbol t untuk menyatakan variable kontinyu dan symbol n untuk menyatakan variable diskrit. Sebagai contoh sinyal waktu kontinyu dinyatakan dengan fungsi x(t) dan sinyal waktu diskrit dinyatakan dengan fungsi x(n). Sinyal waktu diskrit hanya menyatakan nilai integral dari variable independent.

 

49 

3.2 Sinyal digital Proses pengolahan sinyal digital, diawali dengan proses pencuplikan sinyal masukan yang berupa sinyal kontinyu. Proses ini mengubah representasi sinyal yang tadinya berupa sinyal kontinyu menjadi sinyal diskrete. Proses ini dilakukan oleh suatu unit ADC (Analog to Digital Converter). Unit ADC ini terdiri dari sebuah bagian Sample/Hold dan sebuah bagian quantiser. Unit sample/hold merupakan bagian yang melakukan pencuplikan orde ke-0, yang berarti nilai masukan selama kurun waktu T dianggap memiliki nilai yang sama. Pencuplikan dilakukan setiap satu satuan waktu yang lazim disebut sebagai waktu cuplik (sampling time). Bagian quantiser akan merubah menjadi beberapa level nilai, pembagian level nilai ini bisa secara uniform ataupun secara non-uniform misal pada Gaussian quantiser. Unjuk kerja dari suatu ADC bergantung pada beberapa parameter, parameter utama yang menjadi pertimbangan adalah sebagai berikut : • • • •

Kecepatan maksimum dari waktu cuplik. Kecepatan ADC melakukan konversi. Resolusi dari quantiser, misal 8 bit akan mengubah menjadi 256 tingkatan nilai. Metoda kuantisasi akan mempengaruhi terhadap kekebalan noise.

Gambar 3.2.1 Proses sampling Sinyal input asli yang tadinya berupa sinyal kontinyu, x(T) akan dicuplik dan diquantise sehingga berubah menjadi sinyal diskrete x(kT). Dalam representasi yang baru inilah sinyal diolah. Keuntungan dari metoda ini adalah pengolahan menjadi mudah dan dapat memanfaatkan program sebagai pengolahnya. Dalam proses sampling ini diasumsikan kita menggunakan waktu cuplik yang sama dan konstan, yaitu Ts. Parameter cuplik ini menentukan dari frekuensi harmonis tertinggi dari sinyal yang masih dapat ditangkap oleh proses cuplik ini. Frekuensi sampling minimal adalah 2 kali dari frekuensi harmonis dari sinyal. Untuk mengurangi kesalahan cuplik maka lazimnya digunakan filter anti-aliasing sebelum dilakukan proses pencuplikan. Filter ini digunakan untuk meyakinkan bahwa komponen sinyal yang dicuplik adalah benar-benar yang kurang dari batas tersebut. Sebagai ilustrasi, proses pencuplikan suatu sinyal digambarkan pada gambar berikut ini.

Gambar 3.2.2 Pengubahan dari sinyal kontinyu ke sinyal diskret Setelah sinyal diubah representasinya menjadi deretan data diskrete, selanjutnya data ini dapat diolah oleh prosesor menggunakan suatu algoritma pemrosesan yang diimplementasikan dalam program. Hasil dari pemrosesan akan dilewatkan ke suatu DAC (Digital to Analog Converter) dan LPF (Low Pass Filter) untuk dapat diubah menjadi sinyal

 

50 

kontinyu kembali. Secara garis besar, blok diagram dari suatu pengolahan sinyal digital adalah sebagai berikut :

Gambar 3.2.3 Blok Diagram Sistem Pengolahan Sinyal Digital Proses pengolahan sinyal digital dapat dilakukan oleh prosesor general seperti halnya yang lazim digunakan di personal komputer, misal processor 80386, 68030, ataupun oleh prosesor RISC seperti 80860. Untuk kebutuhan pemrosesan real time, dibutuhkan prosesor yang khusus dirancang untuk tujuan tersebut, misal ADSP2100, DSP56001, TMS320C25, atau untuk kebutuhan proses yang cepat dapat digunakan paralel chip TMS320C40. Chip-chip DSP ini memiliki arsitektur khusus yang lazim dikenal dengan arsitektur Harvard, yang memisahkan antara jalur data dan jalur kode. Arsitektur ini memberikan keuntungan yaitu adanya kemampuan untuk mengolah perhitungan matematis dengan cepat, misal dalam satu siklus dapat melakukan suatu perkalian matrix. Untuk chip-chip DSP, instruksi yang digunakan berbeda pula. Lazimnya mereka memiliki suatu instruksi yang sangat membantu dalam perhitungan matrix, yaitu perkalian dan penjumlahan dilakukan dalam siklus (bandingkan dengan 80386, proses penjumlahan saja dilakukan lebih dari 1 siklus mesin). Sinyal digital merupakan hasil teknologi yang dapat mengubah signal menjadi kombinasi urutan bilangan 0 dan 1 (juga dengan biner), sehingga tidak mudah terpengaruh oleh derau, proses informasinya pun mudah, cepat dan akurat, tetapi transmisi dengan sinyal digital hanya mencapai jarak jangkau pengiriman data yang relatif dekat. Biasanya sinyal ini juga dikenal dengan sinyal diskret. Sinyal yang mempunyai dua keadaan ini biasa disebut dengan bit. Bit merupakan istilah khas pada sinyal digital. Sebuah bit dapat berupa nol (0) atau satu (1). Kemungkinan nilai untuk sebuah bit adalah 2 buah (2^1). Kemungkinan nilai untuk 2 bit adalah sebanyak 4 (2^2), berupa 00, 01, 10, dan 11. Secara umum, jumlah kemungkinan nilai yang terbentuk oleh kombinasi n bit adalah sebesar 2^n buah. System digital merupakan bentuk sampling dari sytem analog. digital pada dasarnya di code-kan dalam bentuk biner (atau Hexa). besarnya nilai suatu system digital dibatasi oleh lebarnya / jumlah bit (bandwidth). jumlah bit juga sangat mempengaruhi nilai akurasi system digital.

Signal digital ini memiliki berbagai keistimewaan yang unik yang tidak dapat ditemukan pada teknologi analog yaitu :

 

•

Mampu mengirimkan informasi dengan kecepatan cahaya yang dapat membuat informasi dapat dikirim dengan kecepatan tinggi.

•

Penggunaan yang berulang – ulang terhadap informasi tidak mempengaruhi kualitas dan kuantitas informsi itu sendiri.

•

Informasi dapat dengan mudah diproses dan dimodifikasi ke dalam berbagai bentuk.

•

Dapat memproses informasi dalam jumlah yang sangat besar dan mengirimnya secara interaktif.

51 

Gambar 3.2.4 Proses Konversi Sinyal Analog Menjadi Sinyal Digital 3.2.1 Prinsip kerja ADC : 1. Sinyal Analog yang telah difilter (membuang frekuensi tinggi dari source signal dengan menggunakan Band Limiting Filter). 2. Mengambil sample pada interval waktu tertentu (sampling) sehingga dihasilkan sinyal waktu diskrit. 3. Menyimpang amplitudo sample dan mengubahnya kedalam bentuk diskrit (kuantisasi) 4. Merubah bentuk menjadi nilai biner (sinyal digital).

Gambar 3.2.5 Bentuk sinyal pada proses konversi sinyal Analog ke Digital Pengolahan sinyal digital memerlukan komponen-komponen digital, register, counter, decoder, mikroprosessor, mikrokontroler dan sebagainya. Saat ini pengolahan sinyal banyak dilakukan secara digital, karena kelebihannya antara lain : 1. 2. 3. 4.

Kualitas suara lebih jernih, selain lebih jelas signal digital memiliki sedikit kesalahan Kecepatan lebih tinggi Lebih sedikit kesalahan untuk menyimpan hasil pengolahan, sinyal digital lebih mudah dibandingkan sinyal analog. Untuk menyimpan sinyal digital dapat menggunakan media digital seperti CD, DVD, Flash Disk, Hardisk. Sedangkan media penyimpanan sinyal analog adalah pita tape magnetik. 5. lebih kebal terhadap noise karena bekerja pada level ‘0′ dan ‘1′. 6. lebih kebal terhadap perubahan temperatur. 7. lebih mudah pemrosesannya.

Sinyal digital inilah yang bisa dibaca oleh perangkat digital kita (mikrokontroler,komputer). Agar sinyal analog dapat diolah oleh komputer, maka harus dirubah dulu menjadi sinyal digital.

 

52 

3.2.2 Pemrosesan sinyal digital Pemrosesan sinyal digital (DSP) berkaitan dengan representasi sinyal dengan urutan angka atau simbol dan pengolahan sinyal ini. . Pemrosesan sinyal digital dan sinyal analog pengolahan adalah sub bidang dari pemrosesan sinyal. DSP meliputi subbidang seperti: audio dan pengolahan ujaran, sonar dan radar pengolahan sinyal, pengolahan array sensor, estimasi spektral, statistik pemrosesan sinyal, pengolahan gambar digital, pemrosesan sinyal untuk komunikasi, biomedis pemrosesan sinyal, pengolahan data seismik, dll Karena tujuan DSP biasanya untuk mengukur atau menyaring dunia real yang kontinu, sinyal analog, langkah pertama biasanya untuk mengubah sinyal dari analog ke bentuk digital, dengan menggunakan analog-ke-digital converter (ADC). Sering kali, sinyal keluaran yang diperlukan adalah sinyal keluaran analog lain, yang memerlukan digital-to-analog converter (DAC). Bahkan jika proses ini lebih kompleks daripada analog pengolahan dan memiliki rentang nilai diskrit, stabilitas pemrosesan sinyal digital berkat deteksi dan koreksi kesalahan dan menjadi lebih rentan terhadap kebisingan menjadikannya menguntungkan atas pemrosesan sinyal analog bagi banyak orang, walaupun tidak semua, aplikasi. DSP algoritma telah lama dijalankan pada komputer standar, pada prosesor khusus yang disebut prosesor sinyal digital, atau tujuan-dibangun pada perangkat keras seperti aplikasi-spesifik sirkuit terpadu (Asics). ini ada tambahan teknologi yang digunakan untuk pemrosesan sinyal digital termasuk lebih kuat tujuan umum mikroprosesor, lapangan gerbang programmable array (FPGAs), sinyal digital controller (sebagian besar untuk aplikasi industri, seperti kontrol motor), dan stream prosesor. 3.2.3 KELEBIHAN PEMROSESAN SINYAL DIGITAL Ada beberapa alasan mengapa digunakan pemrosesan sinyal digital pada suatu sinyal analog. Pertama, suatu sistem digital terprogram memiliki fleksibilitas dalam merancang-ulang operasi-operasi pemrosesan sinyal digital hanya dengan melakukan perubahan pada program yang bersangkutan, sedangkan proses merancang-ulang pada sistem analog biasanya melibatkan rancang-ulang perangkat keras, uji coba dan verifikasi agar dapat bekerja seperti yang diharapkan. Masalah ketelitian atau akurasi juga memainkan peranan yang penting dalam menentukan bentuk dari pengolah sinyal. Pemrosesan sinyal digital menawarkan pengendalian akurasi yang lebih baik. Faktor toleransi yang terdapat pada komponen-komponen rangkaian analog menimbulkan kesulitan bagi perancang dalam melakukan pengendalian akurasi pada sistem pemrosesan sinyal analog. Di lain pihak, sistem digital menawarkan pengendalian akurasi yang lebih baik. Beberapa persyaratan yang dibutuhkan, antara lain penentuan akurasi pada konverter A/D (analog ke digital) serta pengolah sinyal digital, dalam bentuk panjang word (word length), floating-point versus fixed-point arithmetic dan faktor-faktor lain. Sinyal-sinyal digital dapat disimpan pada media magnetik (berupa tape atau disk) tanpa mengalami pelemahan atau distorsi data sinyal yang bersangkutan. Dengan demikian sinyal tersebut dapat dipindah pindahkan serta diproses secara offline di laboratorium. Metode-metode pemrosesan sinyal digital juga membolehkan implementasi algoritma-algoritma pemrosesan sinyal yang lebih canggih. Umumnya sinyal dalam bentuk analog sulit untuk diproses secara matematik dengan akurasi yang tinggi. Implementasi digital sistem pemrosesan sinyal lebih murah dibandingkan secara analog. Hal ini disebabkan karena perangkat keras digital lebih murah, atau mungkin karena implementasi digital memiliki fleksibilitas untuk dimodifikasi.

 

53 

Kelebihan-kelebihan pemrosesan sinyal digital yang telah disebutkan sebelumnya menyebabkan pemrosesan sinyal digital lebih banyak digunakan dalam berbagai aplikasi. Misalnya, aplikasi pengolahan suara pada kanal telepon, pemrosesan citra serta transmisinya, dalam bidang seismologi dan geofisika, eksplorasi minyak, deteksi ledakan nuklir, pemrosesan sinyal yang diterima dari luar angkasa, dan lain sebagainya. Namun implementasi digital tersebut memiliki keterbatasan, dalam hal kecepatan konversi A/D dan pengolah sinyal digital yang bersangkutan. 3.3 Sinyal Analog Sinyal analog adalah sinyal data dalam bentuk gelombang yang yang kontinyu, yang membawa informasi dengan mengubah karakteristik gelombang. Sinyal analog bekerja dengan mentransmisikan suara dan gambar dalam bentuk gelombang kontinu (continous varying). Dua parameter/karakteristik terpenting yang dimiliki oleh isyarat analog adalah amplitude dan frekuensi. Isyarat analog biasanya dinyatakan dengan gelombang sinus, mengingat gelombang sinus merupakan dasar untuk semua bentuk isyarat analog. Hal ini didasarkan kenyataan bahwa berdasarkan analisis fourier, suatu sinyal analog dapat diperoleh dari perpaduan sejumlah gelombang sinus. Dengan menggunakan sinyal analog, maka jangkauan transmisi data dapat mencapai jarak yang jauh, tetapi sinyal ini mudah terpengaruh oleh noise. Gelombang pada sinyal analog yang umumnya berbentuk gelombang sinus memiliki tiga variable dasar, yaitu: • • •

Amplitudo merupakan ukuran tinggi rendahnya tegangan dari sinyal analog. Frekuensi adalah jumlah gelombang sinyal analog dalam satuan detik. Phase adalah besar sudut dari sinyal analog pada saat tertentu.

Salah satu contoh sinyal analog yang paling mudah adalah suara. Contoh Sinyal Analog yang lainnyklll seperti : Sinyal Elektrik yang dihasilkan oleh peralatan elektrik non-digital sinyal suara pada radio konvensional, sinyal gambar (foto) pada kamera konvensional, sinyal video pada televisi konvensional:

Gambar 3.3.1 Proses Sinyal Suara yang diubah Menjadi Sinyal Digital Penjelasan: 1. Suara manusia berupa sinyal analog dengan amplitudo yang berubah secara kontinyu terhadap waktu ( sinyal akustik ) yang ditangkap oleh mikrofon (Mic) diubah kedalam bentuk sinyal listrik, karena fungsi dari mikrofon sendiri merupakan transduser dari sinyal akustik menjadi sinyal listrik. 2. Suara yang telah dirubah menjadi sinyal listrik dari mikrofon selanjutnya diproses dengan mengubah ampilitudo gelombang suara/bunyi kedalam waktu interval tertentu (sampling) sehingga menghasilkan representasi digital dari suara, yang dikenal dengan proses Analog To Digital Conversion (ADC). Pengolahan sinyal analog memanfaatkan komponen-komponen analog seperti dioda, transistor, Op-Amp, dan lainnya.

 

54 

3.3.1. Kerugian pada sinyal sistem analog Pengiriman signal analog dapat dianalogikan mengirim air lewat pipa. Aliran pipa kehilangan tenaganya saat disalurkan melalui sebuah pipa. Semakin jauh pipa semakin banyak tenaga yang berkurang dan aliran semakin menjadi lemah. Demikian pula signal analog akan menjadi lemah setelah melewati jarak yang jauh. elain bertambah jauh signal analog juga memungut interferensi elektrik atau “noise” dari dalam alur. Kabel listrik, petir dan mesinmesin listrik semua menginjeksikan noise dalam bentuk elektrik pada signal analog. Untuk mengatasi kelemahan tersebut maka diperlukan alat penguat signal yang disebut amplifier. 3.4 Matlab PID Controller PID Controller merupakan salah satu jenis pengatur yang banyak digunakan. Selain itu sistem ini mudah digabungkan dengan metoda pengaturan yang lain seperti Fuzzy dan Robust. Sehingga akan menjadi suatu sistem pengatur yang semakin baik Tulisan ini dibatasi pada sistem dengan Unity Feedback System, yang gambarnya sebagai berikut

C o

+ 

Plant

Gambar 3.4.1 Blok diagram untuk Unity Feedback System PID Controller memiliki transfer function sebagai sebagai berikut :

K D s 2 + K P s +K I H ( s) = 3 s + K D s 2 + K P s +K I

(1)

PID Controller sebenarnya terdiri dari 3 jenis cara pengaturan yang saling dikombinasikan, yaitu P (Proportional) Controller, D (Derivative) Controller, dan I (Integral) Controller. Masing-masing memiliki parameter tertentu yang harus diset untuk dapat beroperasi dengan baik, yang disebut sebagai konstanta. Setiap jenis, memiliki kelebihan dan kekurangan masing-masing, hal ini dapat dilihat pada tabel di bawah ini : Tabel 3.4.2 Respon PID Controller Terhadap Perubahan Konstanta[1] Closed-Loop Response

Rise Time

Overshoot

Settling Time

SS Error

Kp

Decrease

Increase

Small change

Decrease

Ki

Decrease

Increase

Increase

Eliminate

Kd

Small change

Decrease

Decrease

Small change

Parameter-parameter tersebut, tidak bersifat independen, sehingga pada saat salah satu nilai konstantanya diubah, maka mungkin sistem tidak akan bereaksi seperti yang diinginkan.

 

55 

Tabel di atas hanya dipergunakan sebagai pedoman jika akan melakukan perubahan konstanta. Untuk merancang suatu PID Controller, biasanya dipergunakan metoda trial & error. Sehingga perancang harus mencoba kombinasi pengatur beserta konstantanya untuk mendapatkan hasil terbaik yang paling sederhana. Metode Konvensional Desain sebuah sistem kontrol, dimulai dengan membuat blok diagram sistem. Blok diagram (yang berisi transfer function) tersebut selanjutnya akan dianalisa dengan menggunakan aksi pengontrolan yang berbeda. Dengan perubahan sinyal input sehingga perancang dapat melihat respon sistem jika mendapat input sinyal tertentu. Kombinasi antara sinyal input dan jenis aksi pengontrolan ini akan menghasilkan respon yang berbeda-beda. Dahulu untuk melihat respon suatu sistem dengan berbagai macam kombinasi sinyal input dan aksi pengontrolan merupakan hal yang sulit dan membosankan. Adapun prosedur yang harus dilalui adalah sebagai berikut [2]: 1. Mendapatkan transfer function sistem (dalam s-domain) dengan Laplace Transform. 2. Menentukan jenis aksi pengontrolan beserta dengan konstantanya. 3. Menggabungkan transfer function yang sudah didapatkan dengan jenis aksi pengontrolan. 4. Menentukan sinyal input yang akan dimasukkan (biasanya fungsi step, fungsi ramp dan pulse) dan menggabungannya ke dalam transfer function yang baru. 5. Melakukan perhitungan invers Laplace Transform untuk mendapatkan fungsi dalam tdomain. 6. Menggambar respon berdasarkan fungsi dalam t-domain. Untuk melakukan langkah-langkah di atas diperlukan ketelitian yang tinggi dan hasil penggambarannya sering kali kurang (tidak) akurat. Selain itu, jika perancang ingin mengamati respon sistem terhadap sinyal input yang lain, maka proses-proses tersebut sebagian besar akan diulang kembali. Hal ini bertambah kompleks jika perubahan yang dilakukan tidak terbatas pada sinyal input, tetapi juga pada jenis aksi pengontrolannya. Sehingga untuk mendapatkan respon dari berbagai macam kombinasi, membutuhkan waktu yang relatif lama. Selain itu, perancang juga melakukan proses perhitungan yang rumit dan membosankan. Metode Simulasi Menggunakan Komputer

Perkembangan teori kontrol juga diikuti oleh software pendukungnya. Mulai dari software untuk pemrograman sistem, sampai dengan software untuk proses simulasinya. Salah satu software yang dapat dipergunakan untuk simulasi tersebut adalah MatLab dari Mathworks, Inc. Software ini dilengkapi dengan berbagai toolbox yang memudahkan pemakai untuk melakukan perhitungan-perhitungan tertentu. Bahkan saat ini sudah dikembangkan toolbox khusus untuk simulasi yang diberi nama Simulink. [3] Aplikasi MatLab dalam bidang pengaturan dilengkapi Control Toolbox. Toolbox ini sudah dilengkapi dengan berbagai macam fungsi pendukung yang dipergunakan dalam analisa sistem kontrol. Beberapa fungsi pendukung yang sering dipergunakan untuk menganalisa suatu sistem adalah : feedback, step, rlocus, series, dll. Untuk menganalisa suatu sistem, software hanya memerlukan masukan berupa transfer function yang ditulis dalam Laplace Transform (dalam s-domain) atau matriks. Untuk selanjutnya, pemakai tinggal memilih analisa yang akan dipergunakan. Tulisan ini akan membahas penggunaannya secara khusus untuk merancang PID Controller pada suatu sistem.

 

56 

Sebagai contoh, suatu sistem kontrol memiliki transfer function sebagai berikut :

H (s) =

1 s + 10 s + 20 2

(2)

Dengan kriteria perancangan sebagai berikut : 1. memiliki rise time yang cepat 2. overshoot sekecil mungkin 3. tidak memiliki steady state error. Dari fungsi di atas, maka parameter-parameter yang dimasukkan berupa koefisien pembilang dan penyebutnya. Biasanya dipergunakan variabel num untuk pembilang dan den untuk penyebut. Kedua nama variabel tersebut tidak mutlak, jadi penggunaan nama variabel yang lain juga diperbolehkan. Setelah itu komputer sudah siap untuk menganalisa sistem kontrol. Langkah kedua yang perlu dilakukan adalah memilih jenis input yang akan dimasukkan ke dalam sistem. Input ini bisa berupa step, pulse, ramp, sinus, dan sebagainya. Sebagai dasar analisa akan diperlunakan fungsi step. Sedang penggunaan jenis input yang lain akan dibicarakan pada bagian akhir tulisan ini. Fungsi dasar yang akan sering dipergunakan adalah step, dengan syntax : step(num,den,t) untuk s-domain atau step(A,B,C,D) untuk state space. Fungsi ini menghasilkan gambar respon sistem bila diberi input unit step dalam t-domain. num = [1]; den = [1 10 20]; step(num,den) title(‘Open Loop Response’) Respon sistem terbuka (open loop response) dapat dilihat pada gambar di bawah ini : Gambar 3.4.3 Respon Sistem Dengan Unit Step Input Sistem di atas memiliki steady state error yang tinggi, yaitu 0,95. Sebab respon tertinggi

hanya didapatkan pada amplitudo 0,05. Selain itu, sistem tersebut memiliki rise time yang cukup besar (sekitar 1,5 detik). Hal tersebut jelas tidak menguntungkan. Untuk menghasilkan sistem kontrol yang baik, diperlukan sistem yang tertutup (close loop system). Sistem ini memiliki feedback, yang akan membandingkan kondisi sesungguhnya dengan seting poin yang diberikan.

 

57 

Propotional Controller

Dari tabel 1 diketahui bahwa P Controller dapat mengurangi rise time, menambah overshoot, dan mengurangi steady state error. Closed-loop transfer function sistem di atas dengan menggunakan P Controller adalah sebagai berikut :

H (s) =

KP s + 10s + (20 + K P ) 2

(3)

Misal, diambil konstanta Kp = 300, maka :

Kp = 300; num = [Kp]; den = [1 10 20+Kp]; t = 0 : 0.01 : 2; step(num,den)title(‘Closed-Loop Step Kp = 300’) Gambar 3.4.4 Respon Sistem Tertutup Menggunakan P Controller

Penambahan variabel t=0:0.01:2 dimaksudkan untuk melihat respon sistem dari t=0 s/d t=2, dengan step 0,01 detik. Dari gambar 2 di atas, dapat dilihat bahwa penambahan P Controller mengurangi rise time dan steady state error, tetapi menambah overshoot. Namun, overshoot yang terjadi masih terlalu besar. Jika konstanta Kp diperbesar, maka overshoot yang terjadi juga semakin besar, settling time juga semakin besar, tetapi rise timenya menjadi kecil. Kebalikan dari keadaan itu terjadi jika konstanta Kp diperkecil. Proportional-Derivative Controller

Closed-Loop transfer function sistem di atas dengan PD Controller adalah :

 

58 

H ( s) =

KDs + KP (4) s + (10 + K D ) s + (20 + K P ) 2

Misal, Kp = 300 dan Kd = 10, maka : Kp = 300; Kd = 10; num = [Kd Kp]; den = [1 10+Kd 20+Kp]; t = 0 : 0.01 : 2; step(num,den) title(‘Closed-Loop Step Kp=300 Kd=10’) Respon sistem tergambar seperti di bawah ini: Gambar 3.4.5 Respon Sistem Tertutup Menggunakan PD Controller

Berdasarkan gambar di atas, penggunaan PD Controller dapat mengurangi overshoot dan settling time, tetapi tidak memberikan dampat apa pun terhadap steady state error. Proportional-Integral Controller

Closed-Loop transfer function sistem di atas dengan PD Controller adalah :

H (s) =

KPs + KI (5) s + 10s + (20 + K P ) s + K I 3

2

Integral Controller memiliki karakteristik menguraangi rise time, menambah overshoot dan setling time, serta menghilangkan steady state error (karakteristik ini tidak dimiliki oleh jenis yang lain). Misal, Kp = 30 dan Ki = 70, maka : Kp = 300;

 

59 

Ki = 70; num = [Kp Ki]; den = [1 10 20+Kp Ki]; t = 0 : 0.01 : 2; step(num,den) title(‘Closed-Loop Step Kp=30 Ki=70’) P dan I Controller memiliki karakteristik yang sama dalam hal rise time dan overshoot. Oleh karena itu, nilai Kp harus dikurangi untuk menghindari overshoot yang berlebihan. Nilai Ki diambil lebih besar dari Kp, karena diinginkan untuk meniadakan steady state error. Jika Kp > Ki, maka steady state errornya tidak dapat dihilangkan.

Gambar di bawah ini memperlihatkan respon sistem dengan PI Controller:

Gambar 3.4.6 Respon Sistem Tertutup Menggunakan PI Controller Dari gambar di atas terlihat bahwa rise time sistem menurun, dengan overshoot yang kecil, serta steady state errornya dapat dihilangkan. Proportional-Integral-Derivative Controller

Bagian akhir dari simulasi ini adalah PID Controller, yang memiliki transfer function untuk sistem di atas adalah :

KDs2 + KPs + KI (6) s 3 + (10 + K D ) s 2 + (20 + K P ) s + K I Kp = 350; Ki = 300; Kd = 50; num = [Kp Ki Kd]; den = [1 10+kd 20+Kp Ki];

 

60 

t = 0 : 0.01 : 2; step(num,den) title(‘Closed-Loop Step Kp=350 Ki=300 Kd=50’) Respon sistem tergambar di bawah ini

Gambar 3.4.7 Respon Sistem Tertutup Menggunakan PID Controller Dari gambar di atas terlihat bahwa kriteria sistem yang diinginkan sudah terpenuhi, yaitu tidak memiliki overshoot, rise time yang cepat, dan tidak memiliki steady state error. Nilai-nilai konstanta yang terdapat pada tulisan ini diperoleh dari percobaan (trial and error). Sehingga perancang yang berbeda akan mendapatkan nilai yang berlainan untuk memenuhi kriteria di atas. Hal itu terjadi karena perubahan pada salah satu konstanta akan berpengaruh pada konstanta yang lain. Artinya tidak akan didapatkan hasil sesuai dengan tabel 1. Tabel tersebut hanya dipergunakan sebagai pedoman. Berikut ini beberapa tips yang dapat dipergunakan untuk mendapatkan respon yang diinginkan : 1. Dapatkan respon sistem terbuka sistem (open-loop) untuk menentukan bagian mana yang harus dieprbaiki (rise time, settling time, overshoot, steady state error). 2. Tambahkan P Controller untuk memperbaiki rise time. 3. Tambahkan D Controller untuk memperbaiki overshoot. 4. Tambahkan I Controller untuk menghilangkan steady state error. 5. Kombinasikan konstanta yang ada untuk mendapatkan respon yang diinginkan. Dalam mengimplementasikan sistem kontrol, sebenarnya tidak perlu menggunakan PID Controller. Jika sistem sudah memberikan responyang cukup baik hanya dengan PI Controller, maka tidak perlu menambahkan D Controller ke dalamnya. Sehingga sistem menjadi lebih sederhana (kombinasi yang main banyak membuat sistem menjadi makin kompleks) Analisa pada contoh di atas, dilakukan dengan input unit step. Apabila diinginkan analisa dengan input yang berbeda, maka harus dilakukan modifikasi transfer function. Untuk menganalisa sistem dengan input impulse function, maka transfer function dikalikan dengan faktor s. Demikian juga untuk input ramp function, perlu dikalikan dengan faktor 1/s.

 

61 

3.5 Filter Pada rangkaian dibagian listrik sering disebut rangkaian seleksi frekuensi untuk melewatkan band frekunsi tersentu dan menahannya dari frekuensi diluar band itu. Filter dapat diklafisikasikan dengan arahan : 1. Analog atau digital 2. Pasif atau aktif 3. Audio (AF) atau radio frekuensi (RF) Filter analog dirancang untuk memproses sinyal analog, sedang filter digital memproses sinyal analog dengan menggunakan teknik digital. Filter tergantung dari tipe elemn yang digunakan pada rangkaiannya, filterakan dibedakan pada filter aktif dan filter pasif. Elemen pasif adalah tahanan, kapasitor dan induktor. Filter aktif dilengkapi dengan transistor atau opamp selain tahanan dan kapasitor. Tipe elemen ditentukan oleh pengoperasian range frekuensi kerja rangkaian . Misal RC filter umumnya digunakan untuk audio atau operasi frekuensi rendah dan filter LC atau kristal lebih sering digunakan pada frekuensi tinggi. Pertama tama pada bagian ini menganalisa dan merancang filter analog aktif RC menggunakan op-amp. Pada frekunsi audio, induktor tidak sering digunakan karenabadannya besar dan mahal serta menyerab banyak daya. Induktor juga menghasilkan medan magnit. Filter aktif mempunyai keuntungan dibandingkan filter pasif yaitu : 1. Penguatan dan frekuensinya mudah diatur, selama op-amp masih memberikan penguatan dan sinyal input tidak sekaku seperti pada filter pasif. Pada dasarnya filter aktif lebih gampang diatur. 2. Tidak ada masalah beban, karena tahanan inputtinggi dan tahanan output rendah. Filter aktif tidak membebani sumber input. ROM 3. Harga, umumnya filter aktif lebih ekonomis dari pada filter pasif, karena pemilihan variasai dari op-amp yang murah dan tanpa induktor yang biasanya harganya mahal. Filter aktif sangat handal digunakan pada komunikasi dan sinyal prosesing, tapi juga sangat baik dan sering digunakan pada rangkaian elektronika seperti radio, televisi, telepon ,radar, satelit ruang angkasa dan peralatan biomedik.Umumnya filter aktif digolongkan menjadi : 1. Low Pass Filter (LPF) 2. High Pass Filter (HPF) 3. Band Pass Filter (BPF) 4. Band Reject Filter (BPF) 5. All Pass Filter (APF) Pada masing masing filter aktif menggunakan op-amp sebagai elemen aktifnya dan tahanan, kapasitor sebagai elemen pasifnya. Biasanya dan pada umumnya IC 741 ckup baik untuk rangkaian filterv aktif, namun op-amp dengan high speed seperti LM301, LM318 dan lain lainnya dapat juga digunakan pada rangkaian filter aktif untuk mendapatkan slew rate yang cepat dan penguatan serta bandwidth bidang kerja lebih baik.Gambar output dari filter aktif seperti tampak pada gambar berikut ini, sebagai karakteristik responsi frekuensi dari 5 filter aktif. Responsi idealnya ditunjukkan dengan garis terputus putus. Low Pass Filter mempunyai penguatan tetap dari 0 Hz sampai menjelang frekuensi cut off fH. Pada fH penguatan akan turun dengan – 3dB, artinya frekuensi dari 0 Hz sampai fH dinamakan pass band frekuensi dengan batas 0,707 tegangan output. Sedang frekuensi yang diredam dibawah –3dB atau 0,707 Vo dinamakan stop band frekuensi. Perubahan naik turunnya grafik karakteristik tersebut tergantung dari kualitas komponen selain bentuk rangkaiannya.

 

62 

Pada gambar b terlihat karakteristik dari high pass filter, artinya adalah frekuensi yang rendah diredam sampai pada frekuensi cut on yang dianggap sebagai batas frekuensi rendahnya sehingga diberi nama fL. Batasan stop band adalah 0 < f fL. Untuk menghasilkan bad pass filter dan band reject filter adalah kombinasi antara LPF dan HPF. Bila HPF dirangkai serie dengan LPF maka akan mendapatkan BPF (Band Pass Filter). Sedangkan kombinasi paralel antara LPF dan HPF akan mendapatkan BRF (Band Reject Filter). Gambar rangkaian bisa dilihat dibagian BPF dan BRF untuk pembahasan lebih lanjut. Gambar ,,, menerangkan output fasa geser yang dihasilkan oleh All Pass Filter (APF). Pada rangkaian ini sebenarnya bukan termasuk filter tapi juga bisa digolongkan kefilter aktif. 3.5.1 Low Pass Filter (LPF) Low pass filter yang dibahas disini adalah model butterworth dan beberapa model lainnya antara lain adalah model buffer model inveting. Seperti tampak pada gambar ini adalah gambar Low Pass Filter Butterworth dengan perhitungan sebagai berikut :

dimana : didapat :

dan tegangan ouputnya :

Jadi persamaannya : Dimana : = penguatan filter fungsi frekuewsi = penguatan pass band dari filter f = frekuensi sinyal input

= cut off frekuensi tinggi dari filter Sudut fasa yang terjadi pada Low PassFilter ini adalah :

sehingga sudutnya adalah :

 

63 

Gambar 3.5.1 Rangkaian Low Pass Filter 20 dB

Gambar 3.5.2 Frekuensi respon dari LPF Pengoprasian dari Low Pass Filter ini ada 3 macam yaitu : 1. Pada frekuensi yang sangat rendah yaitu : f < fH,

2. Pada f = fH , F

3. Pada f > fH ,

 

64 

Jadi Low Pass Filter akan konstans darin input 0 Hz sampai cut off frequensi tinggi H f . Pada H f penguatannya menjadi 0.707 AF dan setelah melewati H f maka akan menurun sampai konstan dengan seiring penambahan frekuensi. Frekuensi naik 1 decade maka penguatan tegangan dibagi 10. Dengan kata lain, penguatan turun 20 dB (=20 log 10) setiap kenaikan frekuensi dikali 10. Jadi rate dari penguatan berulang turun 20dB/decade setelah H f terlampuai Saat in f = H f , dikatakan frekuensi cut off yang saat itu turun 3dB (=20 log 0.707) dari 0 Hz. Persamaan lain menyatakan untuk frekuensi cut off terjadi –3 dB, break frekuensi, ujung frekuensi. Contoh soal : Rancanglah LPF dengan cut off 1KHz dan penguatan passband = 2 Penyelesaian : Langkah : 1. H f = 1 KHz 2. Misal C = 0.01 m F 3. Maka R = 1/(2p )(103)(10-8)= 15.9 K (menggunakan potensio 20K ) 4. Karena Av= 2, maka R1 dan RF harus sama, maka R1 = RF = 10K 5. Gambar rangkaian adalah sebagai berikut :

Gambar 3.5.3 Rangkaian LPF hasil perhitungan 3.5.2 Low Pass Filter order kedua (-40dB) Rangkaian LPF dengan –40 dB ini memerlukan komponen pasif lebih banyak (tanahan dan kapasitor). Seperti tampak pada gambar , maka perhitungan frekuensi cut off nya adalah ditentukan oleh nilai komponen R2, R3, C2 dan C3 seperti berikut ini :

 

65 

Gambar 3.5.4 Rangkaian Low Pass Filter dengan –40 dB Pada rangkaian LPF dengan –40 dB ini persamaan penguatan tegangan absolutnya adalah:

(ketentuan Butterworth untuk order kedua) Contoh soal : Rancanglah LPF dengan order kedua (-40dB) dengan H f = 1 KHz. Gambarkan rangkaiannya Penyelesaian : Langkah langkah : 1. H f = 1 KHz 2. Misal C2 = C3 = 0.0047 mF 3.

, digunakan 33KHz

4. Menurut responsi teori Butterworth , bahwa AF = 1,586 untuk order kedua, maka nilai RF dan Ri adalah : Misal RI = 27 K , maka

sehingga RF menjadi RF = (0.586)(27K ) = 33.86 K RF dipasang potensiometer sebesar 20K . 5. Rangkaian LPF yang dimaksud adalah

 

66 

Gambar 3.5.5 Rangkaian hasil perhitungan dan tegangan output terhadap frekuensi 3.5.3 High Pass Filter 20dB Rangkaian High Pass Filter ini perbedaannya dengan Low Pass Filter hanya perpindahan tempat tahanan dan kapasitor. Perhitungan ouputnya sebagai berikut :

Dimana,

Penguatan tegangan absolut

Gambar 3.5.6 Rangkaian High Pass Filter –20 dB Grafik tegangan output terhadap frekuensi adalah :

 

67 

Gambar 3.5.7 Output High Pass Filter Vo vs frekuensi 3.5.4 High Pass Filter order kedua (-40dB) Seperti halnya pada LPF order kedua, HPF order kedua ini cirinya sama, maka persamaan yang terjadi adalah :

, Dan persamaan untuk penguatan tegangan absolut adalah :

, dengan ketentuan AF = 1.586 Gambar rangkaiannya adalah sebagai berikut :

Gambar 3.5.8 High Pass Filter order kedua (-40dB) Untuk mendapatkan order dalam filter yang lebih tinggi didapat dari serie dari order satu dengan

 

68 

order dua yang menghasilkan order ketiga. Sedangkan order dua diserie dengan order dua, maka menghasilkan filter dengan order keempat. 3.5.5 Band Pass Filter (BPF) Pada BPF ini ada 2 macam rangkaian yaitu BPF bidang lebar dan BPF bidang sempit. Untuk membedakan kedua rangkaian ini adalah dilihat dari nilai figure of merit (FOM) atau Faktor kualitas (Q). Bila Q < 10, maka digolongkan BPF bidang lebar. Bila Q > 10, maka digolongkan BPF bidang sempit. Perihtungan faktor kualitas (Q) adalah

Sedangkan 3.5.5.1 Band Pass Filter Bidang Lebar Syarat BPF bidang lebar adalah Q<10, biasanya didapat dari 2 rangkaian filter HPF dan LPF yang mereka saling di serie dengan urutan tertentu dan frekuensi cut off harus tertentu. Misalnya urutan serie adalah HPF disusul LPF, dan L f dari HPF harus lebih kecil dari H f dari LPF. Contoh rangkaian dan perhitungannya adalah seperti gambar berikut.

 

69 

Gambar 3.5.9 Rangkaian BPF bidang lebar Nilai penguatan tegangan absolutnya adalah :

3.5.5.2 Band Pass Filter bidang sempit Syarat BPF bidang sempit adalah Q > 10. Rangkaian yang digunakan bisa seperti gambar diatas tapi ada rangkaian khusus untuk BPF bidang sempit. Rangkaian khusus inipun bisa pula digunakan untuk BPF bidang lebar, tapi spesialisnya untuk bidang sempit. Rangkaian ini sering disebut multiple feedback filter karena satu rangkaian menghasilkan 2 batasan L f dan H f . Gambar rangkaian serta contoh bandwidth bidang sempit diberikan seperti berikut ini. Persamaan persamaannya pun beda dan tersendiri. Komponen pasif yang digunakan sama dengan komponen pasif dari LPF dan HPF.

Gambar 3.5.10 Rangkaian Band Pass Filter Bidang Sempit Perhitungan dari rangkain diatas adalah :

 

70 

Dipilih C 1 C2 C Hubungan nilai tahanannya adalah :

dimana nilai F A saat pada C f adalah

Perlu diingat bahwa,

dan Ada keuntungan rangkaian ini adalah bila ingin mengganti frekuensi centernya C f , maka tinggal mengganti nilai R2 saja. Nilai yang baru adalah '

3.5.6 Band Reject Filter Rangkaian Band Reject Filter ada 2 macam yaitu • BRF bidang lebar • BRF bidang sempit 3.5.6.1 Band Reject Filter Bidang Lebar BRF bidang lebar adalah terdiri dari rangkaian HPF dan LPF yang dimasukkan ke rangkaian penjumlah. Sedang BRF bidang sempit adalah terkenal dengan rangkaian Notch Filter yaitu menolak frekuensi tertentu. Contoh rangkaian Band Reject Filter bidang lebar seperti gambar berikut ini.

 

71 

Gambar 3.5.11 Rangkaian Band Reject Filter Bidang Lebar

Gambar 3.5.12 Responsi output Band Reject Filter Bidang Lebar Rumus rumus untuk LPF dan HPF serta rangkaian penjumlah berlaku untuk menentukan nilai nilai komponen atau elemen pasif yang digunakan untuk rangkaian band reject filterbidang lebar ini. 3.5.6.2 Band Reject Filter Bidang Sempit Nama band reject filter bidang sempit ini sering dikenal dengan nama Aktif Notch Filter. Rangkaian menggunakan model twin-T circuit. Biasanya rangkaian aktif Notch Filter ini digunakan pada rangkaian medika. Rumus untuk rangkaian ini adalah :

Gambar rangkaian nya adalah sebagai berikut :

 

72 

Gambar 3.5.13 Rangkaian Notch Filter 3.5.7All Pass Filter (APF) Rangkain APF ini bisa dikatakan pula bukan termasuk rangkaian filter karena tidak ada yang di filter. Rangkaian ini terkenal dengan nama delay equalizer atau phase corector, karena berhubungan dengan fungsi rangkaian dalam aplikasinya. Rangkain ini sering digunakan pada sinyal telkomunikasi untuk mencocokan fasa sinyalnya atau sengaja membuat selisih dengan aslinya, dan juga terdapat pada aplikasi yang lainnya misalnya digunakan untuk stereo buatan di audio, atau untuk penggetar suara pada gitar elektrik, dan lain lain.

Perhitungan rumusnya: Dengan menyamakan R

Gambar 3.5.14 Rangkaian All Pass Filter RF 1 tegangan outputnya diperoleh dari teori superposisi seperti :

atau dimana f adalah frekuensi input

 

73 

Sudut fasanya adalah

3.6 Op – Amp 3.6.1 Inverting Inverting amplifier ini, input dengan outputnya berlawanan polaritas. Jadi ada tanda minus pada rumus penguatannya. Penguatan inverting amplifier adalah bisa lebih kecil nilai besaran dari 1, misalnya -0.2 , -0.5 , -0.7 , dst dan selalu negatif. Rumus nya :

Gambar 3.6.1 Rangkaian inverting Amplifier 3.6.2 Non-Inverting Rangkaian non inverting ini hampir sama dengan rangkaian inverting hanya perbedaannya adalah terletak pada tegangan inputnya dari masukan noninverting. Rumusnya seperti berikut :

Hasil tegangan output noninverting ini akan lebih dari satu dan selalu positif. Rangkaian nya adalah seperti pada gambar berikut ini :

 

74 

Gambar 3.6.2 Non inverting Amplifier 3.6.3 Buffer Rangkaian buffer adalah rangkaian yang inputnya sama dengan hasil outputnya. Dalam hal ini seperti rangkaian common colektor yaitu berpenguatan = 1. Rangkaiannya seperti pada gambar berikut ini

Gambar 3.6.3 Rangkaian Buffer Nilai R yang terpasang gunanya untuk membatasi arus yang di keluarkan. Besar nilainya tergantung dari indikasi dari komponennya, biasanya tidak dipasang alias arus dimaksimalkan sesuai dengan kemampuan op-ampnya. 3.6.4 Adder/ Penjumlah Rangkaian penjumlah atau rangkaian adder adalah rangkaian penjumlah yang dasar rangkaiannya adalah rangkaian inverting amplifier dan hasil outputnya adalah dikalikan dengan penguatan seperti pada rangkaian inverting. Pada dasarnya nilai outputnya adalah jumlah dari penguatan masing masing dari inverting, seperti :

Bila Rf = Ra = Rb = Rc, maka persamaan menjadi : Vo Va Vb Vc

 

75 

Tahanan Rom gunanya adalah untuk meletak titik nol supaya tepat, terkadang tanpa Rom sudah cukup stabil. Maka rangkaian ada yang tanpa Rom juga baik hasilnya. Rangkaian penjumlah dengan menggunakan noninverting sangat suah dilakukan karena tegangan yang diparalel akan menjadi tegangan terkecil yang ada., sehingga susah terjadi proses penjumlahan.

Gambar 3.6.4 Rangkaian penjumlah dengan hasil negatif 3.6.5 Subtractor/ Pengurang Rangkaian pengurang ini berasal dari rangkaian inverting dengan memanfaatkan masukan non-inverting, sehingga persamaannya menjadi sedikit ada perubahan. Rangkaian ini bisa terdiri 2 macam yaitu : a) Rangkaian dengan 1 op-amp b) Rangkaian dengan 2 op-amp c) Rangkaian dengan 3 op-amp a. Rangkaian pengurang dengan 1 op-amp ini memanfaatkan kaki inverting dan kaki noninverting. Supaya benar benar terjadi pengurangan maka nilai dibuat seragam seperti gambar. Rumusnya adalah:

 

76 

Gambar 3.6.5 Rangkaian pengurang dengan 1 op-amp b. Rangkaian pengurang dengan 2 op-amp tidak jauh berbeda dengan satu opamp, yaitu salah satu input dikuatkan dulu kemudian dimasukkan ke rangkaian pengurang, seperti gambar dibawah ini. Perhitungan rumus yang terjadi pada titik Vz adalah :

Bila Rf=Ri maka persamaannyaakan menjadi :

 

77 

Gambar 3.6.6 Rangkaian pengurang dengan 2 op-amp. c. Rangkaian pengurang dengan 3 op-amp sangat lah beda dengan yang lainnya. Ada 3macam proses yang terjadi disini seperti pada gambar dibawah ini.

 

78 

Gambar 3.6.7 Rangkaian pengurang dengan 3 op-amp.

Gambar 3.6.8 Proses mencari persamaan dari rangkaian pengurang 3 op-amp Rangkaian penguat dengan 3 op-amp seperti pada gambar dibawah ini sangat persis seperti rangkaian penguat dengan 1 op-amp. Hal ini karena sebelum masuk dilewatkan buffer saja. Perhitungannya pun sama dengan rangkaian pengurang 1 op-amp.

 

79 

Gambar 3.6.9 Rangkaian pengurang 3 op-amp dengan buffer 3.6.7 Comparator/ Pembanding Rangkaian pembanding ini ada 3 macam yaitu : 1. Rangkaian pembanding dengan 1 op-amp tanpa jenjela input, artinya rangkaian komparator/pembanding yang langsung dibandingkan. Seperti pada gambar berikut ini adalah komparator biasa dan hasilnya langsung dibandingkan dengan referensinya. Rangkaian komparator dengan jendela input rangkaiannya hampir sama dengan rangkaian noninverting hanya saja parameternya terbalik. Seperti pada gambar berikut ini dan contoh hasil dari input dan outputnya dan perhitungannya.

Gambar 3.6.10 Rangkaian komparator /pembanding dengan referensi o volt

Gambar 3.6.11 Rangkaian komparator dengan jendela Perhitungan menentukan jendela Volt reference Up (Vru) dan Volt reference low (Vrl) adalah sebagai berikut :

 

80 

2. Sedangkan untuk komparator dengan 2 op-amp ada 3 macam variasi seperti gambar berikut:

 

81 

Gambar 3.6.12 Rangkaian komparator 2 op amp dengan output negatif

 

82 

Gambar 3.6.13 Rangkaian komparator 2 op-amp dengan output campuran

Gambar 3.6.14 Rangkaian komparator 2 opamp dengan output negatif Aplikasi untuk komparator semacam ini bisa dilihat dari hasil outputnya. Misal menginginkan hanya didalam window saja yang di proses atau hanya diluar window saja yang diproses dan sebagainya. 3.6.8 Differensiator. Rangkaian differensiator adalah rangkaian aplikasi dari rumusan matematika yang dapat dimainkan (dipengaruhi) dari kerja kapasitor. Rangkaian nya seperti pada gambar 2.25 dengan rangkaian sederhana dari differensiator. Untuk mendapatkan rumus differensiator, urutannya adalah sebagai bagai berikut : C B F i i i dan selama nilai 0 B i maka C F i i selisih dari inverting input dan noninverting input (v1 dan v2) adalah nol dan penguatan tegangannya sangat besar, maka didapat persamaan pengisian kapasitor sebagai berikut :

 

83 

Gambar 3.6.15 Rangkaian Differensiator Op-amp. Pada rangkaian aplikasi rangkaian differensiator op-amp ini ada sedikit perubahan yaitu penambahan tahanan dan kapasitor yang fungsinya untuk menfilter sinyal masukan. Seperti tampak pada gambar 3.6.15 adalah rangkaian differensiator yang dimaksud. Dengan demikian maka ada batasan input dari frekuensi yang masuk, batasan tersebut adalah

sedangkan nilai frekuensi yang diakibatkan oleh RF dan C1 adalah sebagai berikut :

Bila sinyal input melebihi frekuensi fa maka hasil output akan sama dengan hasil input, alias fungsi rangkaian tersebut tidak lagi differensiator lagi tapi sebagai pelewat biasa. Sedangkan untuk gambar 3.6.15 biasanya digunakan untuk rangkaian aplikasi yang di integrasikan dengan rangkaian lain. Syarat perhitungan nilai nilai R1, C1, RF, CF adalah sesuai dengan syarat sebagai berikut : fa
 

84 

Gambar 3.6.16 Rangkaian praktis (aplikasi) differensial op-amp Contoh perhitungan rangkaian differensial Differensiator op-amp dari rangkaian seperti gambar 2.25 dengan nilai C 1mF 1 dan R K F 1 . Sumber tegangan 15Volt > Awal sinyal adalah 0 Volt. Tentukan tegangan output : a. Vin = 1 Volt (sinyal dc) saat 10 detik. b. Vin = 20 Volt (sinyal dc) saat 1 detik saat Jawab:

Gambar sinyal outputnya :

Gambar 3.6.17 Output dari rangkaian differensiator Op-amp dengan input sinyal dc Gambar sinyal output untuk differensiator op-amp dari sinyal sinus dan segi empat adalah seperti pada gambar 2.28.

 

85 

Gambar 3.6.18 Sinyal output rangkaian differensiator Op-amp Untuk menentukan nilai CF dan RF pada differensiator op-amp ini ditentukan dari fa dan fb dengan hubungan sebagai berikut : fb = 20 fa Contoh soal : Rancang differensiator op-amp dengan input bervariasi antara 10 Hz sampai 1KHz dengan Vin =1 sin w t. Volt (peak to peak) a. Tenrukan nilai nilai R1,C1, RF, dan CF b. Tentukan bentuk sinyal vo Penyelesaian : a. Karena input berkisar 10 sampai 1 KHz, maka di ambil frekuensi tertingginya. Jadi fa = 1 KHz dan rumusnya :

dan

Bila

fb

=

20

fa

,

maka

fb

=

20

ditentukan

,

KHz

maka

nilai

(disesuaikan nilai tahanan yang ada). Selama nilai R1.C1 = RF.CF ,maka nilai CF adalah :

 

86 

(nilai disesuaikan dengan nilai kapasitor yang ada) Nilai ROM = R1||RF 78 b. Bentuk sinyal vo adalah

(digunakan 82 )

3.6.9 Integrator Rangkaian integrator op-amp ini juga berasal dari rangkaian inverting dengan tahanan umpan baliknya diganti dengan kapasitor. Proses perhitungannya sebagai berikut: BFi I i 1 , B I diabaikan karena sangat kecil nilainya sehingga : F i i1.

Arus pada kapasitor adalah

, yang sama dengan iF , sehingga

, karena v1 = v2 besar,

0, karena penguatan A terlalu sehingga

Sehingga persamaannya menjadi :

Batas frekuensi yang dilalui oleh capasitor dalam rangkaian integrator adalah

Biasanya rangkaian untuk aplikasi ada penambahan tahanan yang diparalel dengan kapasitor dengan dimana RF. Seperti pada gambar 2.29 rangkaian integrator yang belum di tambah tahanan yang diparalel dengan kapasitor. Nilai ROM adalah antara nol sampai dengan R1.

 

87 

Gambar 3.6.19 Rangkaian integrator op-amp sederhana

Perhitungan nilai untuk RF berkaitan dengan komponen lainnya yaitu fa< fb dimana rumus fa adalah :

 

88 

Gambar 3.6.20 Rangkaian integrator op-amp untuk aplikasi (praktis) 3.7 Konverter Konverter Daya elektronik dapat ditemukan di mana pun ada kebutuhan untuk mengubah bentuk energi listrik (yaitu perubahan tegangan nya, saat ini atau frekuensi). Rentang daya konverter ini berasal dari beberapa miliwatt (seperti dalam sebuah ponsel) untuk ratusan megawatt (misalnya dalam ASTT sistem transmisi). Dengan "klasik" elektronik, arus listrik dan tegangan digunakan untuk membawa informasi, sedangkan dengan elektronika daya, mereka membawa kekuasaan. Dengan demikian, metrik utama elektronika daya menjadi efisiensi. Sistem tenaga konversi yang dapat diklasifikasikan menurut jenis daya input dan output • • • •

AC ke DC ( penyearah ) DC ke AC ( inverter ) DC ke DC ( DC ke DC converter ) AC ke AC ( AC ke AC converter )

3.7.1 Konverter Analog ke Digital Sistem telepon di dunia diperkenalkan oleh Graham Bell pada tahun 1876. Sejak saat itu, manusia berusaha mengembangkan teknik telekomunikasi, antara lain dengan metode multipleksing, yakni teknik untuk mentransmisikan sinyal komunikasi media transmisi yang efisien. Sinyal telepon/ suara adalah sinyal yang berbentuk analog dan metode multipleksing pertama kali adalah dengan melakukan pemisahan frekuensi (FDM), yakni dengan melakukan modulasi pada sinyal-sinyal informasi dengan frekuensi yang berbeda. Selanjutnya dilakukan penggabungan dan ditransmisikan. Perkembangan teknik telekomunikasi, mengarah pada sistem komunikasi digital, yang lebih efisien dan relatif tidak rentan terhadap noise. Sehingga untuk mentransmisikan sinyalsinyal analog, pertama kali sinyal tersebut harus dirubah ke dalam bentuk digital yang bersesuaian. Pada Tulisan ini, akan dibahas teknik perubah analog to digital dengan metode Successive Approximation Register atau disingkat SAR yang linear. Analog to digital converter (ADC) adalah suatu cara untuk melakukan konversi sinyal analog ke bentuk digital yang bersesuaian. Ada bermacam cara untuk melakukan konversi tersebut, antara lain dengan menggunakan counter, ramp (kapasitor) dan SAR. Metode SAR memiliki kelebihan dari teknik lain, yakni waktu konversi yang tetap, yakni sesuai dengan jumlah bit yang diinginkan. Biasanya untuk sistem komunikasi telepon digunakan 8 bit, sehingga waktu konversi adalah 8 kali sinyal clock. Waktu konversi ini, akan sangat memudahkan proses sinyal selanjutnya, karena dapat dibayangkan dengan perbedaan waktu konversi pada tiap sinyal sampling tentu akan sangat mengganggu proses multipleksing.

 

89 

3.7.2 Komponen Utama ADC 1. Komparator Tegangan Komparator tegangan adalah sebuat rangkaian yang dapat membandingkan besar tegangan masukan. Komparator tegangan biasanya menggunakan Op-Amp sebagai piranti utama dalam rangkaian. Ada dua jenis komparator tegangan, yaitu komparator tegangan sederhana, dan komparator tegangan dengan histerisis. a. Rangkaian Komparator tegangan sederhana

Gambar 3.7.1 Rangkaian Komparator Tegangan Sederhana Vref di hubungkan ke +V supply, kemudian R1 dan R2 digunakan sebagai pembagi tegangan, sehingg nilai tegangan yang di referensikan pada masukan + op-amp adalah sebesar : V = [R1/(R1+R2) ] * Vsupply Op-amp tersebut akan membandingkan nilai tegangan pada kedua masukannya, apabila masukan (-) lebih besar dari masukan (+) maka, keluaran op-amp akan menjadi sama dengan – Vsupply, apabila tegangan masukan (-) lebih kecil dari masukan (+) maka keluaran op-amp akan menjadi sama dengan + Vsupply. Jadi dalam hal ini jika Vinput lebih besar dari V maka keluarannya akan menjadi – Vsupply, jika sebaliknya, Vinput lebih besar dari V maka keluarannya akan menjadi + Vsupply. Untuk op-amp yang sesuai untuk di pakai pada rangkaian op-amp untuk komparator biasanya menggunakan op-amp dengan tipe LM339 yang banyak di pasaran. b. Rangkaian Komparator tegangan dengan histerisis Tujuan dari rangkaian histerisis adalah untuk meminimalkan efek noise pada tegangan masukan. Misalnya tegangan referensinya di set 3,3 V, sedangkan itu juga memiliki nois sebesar 0,1 V, maka jika tegangan inputnya tepat 3,3V, maka keluarannya akan berfluktuasi sesuai dari noise-nya. Dengan menggunakan komparator dengan histerisis, maka keluarannya tidak akan berlogika -Vsupply sebelum Vinput melewati batas atas, dan sebaliknya, keluarannya tidak akan mengeluarkan tegangan +Vsupply sebelum Vinput melewati batas bawah.

 

90 

Gambar 3.7.2 Komparator dengan Histerisis 2. Flip-flop Dalam sirkuit digital, flip-flop adalah istilah untuk sebuah sirkuit elektronik (sebuah Multivibrator bistable) yang memiliki dua kondisi stabil dan dengan demikian mampu dijadikan sebagai satu memori. Sebuah flop-flip biasanya dikontrol oleh satu atau dua sinyal kontrol dan / atau gerbang atau sinyal clock. Output sering kali berisi komplemen serta output normal. Flip-Flop dapat dibagi lagi menjadi beberapa tipe berdasarkan penerapan umum , baik asynchronous atau yang berdasarkan sekuen clock sistem: RS ("set-reset"), D ("data" atau "penundaan" ), T ("toggle "), dan JK (“Master-Slave”) adalah jenis yang umum, semua yang dapat dibuat dari (sebagian) jenis lainnya oleh beberapa gerbang logika. Perilaku tipe tertentu dapat dijelaskan oleh apa yang disebut persamaan karakteristik (tabel kebenaran). Salah satu contoh D (Delay) flip-flop adalah sebagai berikut :

Gambar 3.7.3 D (Delay) flip-flop Tabel Kebenaran R

S

D

CK

Q

0

1

X

X

0

1

0

X

X

1

1

1

1

↑

1

1

1

0

↑

0

Gambar 3.7.4 Flip-flop dan tabel kebenarannya

 

91 

Flip-flop jenis lain adalah JK flip-flop atau yang biasa dikenal dengan Master-Slave flip-flop. Untuk jelasnya dapat dilihat berikut ini : Tabel Kebenaran JK Flip-flop INPUTS

OUTPUTS

Preset

Clear

Clock

J

K

Q

Q'

0

0

X

X

X

1

1

0

1

X

X

X

1

0

1

0

X

X

X

0

1

1

1

↓

0

0

0

Q'

1

1

↓

1

0

1

0

1

1

↓

0

1

0

1

1

1

↓

1

1

1

1

0

X

X

TOGLE Q

Q'

Dengan menggunakan rangkaian flip-flop, dapat dibangun sebuah up/down counter, contoh sebagai berikut :

Gambar 3.7.6. Ripple Counter dengan JK FF (Up Counter) RingCounter Ring counter seperti sebuah register geser, dimana nilai logik 1 bergeser secara bergantian dari satu flip-flop ke flip=flop yang lain. Unpan balik nilai akhir menjadikan kondisi awal terjadi lagi. Untuk jelasnya dapat dilihat pada gambar berikut

 

92 

Gambar 3.7.7 Ring Counter 3.7.3 Digital to Analog Conveter Melalui artikel ini, saya akan menjelaskan bagaimana membangun sebuah 8-bit digital untuk konverter analog dengan masukan paralel. Jika Anda tidak tahu apa artinya ini, baik yang hanya sebuah sirkuit yang akan mengambil input nomor 8-bit digital dari 0 (00.000.000) sampai 255 (11111111), dan output nilai relatif pada skala dari 0 sampai 5V. Proses matematika yang menggambarkan proses ini sangat sederhana, sebuah konverter 8 bit akan membagi 5 volt ke 255 langkah, setiap langkah memiliki nilai: 5 / 255 = 0.019 V Maka tegangan output untuk converter harus sama dengan input biner dikalikan dengan nilai langkah, misalnya untuk masukan dari 129 (1000 0001 dalam biner) tegangan output harus: 129 X 0,019 = 2.451V Berikut ini adalah diagram fungsional disederhanakan dari DAC 8-bit.

Gambar 3.7.8 Blok Diagram ADC 8 Bit

Untuk membangun sebuah konverter digital to analog, dapat digunakan metode R/2R seperti gambar berikut :

 

93 

Gambar 3.7.9 Analog to Digital Converter Metode R/2R MSB atau Most Significant Bit, adalah bit yang paling besar nilainya, yakni setengah dari tegangan input maksimum. Sedangkan LSB atau Least Significant Bit adalah bit yang nilainya terkecil atau setara dengan 1/255 dari nilai tegangan input (28 = 256). Biasanya, sinyal DAC di-buffer dengan IC op-amp, sehingga nilai output memiliki stabilitas yang lebih baik, seperti gambar berikut ini:

Gambar 3.7.10 DAC dengan Buffer

3.7.4

ANALOG TO DIGITAL CONVERTER

Seperti telah disinggung diatas, bahwa terdapat beberapa macam teknik ADC. Teknik ADC yang paling sederhana yakni dengan metode counter. Sebuah sinyal dimasukkan ke sebuah comparator selanjutnya counter akan mulai menghitung maju. Bit-bit couter diumpankan ke subuah DAC dan keluaran DAC tadi akan dikoparasi dengan sinyal input. Apabila keluaran komparator belum berubah, maka sinyal clock terus bekerja. Misalkan range Vin input adalah 0-5 Volt, maka nilai 1 bit (LSB) adalah 5/255 volt = 0,019 Volt. Apabila nilai Vin 2 volt, maka jumlah clock = 2/0,019 = 102 pulsa clock. Pada nilai puncak, maka jumlah clock adalah sebanyak 255 pulsa clock. Menurut teorema nyquist, nilai pemodulasi minimum 2 kali frekuensi informasi. Frekuensi maksimum sinyal suara adalah 4 kHz, sehinga frekuensi sampling sebesar 2 x 4 kHz = 8 kHz. Oleh karena itu, waktu yang dibutuhkan untuk melakukan konversi adalah 1/8000 = 125 μs. Frekuensi clock maksimum adalah sebanyak 255 pada tegangan maksimum, sehingga frekuensi clock minimum yang dibutuhkan adalah = 255 pulsa dalam 125 μs atau 2040 kHz. Konfigurasi umum adalah sebagai berikut :

 

94 

Gambar 3.7.11. Blok Diagram ADC dengan Teknik Counter

Teknik lain adalah dengan metode Ramp, dimana pada teknik ini dimanfaatkan sifat dari kapasitor yang dapat mengisi dan mengosong. Dengan frekuensi tertentu, maka kapasitor akan terus mengisi selama sinyal clock ada, dan akan berhenti pada saat nilai komparator berubah. Pada metode SAR, input DAC diumpankan MSB, atau setara dengan setengah dari nilasi maksimum. Apabila nilai tersebut terlalu besar terhadap Vin atau komparator berubah, maka MSB akan direset dan MSB kedua (2’nd MSB) akan diset atau setara dengan ¼ nilai maksimum. Selanjutnya apabila nilai tersebut lebih kecil dari Vin, maka MSB kedua dipertahankan, selanjutnya bit ketiga akan diset 1. Begitu seterusnya hingga pada bit terakhir atau LSB. Contoh, nilai Vin = 3 Volt, maka proses yang berjalan adalah sebagai berikut : Secara sederhana, blok diagram ADC dengan teknik SAR adalah sebagai berikut:

Gambar 3.7.13 ADC dengan teknik SAR Apabila data output diserikasn, maka bit rate dari hasil konversi analog ke digital 8 bit dengan frekuensi sinyal input maksimum 4 kHz adalah sebesar 64 kbps. Ketelitian sebuah konverter analog ke digital adalah 1 LSB. Apabila sinyal digital dikonversi kedalam 8 bit, dan tegangan input masimum 5 Volt, maka faktor kesalahan terbesar adalah sebesar 5/255 = 0,0196 volt. Pada sinyal-sinyal input yang kecil, sinyal to noise ratio (SNR) akan lebih besar. Hal ini biasanya diatasi dengan menggunakan penguat logaritmis. Sebuah algoritma A-Law -adalah algoritma companding standar, digunakan di Eropa sistem komunikasi digital untuk mengoptimalkan, yaitu, memodifikasi, rentang dinamis sebuah sinyal analog untuk digitasi. Hal ini mirip dengan algoritma μ-hukum yang digunakan di Amerika Utara dan Jepang. Untuk masukan yang diberikan x, persamaan untuk encoding A-hukum adalah sebagai berikut:

 

95 

Dimana A adalah sebuah parameter kompresi. Di Eropa nilai A = 87.7; kadang nilai 87.6 juga digunakan. Fungsi invers A-law diberikan pada persamaan berikut ini,

3.7.5 Rectifier Penyearah adalah alat yang mengubah listrik arus bolak (AC), yang secara periodik berbalik arah, untuk arus searah (DC), yang hanya satu arah, suatu proses yang dikenal sebagai perbaikan. Rectifier memiliki banyak kegunaan termasuk sebagai komponen pasokan listrik dan sebagai detektor dari radio sinyal. Rectifier dapat dibuat dari solid state dioda , rectifier yang dikendalikan silikon , tabung vakum dioda, busur katup merkuri , dan komponen lainnya. Sebuah perangkat yang melakukan fungsi yang berlawanan (mengkonversi DC ke AC) dikenal sebagai inverter .

3.7.5.1 Pelurusan Setengah Dalam setengah gelombang pembetulan, baik setengah positif atau negatif dari gelombang AC berlalu, sementara separuh lainnya diblokir. Karena hanya satu setengah dari gelombang input mencapai output tersebut, sangat tidak efisien jika digunakan untuk transfer daya. Half-gelombang perbaikan dapat dicapai dengan dioda tunggal dalam fase pengadaan satu, atau dengan tiga dioda dalam tiga fase pasokan.

Gambar 3.7.14 Pelurusan Setengah Tegangan DC output dari penyearah setengah gelombang dapat dihitung dengan persamaan berikut yang ideal dua:

3.7.5.2 Pelurusan Penuh Sebuah penyearah gelombang penuh mengubah seluruh input bentuk gelombang ke salah satu polaritas konstan (positif atau negatif) pada output. Kendali-gelombang perbaikan mengkonversi kedua polaritas dari gelombang input ke DC (arus searah), dan lebih efisien. Namun, dalam rangkaian dengan non- pusat mengetuk transformator , empat dioda diperlukan bukan satu-gelombang yang diperlukan untuk perbaikan setengah. (Lihat semikonduktor ,

 

96 

dioda ). Empat dioda diatur dengan cara ini adalah disebut jembatan diode atau penyearah jembatan.

Gambar 3.7.15 jembatan Graetz penyearah: gelombang-penuh rectifier menggunakan 4 dioda. Untuk AC fasa-tunggal, jika transformator adalah pusat-disadap, lalu dua dioda backto-back (yaitu anoda-ke-anoda atau katoda-ke-katoda) dapat membentuk penyearah gelombang penuh. Dua kali lebih banyak gulungan diperlukan pada transformator sekunder untuk mendapatkan tegangan output yang sama dibandingkan dengan penyearah jembatan di atas.

Penyearah gelombang penuh menggunakan center tap transformator dan 2 dioda.

Penyearah gelombang penuh, dengan tabung vakum memiliki dua anoda. Yang sangat umum tabung vakum konfigurasi penyearah mengandung satu katoda dan kembar anoda di dalam amplop tunggal, dalam cara ini, dua dioda yang diperlukan hanya satu tabung vakum. Para 5U4 dan 5Y3 adalah contoh populer dari konfigurasi ini.

Gambar 3.7.16 Sebuah penyearah tiga-fasa jembatan. 3.7.6 INVERTER Inverter adalah sebuah alat yang mengubah listrik arus searah (DC) untuk alternating current (AC), AC dapat dikonversi pada setiap tegangan yang diperlukan dan frekuensi dengan penggunaan yang tepat transformer , switching, dan sirkuit kontrol.

 

97 

Gambar 3.7.17 Inverter Solid-state inverter tidak memiliki bagian yang bergerak dan digunakan dalam berbagai aplikasi, dari kecil catu daya switching di komputer, sampai besar utilitas listrik tegangan tinggi arus searah aplikasi transportasi massal kekuatan itu. Inverter biasanya digunakan untuk catu daya AC dari sumber DC seperti panel surya atau baterai . Ada dua tipe utama inverter. Output dari gelombang sinus inverter diubah serupa dengan gelombang persegi output kecuali bahwa output pergi ke nol volt untuk sementara waktu sebelum beralih positif atau negatif. Hal ini dan rendah biaya sederhana (~ $ 0.10USD/Watt) dan kompatibel dengan perangkat elektronik kebanyakan, kecuali untuk peralatan yang sensitif atau khusus, misalnya tertentu printer laser . Sebuah gelombang sinus murni inverter menghasilkan gelombang output sinus hampir sempurna (<3% distorsi harmonik total ) yang pada dasarnya sama seperti tersedia jaringan listrik-utilitas. Jadi itu adalah kompatibel dengan semua perangkat AC elektronik. Ini adalah tipe yang digunakan di grid-tie inverter. Desain yang lebih kompleks, dan biaya 5 atau 10 kali lebih per satuan daya (~ $ 0.50 sampai $ 1.00USD/Watt). The inverter listrik berdaya tinggi osilator elektronik . Hal ini dinamakan demikian karena awal AC mekanik untuk konverter DC dibuat untuk bekerja secara terbalik, dan dengan demikian adalah "terbalik", untuk mengkonversi DC ke AC. Inverter melakukan fungsi kebalikan dari penyearah . 3.7.6.1 Aplikasi •

DC pemanfaatan sumber daya

Gambar 3.7.18 Inverter dirancang untuk memberikan 115 VAC dari sumber 12 VDC disediakan di mobil. Unit ditampilkan menyediakan hingga 1,2 ampere arus bolak balik, atau cukup untuk kekuatan dua bola lampu enam puluh watt. Sebuah inverter mengubah listrik DC dari sumber seperti baterai , panel surya , atau bahan bakar sel ke listrik AC. Listrik dapat setiap tegangan yang diperlukan, secara khusus bisa mengoperasikan peralatan AC yang dirancang untuk operasi induk, atau diperbaiki untuk menghasilkan DC pada setiap tegangan yang diinginkan. Inverter dasi Grid dapat memberi makan energi kembali ke jaringan distribusi karena mereka menghasilkan arus bolak-balik dengan bentuk gelombang yang sama dan frekuensi

 

98 

yang disediakan oleh sistem distribusi. Mereka juga dapat mematikan secara otomatis dalam hal terjadi pemadaman . Micro-inverter mengubah arus langsung dari panel surya individu menjadi arus bolakbalik untuk jaringan listrik. Mereka adalah desain dasi grid secara default. •

Pasokan listrik Uninterruptible Sebuah uninterruptible power supply (UPS) menggunakan baterai dan inverter untuk catu daya AC saat listrik utama tidak tersedia. Bila daya utama dipulihkan, sebuah penyearah DC power supplies untuk mengisi ulang baterai. •

Pemanasan Induksi AC Inverter mengubah frekuensi daya utama rendah ke frekuensi yang lebih tinggi untuk digunakan dalam pemanasan induksi . Untuk melakukan ini, listrik AC pertama diperbaiki untuk memberikan daya DC. Inverter kemudian mengubah daya DC menjadi arus listrik AC frekuensi tinggi. •

Transmisi tenaga ASTT Dengan ASTT transmisi daya, listrik AC diperbaiki dan tegangan tinggi DC power ditransmisikan ke lokasi lain. Di lokasi penerima, inverter dalam pabrik inverter statis mengubah kekuatan kembali ke AC. •

Frekuensi drive Variabel A -frekuensi drive variabel kontrol kecepatan operasi sebuah motor AC dengan mengendalikan frekuensi dan tegangan daya yang dipasok ke motor. inverter Sebuah menyediakan kekuatan dikendalikan. Dalam kebanyakan kasus, drive frekuensi variabel termasuk penyearah sehingga daya DC untuk inverter dapat diberikan dari listrik AC utama. Karena inverter merupakan komponen kunci, frekuensi variabel-drive kadang-kadang disebut drive inverter atau hanya inverter. •

Penyejuk udara Sebuah AC bantalan tag inverter menggunakan frekuensi drive variabel untuk mengontrol kecepatan motor dan dengan demikian kompresor. •

Kasus umum Sebuah transformator memungkinkan daya AC yang akan dikonversi ke tegangan yang diinginkan, namun pada frekuensi yang sama. Inverter, rectifier plus untuk DC, dapat dirancang untuk mengkonversi dari AC, tegangan atau DC, ke tegangan lain, juga AC atau DC, pada setiap frekuensi yang dikehendaki. Daya keluaran tidak pernah bisa melebihi daya input, tetapi efisiensi bisa tinggi, dengan proporsi kecil dari daya hilang sebagai panas limbah. 3.7.6.2 deskripsi Circuit

Gambar 3.7.19 Top: Simple rangkaian inverter ditunjukkan dengan saklar elektromekanis dan otomatis setara

 

99 

auto-switching perangkat diimplementasikan dengan dua transistor dan membagi belitan autotransformator di tempat saklar mekanik.

Gambar 3.7.20 Gelombang Square dengan komponen gelombang sinus fundamental, harmonik ke-3 dan 5 harmonik 3.7.6.2 Desain Dasar Dalam satu rangkaian inverter sederhana, daya DC dihubungkan ke transformator melalui keran tengah gulungan primer. Suatu saklar adalah cepat diaktifkan bolak-balik untuk memungkinkan arus mengalir kembali ke sumber DC berikut dua jalur alternatif melalui salah satu ujung gulungan primer dan kemudian yang lain. Silih bergantinya arah arus pada gulungan primer dari transformator menghasilkan arus bolak balik (AC) pada sirkuit sekunder. Versi elektromekanis perangkat switching mencakup dua kontak diam dan musim semi yang didukung bergerak kontak. musim semi ini memiliki kontak yang bergerak terhadap salah satu kontak stasioner dan elektromagnet menarik kontak bergerak ke kontak stasioner berlawanan. Arus dalam elektromagnet terganggu oleh aksi saklar sehingga saklar terus switch dengan cepat kembali dan sebagainya. Jenis switch inverter elektromekanik, yang disebut vibrator atau buzzer, pernah digunakan dalam tabung vakum radio mobil. Mekanisme serupa telah digunakan di bel pintu, buzzers dan senjata tato. Ketika mereka menjadi tersedia dengan peringkat daya yang memadai, transistor dan jenis lainnya berbagai semikonduktor switch telah dimasukkan ke dalam desain rangkaian inverter. 3.7.6.4 Output bentuk gelombang Saklar di dalam inverter sederhana yang dijelaskan di atas, bila tidak digabungkan ke sebuah transformator output, menghasilkan tegangan persegi gelombang karena sederhana off dan di alam yang bertentangan dengan sinusoidal gelombang yaitu gelombang biasa catu daya AC. Menggunakan analisis Fourier , periodik bentuk gelombang direpresentasikan sebagai jumlah dari seri gelombang sinus yang tak terbatas. Gelombang sinus yang sama frekuensi dengan gelombang aslinya disebut komponen fundamental. Gelombang sinus lainnya, harmonisa yang disebut, yang termasuk dalam seri yang memiliki frekuensi kelipatan frekuensi dasar. Kualitas gelombang keluaran inverter dapat dinyatakan dengan menggunakan data analisis Fourier untuk menghitung distorsi harmonik total (THD). Distorsi harmonik total adalah akar kuadrat dari jumlah kuadrat tegangan harmonik dibagi dengan tegangan fundamental:

 

100 

Kualitas gelombang output yang dibutuhkan dari inverter tergantung pada karakteristik beban tersambung. Beberapa beban membutuhkan pasokan gelombang sinus tegangan hampir sempurna untuk bekerja dengan baik. beban lain dapat bekerja dengan baik dengan tegangan gelombang persegi. Desain Advanced

Gambar 3.7.21 H-jembatan inverter rangkaian dengan switch transistor dan dioda antiparalel Ada banyak kekuatan sirkuit yang berbeda topologi dan strategi pengendalian yang digunakan dalam desain inverter. pendekatan desain yang berbeda menangani berbagai isu yang mungkin lebih atau kurang penting tergantung pada cara yang inverter dimaksudkan untuk digunakan. Masalah kualitas bentuk gelombang dapat diatasi dengan berbagai cara. Kapasitor dan induktor dapat digunakan untuk menyaring gelombang tersebut. Jika desain meliputi trafo, penyaringan dapat diterapkan pada primer atau sisi sekunder transformator atau kedua belah pihak. Low-pass filter diterapkan untuk memungkinkan komponen fundamental dari bentuk gelombang untuk lolos ke output sementara membatasi perjalanan harmonik komponen. Jika inverter ini dirancang untuk memberikan daya pada frekuensi tetap, resonansi filter dapat digunakan. Untuk frekuensi inverter diatur, filter harus disetel ke frekuensi yang berada di atas frekuensi dasar maksimum. Karena beban yang paling mengandung induktansi, masukan rectifier atau antiparalel dioda sering dihubungkan di setiap semikonduktor beralih ke menyediakan jalan untuk beban induktif arus puncak ketika saklar dimatikan. Dioda antiparalel agak mirip dengan dioda freewheeling digunakan dalam AC / DC converter sirkuit.

TABEL 3.7.22 gelombang

 

sinyal transisi per periode

harmonisa dieliminasi

harmonisa diperkuat

Sistem Deskripsi

THD

2

-

-

2-tingkat gelombang persegi

~ 45%

101 

4

3, 9, 27, ...

-

3-tingkat "Gelombang persegi dimodifikasi"

10

3, 5, 9, 27

7, 11, ...

2-tingkat sangat lambat PWM

12

3, 5, 9, 27

7, 11, ...

3-tingkat sangat lambat PWM

> 23,8%

3.7.7 AC / AC converter Sebuah AC / AC converter mengubah sebuah AC gelombang seperti pasokan listrik, gelombang lain AC, dimana tegangan output dan frekuensi dapat diatur secara sewenangwenang.

Gambar 3.7.23 AC / AC converter AC / AC converter dapat dikategorikan • • • •

Converters dengan link-DC. Cycloconverters Hybrid Matrix Converters. Matrix Converters.

Seperti ditunjukkan dalam Gambar 1. Untuk konversi AC-AC seperti hari ini biasanya converter sistem dengan tegangan (Gbr. 2) atau saat ini (Gbr. 3) DC-link dipekerjakan. Untuk link-tegangan DC, kopling listrik dapat diterapkan oleh jembatan dioda. Untuk mencapai pengereman pengoperasian motor, sebuah resistor pengereman harus ditempatkan dalam linkDC. Atau, sebuah jembatan thyristor anti-paralel harus disediakan di sisi listrik untuk makan kembali energi ke listrik. Kelemahan dari solusi ini adalah distorsi listrik yang relatif tinggi dan kebutuhan daya reaktif yang tinggi (terutama selama operasi inverter).

 

102 

Sebuah AC / AC converter dengan sekitar arus input sinusoidal dan aliran daya bidirectional dapat diwujudkan dengan kopling penyearah PWM dan inverter PWM ke linkDC. Kuantitas DC-link ini kemudian terkesan oleh unsur penyimpanan energi yang umum untuk kedua tahap, yang merupakan C kapasitor untuk link-tegangan DC atau induktor L untuk link-arus DC. The penyearah PWM dikendalikan dengan cara bahwa listrik sinusoidal saat diambil, yang sedang dalam tahap atau anti-fase (untuk umpan balik energi) dengan fasa tegangan listrik yang sesuai. Karena elemen DC-link penyimpanan, ada keuntungan bahwa kedua tahap konverter adalah untuk sebagian besar dipisahkan untuk tujuan kontrol. Selain itu, sebuah konstanta, listrik kuantitas masukan independen ada untuk tahap inverter PWM, yang menghasilkan pemanfaatan yang tinggi kemampuan daya converter itu. Di sisi lain, energi DC-link elemen penyimpanan memiliki volume fisik yang relatif besar, dan ketika kapasitor elektrolit yang digunakan, dalam kasus link-tegangan DC, ada potensi sistem seumur hidup berkurang. Dalam rangka mencapai densitas daya yang lebih tinggi dan kehandalan, adalah masuk akal untuk mempertimbangkan Converter Matrix yang mencapai tiga-fasa AC / AC konversi tanpa ada unsur penyimpanan energi menengah. Langsung Konvensional Matrix Converter (Gbr. 4) melakukan konversi tegangan dan arus dalam satu panggung tunggal. Sebuah cycloconverter konstruksi output, variabel-frekuensi, sekitar sinusoida gelombang dengan beralih segmen input bentuk gelombang untuk output, tidak ada link DC menengah. Dengan switching unsur-unsur seperti SCRs , frekuensi output harus lebih rendah dari input. Sangat cycloconverters besar (pada urutan 10 MW) yang diproduksi untuk dan terowongan angin-drive kompresor, atau untuk kecepatan variabel aplikasi seperti semen kiln. Ada pilihan alternatif konversi energi tidak langsung dengan menggunakan percobaan Indirect Matrix Converter (Gbr. 5) atau Jarang Matrix Converter yang ditemukan oleh Prof Johann W. Kolar dari ETH Zurich. Seperti dengan sistem DC-link berdasarkan (Gambar 2 dan Gambar. 3), tahap terpisah disediakan untuk konversi tegangan dan arus, tapi DC-link tidak memiliki elemen penyimpanan menengah. Umumnya, dengan menggunakan konverter matriks, elemen penyimpanan dalam link-DC dihilangkan pada biaya sejumlah besar semikonduktor. konverter Matrix sering dilihat sebagai konsep teknologi masa depan untuk variabel kecepatan drive, tetapi meskipun penelitian intensif selama dekade mereka sampai sekarang hanya mencapai penetrasi industri rendah. Alasan untuk ini bisa menjadi kompleksitas yang lebih tinggi dalam upaya modulasi dan analisis. 3.7.8 DC-to-DC converter Sebuah DC-DC konverter-adalah sebuah sirkuit elektronik yang mengubah sumber arus searah (DC) dari satu tegangan tingkat yang lain. Ini adalah kelas konverter daya . Penggunaan Konverter DC ke DC yang penting dalam perangkat elektronik portabel seperti telepon seluler dan komputer laptop , yang diaktifkan dengan daya dari baterai terutama. perangkat elektronik tersebut seringkali mengandung beberapa sub- sirkuit , masing-masing dengan kebutuhan tingkat tegangan sendiri yang berbeda dari yang disediakan oleh baterai atau suplai eksternal (kadang-kadang lebih tinggi atau lebih rendah dari tegangan suplai). Selain itu, penurunan tegangan baterai sebagai daya disimpan dikeringkan. Switched DC ke DC converters menawarkan metode untuk menaikkan tegangan dari tegangan baterai dengan demikian menurunkan sebagian menghemat ruang daripada menggunakan baterai ganda untuk mencapai hal yang sama.

 

103 

Kebanyakan DC ke DC converters juga mengatur output. Beberapa pengecualian termasuk efisiensi tinggi LED sumber daya , yang merupakan jenis konverter DC ke DC yang mengatur arus melalui LED, dan pompa muatan sederhana yang dua atau tiga tegangan input. Metode Konversi Linear regulator linier dapat hanya output pada tegangan yang lebih rendah dari input. Mereka sangat tidak efisien ketika drop tegangan besar dan saat ini tinggi karena mereka mengusir panas sama dengan produk dari keluaran arus dan drop tegangan, akibatnya mereka biasanya tidak digunakan untuk-drop tinggi-saat ini aplikasi yang besar. inefisiensi Limbah daya dan membutuhkan lebih tinggi-rated, dan akibatnya lebih mahal dan lebih besar, komponen. Kalor yang dibuang oleh daya pasokan tinggi adalah masalah dalam dirinya sebagai harus dikeluarkan dari sirkuit yang tidak dapat diterima untuk mencegah suhu naik. Mereka praktis jika saat ini rendah, daya hilang yang kecil, meskipun mungkin masih sebagian besar dari total daya yang dikonsumsi. Mereka sering digunakan sebagai bagian dari power supply sederhana diatur untuk arus yang lebih tinggi: sebuah transformator menghasilkan tegangan yang, ketika diperbaiki, sedikit lebih tinggi daripada yang diperlukan untuk bias regulator linier. Linear regulator menjatuhkan kelebihan tegangan, mengurangi hum-menghasilkan riak arus dan memberikan tegangan output yang konstan independen dari fluktuasi normal dari tegangan input tidak diatur dari trafo / rangkaian jembatan penyearah dan arus beban. regulator linier murah, dapat diandalkan jika tenggelam panas yang baik digunakan dan lebih sederhana daripada regulator switching. Sebagai bagian dari catu daya mereka mungkin memerlukan transformator, yang lebih besar untuk tingkat daya yang diberikan daripada yang dibutuhkan oleh power supply switch-mode. linear regulator dapat memberikan tegangan yang sangat rendah noise output, dan sangat cocok untuk menyalakan analog noisesensitif berdaya rendah dan sirkuit frekuensi radio. Suatu pendekatan desain yang populer adalah dengan menggunakan LDO, Rendah Drop-out Regulator, yang menyediakan suatu "titik beban" pasokan lokal DC ke sirkuit daya rendah. konversi Switched Elektronik switch-mode DC ke DC converters mengkonversi satu tingkat tegangan DC ke yang lain, dengan menyimpan energi input sementara dan kemudian melepaskan energi yang ke output pada tegangan yang berbeda. penyimpanan mungkin dalam salah satu komponen penyimpanan medan magnet (induktor, transformator) atau komponen medan listrik penyimpanan (kapasitor). Metode konversi daya yang lebih efisien (sering 75% sampai 98%) daripada pengaturan tegangan linier (yang menghilang kekuatan yang tidak diinginkan sebagai panas). Efisiensi ini bermanfaat untuk meningkatkan waktu menjalankan perangkat baterai dioperasikan. Efisiensi telah meningkat sejak akhir 1980-an akibat penggunaan kekuasaan FETs , yang dapat beralih pada frekuensi tinggi lebih efisien daripada bipolar transistor daya, yang menimbulkan kerugian switching lebih dan memerlukan drive sirkuit yang lebih rumit. Inovasi lain yang penting dalam konverter DC-DC adalah penggunaan perbaikan sinkron mengganti dioda roda gila dengan FET listrik dengan rendah "On" perlawanan, sehingga mengurangi kerugian switching. Kebanyakan DC ke DC converters dirancang untuk memindahkan kekuasaan dalam hanya satu arah, dari input ke output. Namun, semua topologi regulator switching dapat dibuat

 

104 

bi-directional dengan mengganti semua dioda dengan independen dikendalikan perbaikan aktif . A-directional bi konverter dapat memindahkan kekuasaan di kedua arah, yang berguna dalam aplikasi yang memerlukan pengereman regeneratif . Kelemahan konverter switching termasuk kompleksitas, kebisingan elektronik ( EMI / RFI ) dan beberapa biaya batas, meskipun hal ini telah turun dengan kemajuan dalam desain chip. Konverter DC ke DC yang sekarang tersedia sebagai sirkuit terpadu memerlukan komponen tambahan minimal. Konverter DC ke DC juga tersedia sebagai lengkap sirkuit hibrida komponen, siap untuk digunakan dalam suatu perakitan elektronik. Magnetic Dalam konverter DC ke DC, energi secara berkala disimpan ke dalam dan dilepaskan dari medan magnet di suatu induktor atau transformator , biasanya dalam rentang 300 kHz sampai 10 MHz. Dengan mengatur siklus tugas dari tegangan pengisian (yaitu, perbandingan on / off time), jumlah daya yang ditransfer dapat dikendalikan. Biasanya, ini diterapkan untuk mengontrol tegangan output, meskipun dapat digunakan untuk mengendalikan arus masukan, keluaran arus, atau menjaga daya konstan. konverter Transformer berbasis dapat memberikan isolasi antara input dan output. Secara umum, istilah "DC ke DC konverter" merujuk ke salah satu konverter switching. Sirkuit ini adalah jantung dari mode power supply-switched . Selain itu, masing-masing topologi mungkin: • •

Hard diaktifkan - transistor beralih cepat saat terkena baik tegangan penuh dan penuh saat ini Resonansi - sebuah sirkuit LC membentuk transistor tegangan dan arus yang melalui sehingga transistor switch saat baik tegangan atau arus adalah nol

DC DC converters Magnetic untuk dapat dioperasikan dalam dua mode, menurut arus pada komponen utama magnet nya (induktor atau trafo): • •

Continuous - yang berfluktuasi saat ini tetapi tidak pernah turun ke nol Terputus-putus - yang berfluktuasi saat ini selama siklus, turun ke nol pada atau sebelum akhir setiap siklus

converter mungkin dirancang untuk beroperasi dalam mode secara terus-menerus pada daya tinggi, dan dalam mode Terputus-putus pada daya rendah. The Half jembatan dan Flyback topologi yang sama dalam energi yang tersimpan dalam inti magnetik perlu terdisipasi sehingga inti tidak jenuh. Transmisi tenaga listrik dalam rangkaian flyback dibatasi oleh jumlah energi yang dapat disimpan dalam inti, sedangkan sirkuit maju biasanya dibatasi oleh I / karakteristik V dari switch. Meskipun MOSFET switch dapat mentolerir simultan penuh arus dan tegangan (walaupun tegangan termal dan ELEKTROMIGRASI dapat mempersingkat masa MTBF), switch bipolar umumnya tidak bisa begitu memerlukan penggunaan snubber (atau dua). 3.8 Multiplexer Multiplexer adalah rangkaian logika yang menerima beberapa input data digital dan menyeleksi salah satu dari input tersebut pada saat tertentu, untuk dikeluarkan pada sisi

 

105 

output.Seleksi data-data input dilakukan oleh selector line, yang juga merupakan input dari multiplexer tersebut. Blok diagram sebuah multiplexer ditunjukkan pada gambar . Jumlah data input maksimum pada multiplexer adalah 2 jumlah Select line.

Gambar 3.8.1 Multiplexer

Gambar 3.8.2 ragkaian multipexer Kendali pada Multiplekser akan memilih saklar mana yang akan dihubungkan. Saluran kendali sebanyak "n" saluran dapat menyeleksi 2n saluran masukan. Sebagai contoh: sebuah Multiplekser 4 ke 1 dengan Kendali K1 dan K2. Ketika saluran Enable = 1, keluaran selalu bernilai nol. Tetapi ketika saluran Enable = 0, keluaran F diatur melalui K1 dan K2.

TABEL3.8.3 TABEL KEBENARAN MULTIPLEKSER INI DINYATAKAN SEBAGAI BERIKUT: Enable

 

K2

K1

F

106 

1

X

X

0

0

0

0

X0

0

0

1

X1

0

1

0

X2

0

1

1

X3

Jika E mewakili saluran tabel kebenaran tersebut keluaran F

Enable, maka berdasarkan

dapat dinyatakan sebagai :

F = E.Xo.K1.K2 + E.X1.K1.K2 + E.X2.K1.K2 + E.X3.K1.K2

Berdasarkan persamaan logika ini disusunlah rangkaian logika Multiplekser 4 ke 1 seperti ditunjukkan oleh gambar dibawah ini

Gambar 3.8.4 rangkaian logika Multiplekser 4 ke 1

Multiplexing : rangkaian yang memiliki banyak input tetapi hanya 1 output dan dengan menggunakan sinyal-sinyal kendali, kita dapat mengatur penyaluran input tertentu kepada outputnya, sehingga memungkinkan terjadinya transmisi sinyal yang banyak melalui media tunggal. (penggabungan 2 sinyal atau lebih untuk disalurkan ke dalam 1 saluran komunikasi). Keuntungannya : - host hanya butuh satu port I/O untuk n terminal

 

107 

- hanya satu line transmisi yang dibutuhkan - menghemat biaya penggunaan saluran komunikasi - memanfaatkan sumberdaya seefisien mungkin - Menggunakan kapasitas saluran semaximum mungkin - Karakteristik permintaan komunikasi pada umum- nya memerlukan penyaluran data dari beberapa terminal ke titik yang sama. Teknik Multiplexing : - Frequency-division multiplexing (FDM) - Time-division multiplexing (TDM) - Statistical time-division multiplexing (STDM) Pemilihan FDM, TDM dan STDM ditentukan oleh : - kapasitas kanal, - harga peralatan - konfigurasinya. Frequency Division Multiplexing (FDM) : mux yang paling umum dan banyak dipakai, dengan menumpuk sinyal pada bidang frekuensi. Data yang dikirimkan akan dicampur berdasarkan frekuensi. Banyak digunakan pada pengiriman sinyal analog. Data tiap kanal dimodulasikan dengan FSK untuk voice grade channel.

Gambar 3.8.5 Frequency Division Multiplexing (FDM) FDM disebut "code transparent" artinya system sandi yang dipakai oleh data tidak memberi pengaruh. FDM dapat beroperasi secara full duplex 2 atau 4 kawat. Contoh FDM adalah pada penggunaan radio dan TV. Enam sumber sinyal dimasukkan ke dalam suatu multiplexer, yang memodulasi tiap sinyal ke dalam frekuensi yang berbeda (f1,...,f6). Tiap sinyal modulasi memerlukan bandwidth center tertentu disekitar frekuensi carriernya, dinyatakan sebagai suatu channel. Sinyal input (analog / digital) akan ditransmisikan melalui medium dengan sinyal analog. Contohnya yaitu transmisi full-duplex FSK (Frequency Shift Keying), broadcast dan TV kabel.

Time-division multiplexing (TDM)

 

108 

Gambar 3.8.6 Time-division multiplexing (TDM) Pada TDM, penambahan peralatan pengiriman data lebih mudah dilakukan karena tidak akan mempengaruhi peralat-an yang sudah ada sampai pada batas-batas tertentu. TDM lebih efisien daripada FDM karena 1 saluran komunikasi telpon misalnya, dapat dipakai sampai dengan 30 terminal sekaligus. TDM yang umum dikenal adalah PCM. Terdapat 4 metode untuk coding amplitudo yaitu : a. PAM (Pulse Amplitudo Modulation) b. PPM (Pulse Position Modulation) c. PCM (Pulse Code Modulation) d. PDM (Pulse Duration Modulation) Yang paling umum digunakan adalah PCM. Perkembangan terakhir dari tehnik multiplexing ialah Statistical Time Division Multiplexing (STDM) yang mempunyai keuntungan dalam efesiensi penggunaan saluran secara lebih baik.

Statistical Time-Division Multiplexing

Gambar3.8.7 Transmiter

 

109 

Gambar 3.8.8 frame –frame TDM

Gambar 3.8.9 Receiver Statistical TDM dikenal juga sebagai asynchronous TDM dan intelligent TDM, sebagai alternative synchronous TDM. Efisiensi penggunaan saluran secara lebih baik dibandingkan FDM dan TDM. Memberikan kanal hanya pada terminal yang membutuhkannya dan memanfaatkan sifat lalu lintas yang mengikuti karakteristik statistik. STDM dapat mengidentifikasi terminal mana yang mengganggur / terminal mana yang membutuhkan transmisi dan mengalokasikan waktu pada jalur yang dibutuhkannya. Untuk input, fungsi multiplexer ini untuk men-scan buffer-buffer input, mengumpulkan data sampai penuh, dan kemudian mengirim frame tersebut. Dan untuk output, multiplexer menerima suatu frame dan mendistribusikan slot-slot data ke buffer output tertentu.

DEMULTIFLEXER Sebuah Demultiplexer adalah rangkaian logika yang menerima satu input data dan mendistribusikan input tersebut ke beberapa output yang tersedia. Seleksi data-data input dilakukan oleh selector line, yang juga merupakan input dari demultiplexer tersebut. Blok diagram sebuah demultiplexer ditunjukkan pada gambar

Gambar 3.8.10 DEMULTIFLEXER

 

110 

BAB IV INSTRUMENTASI PADA MEKATRONIKA

Sistem instrumentasi dan kendali dapat dilukiskan tersusun atas beberapa komponen sensor dan aktuator. Sensor (sering juga dinamakan transduser) adalah sistem yang mengukur besaran lingkungan (misalnya suhu, tekanan, kelembaban, dsb.) dan mengkonversikannya menjadi besaran listrik (misalnya LM35 mengkonversi suhu menjadi tegangan listrik). analogto-digital converter adalah sistem yang mengkonversikan besaran listrik analog menjadi besaran listrik digital information processing adalah sistem yang memproses besaran digital menjadi besaran digital yang lain display adalah sistem yang menampilkan suatu besaran digital, misalnya layar monitor, LCD display, 7-segment display, dsb. Digital-to-Analog converter adalah sistem yang mengkonversikan besaran listrik digital menjadi besaran listrik analog aktor atau aktuator adalah sistem yang mengkonversikan besaran listrik analog menjadi besaran lainnya misalnya kecepatan putaran, dsb.

4.1. Sensor adalah suatu alat yang dapat mengubah suatu besaran fisis, kimia maupun biologi menjadi sinyal besaran fisis yang lain yang dapat diukur. Dengan demikian sensor digunakan sebagai indera suatu alat (instrument). Sensor merupakan elemen pertama yang bersentuhan langsung dengan obyek uang akan diukur. Sinyal dari sensor akan diteruskan ke unit proses selanjutnya untuk diolah sehingga menghasilkan output sesuai keinginan. Suatu sensor harus memenuhi kriteria yang telah ditetapkan, guna menentukan kualitas dari sebuah sensor. Kriteria yang harus dimiliki sensor, antara lain: • • •

Sensitif terhadap besaran yang diukur. Tidak sensitif terhadap besaran lainnya. Tidak mempengaruhi sifat objek yang diukur.

4.1.1. Peryaratan Umum Sensor Dalam memilih peralatan sensor yang tepat dan sesuai dengan sistem yang akan disensor maka perlu diperhatikan persyaratan umum sensor berikut ini : (D Sharon, dkk, 1982) a. Linearitas Ada banyak sensor yang menghasilkan sinyal keluaran yang berubah secara kontinyu sebagai tanggapan terhadap masukan yang berubah secara kontinyu. Sebagai contoh, sebuah sensor panas dapat menghasilkan tegangan sesuai dengan panas yang dirasakannya. Dalam kasus seperti ini, biasanya dapat diketahui secara tepat bagaimana perubahan keluaran dibandingkan dengan masukannya berupa sebuah grafik. Gambar 1.1 memperlihatkan hubungan dari dua buah sensor panas yang berbeda. Garis lurus pada gambar 1.1(a). memperlihatkan tanggapan linier, sedangkan pada gambar 1.1(b). adalah tanggapan non-linier.

 

111 

Gambar 4.1.kkeluaran dari tranduser panas (D Sharon dkk, 1982)

b. Sensitivitas Sensitivitas akan menunjukan seberapa jauh kepekaan sensor terhadap kuantitas yang diukur. Sensitivitas sering juga dinyatakan dengan bilangan yang menunjukan “perubahan keluaran dibandingkan unit perubahan masukan”. Beberepa sensor panas dapat memiliki kepekaan yang dinyatakan dengan “satu volt per derajat”, yang berarti perubahan satu derajat pada masukan akan menghasilkan perubahan satu volt pada keluarannya. Sensor panas lainnya dapat saja memiliki kepekaan “dua volt per derajat”, yang berarti memiliki kepakaan dua kali dari sensor yang pertama. Linieritas sensor juga mempengaruhi sensitivitas dari sensor. Apabila tanggapannya linier, maka sensitivitasnya juga akan sama untuk jangkauan pengukuran keseluruhan. Sensor dengan tanggapan paga gambar 1.1(b) akan lebih peka pada temperatur yang tinggi dari pada temperatur yang rendah.

c. Tanggapan Waktu Tanggapan waktu pada sensor menunjukan seberapa cepat tanggapannya terhadap perubahan masukan. Sebagai contoh, instrumen dengan tanggapan frekuensi yang jelek adalah sebuah termometer merkuri. Masukannya adalah temperatur dan keluarannya adalah posisi merkuri. Misalkan perubahan temperatur terjadi sedikit demi sedikit dan kontinyu terhadap waktu, seperti tampak pada gambar 1.2(a). Frekuensi adalah jumlah siklus dalam satu detik dan diberikan dalam satuan hertz (Hz). { 1 hertz berarti 1 siklus per detik, 1 kilohertz berarti 1000 siklus per detik]. Pada frekuensi rendah, yaitu pada saat temperatur berubah secara lambat, termometer akan mengikuti perubahan tersebut dengan “setia”. Tetapi apabila perubahan temperatur sangat cepat lihat gambar 1.2(b) maka tidak diharapkan akan melihat perubahan besar pada termometer merkuri, karena ia bersifat lamban dan hanya akan menunjukan temperatur rata-rata.

 

112 

Gambar 4.2. Temperature berubah secara kontinyu (D. Sharon dkk, 1982)

Ada bermacam cara untuk menyatakan tanggapan frekuensi sebuah sensor. Misalnya, “satu milivolt pada 500 hertz”. Tanggapan frekuensi dapat pula dinyatakan dengan “decibel (db)”, yaitu untuk membandingkan daya keluaran pada frekuensi tertentu dengan daya keluaran pada frekuensi referensi.

Yayan I.B, (1998), mengatakan ketentuan lain yang perlu diperhatikan dalam memilih sensor yang tepat adalah dengan mengajukan beberapa pertanyaan berikut ini: a. Apakah ukuran fisik sensor cukup memenuhi untuk dipasang pada tempat yang diperlukan? b. Apakah ia cukup akurat? c. Apakah ia bekerja pada jangkauan yang sesuai? d. Apakah ia akan mempengaruhi kuantitas yang sedang diukur?. Sebagai contoh, bila sebuah sensor panas yang besar dicelupkan kedalam jumlah air air yang kecil, malah menimbulkan efek memanaskan air tersebut, bukan menyensornya. a. Apakah ia tidak mudah rusak dalam pemakaiannya?. b. Apakah ia dapat menyesuaikan diri dengan lingkungannya? c. Apakah biayanya terlalu mahal?

 

113 

4.1.2. Jenis Sensor Perkembangan sensor sangat cepat sesuai kemajuan teknologi otomasi, semakin komplek suatu sistem otomasi dibangun maka semakin banyak jenis sensor yang digunakan. Robotik adalah sebagai contoh penerapan sistem otomasi yang kompleks, disini sensor yang digunakan dapat dikatagorikan menjadi dua jenis sensor yaitu: (D Sharon, dkk, 1982) a.

Internal sensor, yaitu sensor yang dipasang di dalam bodi robot. Sensor internal diperlukan untuk mengamati posisi, kecepatan, dan akselerasi berbagai sambungan mekanik pada robot, dan merupakan bagian dari mekanisme servo.

b.

External sensor, yaitu sensor yang dipasang diluar bodi robot. Sensor eksternal diperlukan karena dua macam alasan yaitu: 1) Untuk keamanan dan 2) Untuk penuntun.

Yang dimaksud untuk keamanan” adalah termasuk keamanan robot, yaitu perlindungan terhadap robot dari kerusakan yang ditimbulkannya sendiri, serta keamanan untuk peralatan, komponen, dan orang-orang dilingkungan dimana robot tersebut digunakan. Berikut ini adalah dua contoh sederhana untuk mengilustrasikan kasus diatas. Contoh pertama: andaikan sebuah robot bergerak keposisinya yang baru dan ia menemui suatu halangan, yang dapat berupa mesin lain misalnya. Apabila robot tidak memiliki sensor yang mampu mendeteksi halangan tersebut, baik sebelum atau setelah terjadi kontak, maka akibatnya akan terjadi kerusakan. Contoh kedua: sensor untuk keamanan diilustrasikan dengan problem robot dalam mengambil sebuah telur. Apabila pada robot dipasang pencengkram mekanik (gripper), maka sensor harus dapat mengukur seberapa besar tenaga yang tepat untuk mengambil telor tersebut. Tenaga yang terlalu besar akan menyebabkan pecahnya telur, sedangkan apabila terlalu kecil telur akan jatuh terlepas.

Kini bagaimana dengan sensor untuk penuntun atau pemandu?. Katogori ini sangatlah luas, tetapi contoh berikut akan memberikan pertimbangan. Contoh pertama: komponen yang terletak diatas ban berjalan tiba di depan robot yang diprogram untuk menyemprotnya. Apa yang akan terjadi bila sebuah komponen hilang atau dalam posisi yang salah?. Robot tentunya harus memiliki sensor yang dapat mendeteksi ada tidaknya komponen, karena bila tidak ia akan menyemprot tempat yang kosong. Meskipun tidak terjadi kerusakan, tetapi hal ini bukanlah sesuatu yang diharapkan terjadi pada suatu pabrik. Contoh kedua: sensor untuk penuntun diharapkan cukup canggih dalam pengelasan. Untuk melakukan operasi dengan baik, robot haruslah menggerakkan tangkai las sepanjang garis las yang telah ditentukan, dan juga bergerak dengankecepatan yang tetap serta mempertahankan suatu jarak tertentu dengan permukaannya.

 

114 

Sesuai dengan fungsi sensor sebagai pendeteksi sinyal dan meng-informasikan sinyal tersebut ke sistem berikutnya, maka peranan dan fungsi sensor akan dilanjutkan oleh transduser. Karena keterkaitan antara sensor dan transduser begitu erat maka pemilihan transduser yang tepat dan sesuai juga perlu diperhatikan.

4.1.3. Klasifikasi Sensor Secara umum berdasarkan fungsi dan penggunaannya sensor dapat dikelompokan menjadi 3 bagian yaitu: a. sensor thermal (panas) b. sensor mekanis c. sensor optik (cahaya)

Sensor thermal adalah sensor yang digunakan untuk mendeteksi gejala perubahan panas/temperature/suhu pada suatu dimensi benda atau dimensi ruang tertentu. Contohnya; bimetal, termistor, termokopel, RTD, photo transistor, photo dioda, photo multiplier, photovoltaik, infrared pyrometer, hygrometer, dsb. Sensor mekanis adalah sensor yang mendeteksi perubahan gerak mekanis, seperti perpindahan atau pergeseran atau posisi, gerak lurus dan melingkar, tekanan, aliran, level dsb. Contoh; strain gage, linear variable deferential transformer (LVDT), proximity, potensiometer, load cell, bourdon tube, dsb. Sensor optic atau cahaya adalah sensor yang mendeteksi perubahan cahaya dari sumber cahaya, pantulan cahaya ataupun bias cahaya yang mengernai benda atau ruangan. Contoh; photo cell, photo transistor, photo diode, photo voltaic, photo multiplier, pyrometer optic

4.2. Sensor Thermal AC. Srivastava, (1987), mengatakan temperatur merupakan salah satu dari empat besaran dasar yang diakui oleh Sistem Pengukuran Internasional (The International Measuring System). Lord Kelvin pada tahun 1848 mengusulkan skala temperature termodinamika pada suatu titik tetap triple point, dimana fase padat, cair dan uap berada bersama dalam equilibrium, angka ini adalah 273,16 oK ( derajat Kelvin) yang juga merupakan titik es. Skala lain adalah Celcius, Fahrenheit dan Rankine dengan hubungan sebagai berikut:

 

o

F = 9/5 oC + 32 atau

o

C = 5/9 (oF-32) atau

o

R = oF + 459,69

115 

Yayan I.B, (1998), mengatakan temperatur adalah kondisi penting dari suatu substrat. Sedangkan “panas adalah salah satu bentuk energi yang diasosiasikan dengan aktifitas molekul-molekul dari suatu substrat”. Partikel dari suatu substrat diasumsikan selalu bergerak. Pergerakan partikel inilah yang kemudian dirasakan sebagai panas. Sedangkan temperatur adalah ukuran perbandingan dari panas tersebut. Pergerakan partikel substrat dapat terjadi pada tiga dimensi benda yaitu: 1. Benda padat, 2. Benda cair dan 3. Benda gas (udara) Aliran kalor substrat pada dimensi padat, cair dan gas dapat terjadi secara : 1. Konduksi, yaitu pengaliran panas melalui kontak langsung.

benda padat (penghantar) secara

2. Konveksi, yaitu pengaliran panas melalui media cair secara kontak langsung. 3. Radiasi, yaitu pengaliran panas melalui media udara/gas secara kontak tidak langsung.

Pada aplikasi pendeteksian atau pengukuran tertentu, dapat dipilih salah satu tipe sensor dengan pertimbangan : 1. Penampilan (Performance) 2. Kehandalan (Reliable) dan 3. Faktor ekonomis ( Economic)

Pemilihan Jenis Sensor Suhu Hal-hal yang perlu diperhatikan sehubungan dengan pemilihan jenis sensor suhu adalah: (Yayan I.B, 1998) 1. Level suhu maksimum dan minimum dari suatu substrat yang diukur. 2. Jangkauan (range) maksimum pengukuran 3. Konduktivitas kalor dari substrat 4. Respon waktu perubahan suhu dari substrat 5. Linieritas sensor 6. Jangkauan temperatur kerja Selain dari ketentuan diatas, perlu juga diperhatikan aspek phisik dan kimia dari sensor seperti ketahanan terhadap korosi (karat), ketahanan terhadap guncangan, pengkabelan (instalasi), keamanan dan lain-lain.

Tempertur Kerja Sensor Setiap sensor suhu memiliki temperatur kerja yang berbeda, untuk pengukuran suhu disekitar kamar yaitu antara -35oC sampai 150oC, dapat dipilih sensor NTC, PTC, transistor, dioda dan IC hibrid. Untuk suhu menengah yaitu antara 150oC sampai 700oC,

 

116 

dapat dipilih thermocouple dan RTD. Untuk suhu yang lebih tinggi sampai 1500oC, tidak memungkinkan lagi dipergunakan sensor-sensor kontak langsung, maka teknis pengukurannya dilakukan menggunakan cara radiasi. Untuk pengukuran suhu pada daerah sangat dingin dibawah 65oK = -208oC ( 0oC = 273,16oK ) dapat digunakan resistor karbon biasa karena pada suhu ini karbon berlaku seperti semikonduktor. Untuk suhu antara 65oK sampai -35oC dapat digunakan kristal silikon dengan kemurnian tinggi sebagai sensor.

4.2.1. Bimetal Bimetal adalah sensor temperatur yang sangat populer digunakan karena kesederhanaan yang dimilikinya. Bimetal biasa dijumpai pada alat strika listrik dan lampu kelap-kelip (dimmer). Bimetal adalah sensor suhu yang terbuat dari dua buah lempengan logam yang berbeda koefisien muainya (α) yang direkatkan menjadi satu. Bila suatu logam dipanaskan maka akan terjadi pemuaian, besarnya pemuaian tergantung dari jenis logam dan tingginya temperatur kerja logam tersebut. Bila dua lempeng logam saling direkatkan dan dipanaskan, maka logam yang memiliki koefisien muai lebih tinggi akan memuai lebih panjang sedangkan yang memiliki koefisien muai lebih rendah memuai lebih pendek. Oleh karena perbedaan reaksi muai tersebut maka bimetal akan melengkung kearah logam yang muainya lebih rendah. Dalam aplikasinya bimetal dapat dibentuk menjadi saklar Normally Closed (NC) atau Normally Open (NO).

Gambar 4.3. Kontruksi Bimetal ( Yayan I.B, 1998)

Disini berlaku rumus pengukuran temperature dwi-logam yaitu :

ρ=

t[3(1 + m) 2 + (1 + mm)(m 2 + 1 / mn)] 6(α A + α B )(T2 − T1 )(1 + m) 2

(2.1) 

dan dalam praktek tB/tA = 1 dan (n+1).n =2, sehingga;

ρ=

 

2t 3(α A − α B )(T2 − T1 )

(2.2) 

117 

4.2.2. Termistor Termistor atau tahanan thermal adalah alat semikonduktor yang berkelakuan sebagai tahanan dengan koefisien tahanan temperatur yang tinggi, yang biasanya negatif. Umumnya tahanan termistor pada temperatur ruang dapat berkurang 6% untuk setiap kenaikan temperatur sebesar 1oC. Kepekaan yang tinggi terhadap perubahan temperatur ini membuat termistor sangat sesuai untuk pengukuran, pengontrolan dan kompensasi temperatur secara presisi. Termistor terbuat dari campuran oksida-oksida logam yang diendapkan seperti: mangan (Mn), nikel (Ni), cobalt (Co), tembaga (Cu), besi (Fe) dan uranium (U). Rangkuman tahanannya adalah dari 0,5 Ω sampai 75 Ω dan tersedia dalam berbagai bentuk dan ukuran. Ukuran paling kecil berbentuk mani-manik (beads) dengan diameter 0,15 mm sampai 1,25 mm, bentuk piringan (disk) atau cincin (washer) dengan ukuran 2,5 mm sampai 25 mm. Cincin-cincin dapat ditumpukan dan di tempatkan secara seri atau paralel guna memperbesar disipasi daya. Dalam operasinya termistor memanfaatkan perubahan resistivitas terhadap temperatur, dan umumnya nilai tahanannya turun terhadap temperatur secara eksponensial untuk jenis NTC ( Negative Thermal Coeffisien)

Gambar 4.4.. Konfigurasi Thermistor: (a) coated-bead (b) disk (c) dioda case dan (d) thin-film Teknik Kompensasi Termistor: Karkateristik termistor berikut memperlihatkan hubungan antara temperatur dan resistansi seperti tampak pada gambar 2.4

 

118 

Gambar 2.4. Grafik Termistor resistansi vs temperatuer: (a) logaritmik

(b) skala linier

Untuk pengontrolan perlu mengubah tahanan menjadi tegangan, berikut rangkaian dasar untuk mengubah resistansi menjadi tegangan.

Gambar 4.5. Rangkaian uji termistor sebagai pembagi tegangan

Thermistor dengan koefisien positif (PTC, tidak baku)

Gambar 4.6. Termistor jenis PTC: (a) linier

(b) switching

Cara lain untuk mengubah resistansi menjadi tegangan adalah dengan teknik linearisasi.

 

119 

Daerah resistansi mendekati linier

Untuk teknik kompensasi temperatur menggunakan rangkaian penguat jembatan lebih baik digunakan untuk jenis sensor resistansi karena rangkaian jembatan dapat diatur titik kesetimbangannya.

Gambar 4.7. Dua buah Termistor Linier: (a) Rangkaian sebenarnya (b) Rangkaian Ekivalen

 

120 

Gambar 4.8. Rangkaian penguat jembatan untuk resistansi sensor

4.2.3. Resistance Thermal Detector (RTD) RTD adalah salah satu dari beberapa jenis sensor suhu yang sering digunakan. RTD dibuat dari bahan kawat tahan korosi, kawat tersebut dililitkan pada bahan keramik isolator. Bahan tersebut antara lain; platina, emas, perak, nikel dan tembaga, dan yang terbaik adalah bahan platina karena dapat digunakan menyensor suhu sampai 1500o C. Tembaga dapat digunakan untuk sensor suhu yang lebih rendah dan lebih murah, tetapi tembaga mudah terserang korosi.

Gamabar. 4.9. Konstruksi RTD

RTD memiliki keunggulan dibanding termokopel yaitu: 1. Tidak diperlukan suhu referensi 2. Sensitivitasnya cukup tinggi, yaitu dapat dilakukan dengan cara mem-perpanjang kawat yang digunakan dan memperbesar tegangan eksitasi. 3. Tegangan output yang dihasilkan 500 kali lebih besar dari termokopel 4. Dapat digunakan kawat penghantar yang lebih panjang karena noise tidak jadi masalah 5. Tegangan keluaran yang tinggi, maka bagian elektronik pengolah sinyal menjadi sederhana dan murah.

 

121 

Resistance Thermal Detector (RTD) perubahan tahanannya lebih linear terhadap temperatur uji tetapi koefisien lebih rendah dari thermistor dan model matematis linier adalah:

RT = R0 (1 + αΔt )

Sedangkan model matematis nonliner kuadratik adalah:

Gambar 4.10. Resistansi versus Temperatur untuk variasi RTD metal

Bentuk lain dari Konstruksi RTD

Gambar 4.11. Jenis RTD:

(a) Wire (b) Ceramic Tube

(c) Thin Film

Rangkaian Penguat untuk three-wire RTD

 

122 

Gambar 4.12. (a) Three Wire RTD

(b) Rangkaian Penguat

Ekspansi Daerah Linier Ekspansi daerah linear dapat dilakukan dengan dua cara yaitu: 1. Menggunakan tegangan referensi untuk kompensasi nonlinieritas 2. Melakukan kompensasi dengan umpan balik positif

Gambar 4.13. Kompensasi non linier (a) Respon RTD non linier; koreksi

(b) Blok diagram rangkaian

4.2.4. Termokopel Pembuatan termokopel didasarkan atas sifat thermal bahan logam. Jika sebuah batang logam dipanaskan pada salah satu ujungnya maka pada ujung tersebut elektronelektron dalam logam akan bergerak semakin aktif dan akan menempati ruang yang semakin luas, elektron-elektron saling desak dan bergerak ke arah ujung batang yang

 

123 

tidak dipanaskan. Dengan demikian pada ujung batang yang dipanaskan akan terjadi muatan positif. Kerapatan electron untuk setiap bahan logam berbeda tergantung dari jenis logam. Jika dua batang logam disatukan salah satu ujungnya, dan kemudian dipanaskan, maka elektron dari batang logam yang memiliki kepadatan tinggi akan bergerak ke batang yang kepadatan elektronnya rendah, dengan demikian terjadilah perbedaan tegangan diantara ujung kedua batang logam yang tidak disatukan atau dipanaskan. Besarnya termolistrik atau gem ( gaya electromagnet ) yang dihasilkan menurut T.J Seeback (1821) yang menemukan hubungan perbedaan panas (T1 dan T2) dengan gaya gerak listrik yang dihasilkan E, Peltir (1834), menemukan gejala panas yang mengalir dan panas yang diserap pada titik hot-juction dan cold-junction, dan Sir William Thomson, menemukan arah arus mengalir dari titik panas ke titik dingin dan sebaliknya.

Gambar. 4.15. Beda potensial pada termokopel

Bila ujung logam yang tidak dipanaskan dihubung singkat, perambatan panas dari ujung panas ke ujung dingin akan semakin cepat. Sebaliknya bila suatu termokopel diberi tegangan listrik DC, maka diujung sambungan terjadi panas atau menjadi dingin tergantung polaritas bahan (deret Volta) dan polaritas tegangan sumber. Dari prinsip ini memungkinkan membuat termokopel menjadi pendingin. Thermocouple sebagai sensor temperatur memanfaatkan beda workfunction dua bahan metal.

Gambar 4.16. Hubungan Termokopel (a) titik beda potensial (b) daerah pengukuran dan titik referensi

4.2.5. Dioda sebagai Sensor Temperatur

 

124 

Dioda dapat pula digunakan sebagai sensor temperatur yaitu dengan memanfaatkan sifat tegangan junction

Dimanfaatkan juga pada sensor temperatur rangkaian terintegrasi (memiliki rangkaian penguat dan kompensasi dalam chip yang sama). Contoh rangkaian dengan dioda sebagai sensor temperature :

Contoh rangkaian dengan IC sensor

Rangkain alternatif untuk mengubah arus menjadi tegangan pada IC sensor temperature

 

125 

Gambar 4.20. Rangkaian peubah arus ke tegangan untuk IC termo sensor

4.2.6. Infrared Pyrometer

Sensor inframerah dapat pula digunakan untuk sensor temperatur

Gambar 4.21. Infrared Pyrometer sebagai sensor temperatur

Memfaatkan perubahan panas antara cahaya yang dipancarkan dengan diterima yang diterima pyrometer terhadap objek yang di deteksi.

4.3. Sensor Mekanik Pergerakkan mekanis adalah tindakan yang paling banyak dijumpai dalam kehidupan sehari-hari, seperti perpindahan suatu benda dari suatu posisi ke posisi lain, kecepatan mobil di jalan raya, dongrak mobil yang dapat mengangkat mobil seberat 10 ton, debit air didalam pipa pesat, tinggi permukaan air dalam tanki.

 

126 

Semua gerak mekanis tersebut pada intinya hanya terdiri dari tiga macam, yaitu gerak lurus, gerak melingkar dan gerak memuntir. Gerak mekanis disebabkan oleh adanya gaya aksi yang dapat menimbulkan gaya reaksi. Banyak cara dilakukan untuk mengetahui atau mengukur gerak mekanis misalnya mengukur jarak atau posisi dengan meter, mengukur kecepatan dengan tachometer, mengukur debit air dengan rotameter dsb. Tetapi jika ditemui gerakan mekanis yang berada dalam suatu sistem yang kompleks maka diperlukan sebuah sensor untuk mendeteksi atau mengimformasikan nilai yang akan diukur. Berikut akan dijabarkan beberapa jenis sensor mekanis yang sering dijumpai di dalam kehidupan sehari-hari.

4.3.1. Sensor Posisi Pengukuran posisi dapat dilakukan dengan cara analog dan digital. Untuk pergeseran yang tidak terlalu jauh pengukuran dapat dilakukan menggunakan cara-cara analog, sedangkan untuk jarak pergeseran yang lebih panjang lebih baik digunakan cara digital. Hasil sensor posisi atau perpindahan dapat digunakan untuk mengukur perpindahan linier atau angular. Teknis perlakuan sensor dapat dilakukan dengan cara terhubung langsung ( kontak ) dan tidak terhubung langsung ( tanpa kontak ).

4.3.1.1. Strain gauge (SG)

Strain gauge dapat dijadikan sebagai sensor posisi. SG dalam operasinya memanfaatkan perubahan resistansi sehingganya dapat digunakan untuk mengukur perpindahan yang sangat kecil akibat pembengkokan (tensile stress) atau peregangan (tensile strain). Definisi elastisitas (ε) strain gauge adalah perbandingan perubahan panjang (ΔL) terhadap panjang semula (L) yaitu:

atau perbandingan perubahan resistansi (ΔR) terhadap resistansi semula (R) sama dengan faktor gage (Gf) dikali elastisitas starin gage (ε) :

Secara konstruksi SG terbuat dari bahan metal tipis (foil) yang diletakkan diatas kertas. Untuk proses pendeteksian SG ditempelkan dengan benda uji dengan dua cara yaitu: 1. Arah perapatan/peregangan dibuat sepanjang mungkin (axial) 2. Arah tegak lurus perapatan/peregangan dibuat sependek mungkin (lateral)

 

127 

Gambar 4.22. Bentuk phisik strain gauge

Faktor gauge (Gf) merupakan tingkat elastisitas bahan metal dari SG. • metal incompressible Gf = 2 • piezoresistif Gf =30 • piezoresistif sensor digunakan pada IC sensor tekanan Untuk melakukan sensor pada benda uji maka rangkaian dan penempatan SG adalah • disusun dalam rangkaian jembatan • dua strain gauge digunakan berdekatan, satu untuk peregangan/perapatan , satu untuk kompensasi temperatur pada posisi yang tidak terpengaruh peregangan/ perapatan • respons frekuensi ditentukan masa tempat strain gauge ditempatkan

Gambar 4.23. Pemasangan strain gauge: (a) rangkaian jembatan (b) gage1 dan gage 2 posisi 90 (c) gage 1 dan gage 2 posisi sejajar

 

128 

4.3.1.2. Sensor Induktif dan Elektromagnet Sensor induktif memanfaatkan perubahan induktansi • sebagai akibat pergerakan inti feromagnetik dalam koil • akibat bahan feromagnetik yang mendekat

Gambar 4.24. Sensor posisi: (a) Inti bergeser datar (b) Inti I bergser berputar, (c) Rangkaian variable induktansi

Rangkaian pembaca perubahan induktansi : • dua induktor disusun dalam rangkaian jembatan, satu sebagai dummy. • tegangan bias jembatan berupa sinyal ac. • perubahan induktasi dikonversikan secara linier menjadi perubahan tegangan. • output tegangan ac diubah menjadi dc atau dibaca menggunakan detektor fasa.

Gambar 4.25. Rangkaian uji sensor posisi induktif Sensor elektromagnetik memanfatkan terbangkitkannya gaya emf oleh pada koil yang mengalami perubahan medan magnit. • output tegangan sebanding dengan kecepatan perubahan posisi koil terhadap sumber magnit.

 

129 

• perubahan medan magnit diperoleh dengan pergerakan sumber medan magnit atau pergerakan koilnya (seperti pada mikrofon dan loudspeaker).

Gambar 3.5. Pemakaian sensor posisi: (a) pada microphone, (b) pada loudspeaker

4.3.1.3. Linier Variable Differential Transformer (LVDT)

– memanfaatkan perubahan induksi magnit dari kumparan primer ke dua kumparan sekunder. – dalam keadaan setimbang, inti magnet terletak ditengah dan kedua kumparan sekunder menerima fluks yang sama. – dalam keadaan tidak setimbang, fluks pada satu kumparan naik dan yang lainnya turun. – tegangan yang dihasilkan pada sekunder sebading dengan perubahan posisi inti magnetic.

– hubungan linier bila inti masih disekitar posisi kesetimbangan.

 

130 

Gambar 3.6. LVDT sebagai sensor posisi: (a) konstruksi LVDT, (b) Rangakaian rangkaia uji LVDT, (d) Karakteristik LVDT

listrik, (c)

– rangkaian detektor sensitif fasa pembaca perpindahan dengan LVDT

Gambar 3.7. Rangkain uji elektronik LVDT

 

131 

4.3.1.4. Detektor Proximity (a) saklar reed yang memanfatkan saklar yang terhubung atau terlepas berdasarkan medan magnet. (b) RF-lost akibat adanya bahan metal yang menyerap medan magnet (frekuensi 40-200 kHz) yang mengakibatkan detector RF turun akibat pembebanan rangkaian resonansi LC pada osilator. (c) Detector kapasitansi mengamati perubahan kapasitansi oleh bahan nonkonduktor. (d) pancaran cahaya terfokus.

Gambar 3.18. Beberapa sensor proximity

4.3.1.5. Potensiometer Potensiometer yang tersedia di pasaran terdiri dari beberapa jenis, yaitu: potensiometer karbon, potensiometer wire wound dan potensiometer metal film. 1. Potensiometer karbon adalah potensiometer yang terbuat dari bahan karbon harganya cukup murah akan tetapi kepressian potensiometer ini sangat rendah biasanya harga resistansi akan sangat mudah berubah akibat pergeseran kontak. 2. Potensiometer gulungan kawat (wire wound) adalah potensiometer yang menggunakan gulungan kawat nikelin yang sangat kecil ukuran penampangnya.

 

132 

Ketelitian dari potensiometer jenis ini tergantung dari ukuran kawat yang digunakan serta kerapihan penggulungannya. 3. Metal film adalah potensiometer yang menggunakan bahan metal yang dilapiskan ke bahan isolator.

Gambar 3.19 Macam Potensiometer

Potensiometer karbon dan metal film jarang digunakan untuk kontrol industri karena cepat aus. Potensiometer wire wound adalah potensiometer yang menggunakan kawat halus yang dililit pada batang metal. Ketelitian potensiometer tergantung dari ukuran kawat. Kawat yang digunakan biasanya adalah kawat nikelin. Penggunaan potensiometer untuk pengontrolan posisi cukup praktis karena hanya membutuhkan satu tegangan eksitasi dan biasanya tidak membutuhkan pengolah sinyal yang rumit. Kelemahan penggunaan potensiometer terutama adalah: 1. Cepat aus akibat gesekan 2. Sering timbul noise terutama saat pergantian posisi dan saaat terjadi lepas kontak 3. Mudah terserang korosi 4. Peka terhadap pengotor

Potensiometer linier adalah potensiometer yang perubahan tahanannya sangat halus dengan jumlah putaran sampai sepuluh kali putaran (multi turn). Untuk keperluan sensor posisi potensiometer linier memanfaatkan perubahan resistansi, diperlukan proteksi apabila jangkauan ukurnya melebihi rating, linearitas yang tinggi hasilnya mudah dibaca tetapi hati-hati dengan friksi dan backlash yang ditimbulkan, resolusinya terbatas yaitu 0,2 – 0,5%

 

133 

Gambar 3.20. Rangkaian uji Potensiometer

4.3.1.6. Optical lever displacement detektor • memanfaatkan pematulan berkas cahaya dari sumber ke detektor • linieritas hanya baik untuk perpindahan yang kecil

Gambar 3.21. Optical Lever Displacement Detector

4.3.2. Sensor Kecepatan ( Motion Sensor ) Pengukuran kecepatan dapat dilakukan dengan cara analog dan cara digital. Secara umum pengukuran kecepatan terbagi dua cara yaitu: cara angular dan cara translasi. Untuk mengukur kecepatan translasi dapat diturunkan dari cara pengukuran angular. Yang dimaksud dengan pengukuran angular adalah pengukuran kecepatan rotasi (berputar), sedangkan pengukuran kecepatan translasi adalah kecepatan gerak lurus beraturan dan kecepatan gerak lurus tidak beraturan.

 

134 

4.3.2.1. Tacho Generator Sensor yang sering digunakan untuk sensor kecepatan angular adalah tacho generator. Tacho generator adalah sebuah generator kecil yang membangkitkan tegangan DC ataupun tegangan AC. Dari segi eksitasi tacho generator dapat dibangkitkan dengan eksitasi dari luar atau imbas elektromagnit dari magnit permanent. Tacho generator DC dapat membangkitkan tegangan DC yang langsung dapat menghasilkan informasi kecepatan, sensitivitas tacho generator DC cukup baik terutama pada daerah kecepatan tinggi. Tacho generator DC yang bermutu tinggi memiliki kutub-kutub magnit yang banyak sehingga dapat menghasilkan tegangan DC dengan riak gelombang yang berfrekuensi tinggi sehingga mudah diratakan. Keuntungan utama dari tacho generator ini adalah diperolehnya informasi dari arah putaran. Sedangakan kelemahannya adalah : 1. Sikat komutator mudah habis 2. Jika digunakan pada daerah bertemperatur tinggi, maka magnet permanent akan mengalami kelelahan, untuk kasus ini, tacho generator sering dikalibrasi. 3. Peka terhadap debu dan korosi Tacho generator AC berupa generator singkron, magnet permanent diletakkan dibagian tengah yang berfungsi sebagai rotor. Sedangkan statornya berbentuk kumparan besi lunak. Ketika rotor berputar dihasilkan tegangan induksi di bagian statornya. Tipe lain dari tacho generator AC adalah tipe induksi, rotor dibuat bergerigi, stator berupa gulungan kawat berinti besi. Medan magnet permanent dipasang bersamaan di stator. Ketika rotor berputar, terjadi perubahan medan magnet pada gigi yang kemudian mengimbas ke gulungan stator. Kelebihan utama dari tacho generator AC adalah relatif tahan terhadap korosi dan debu, sedangkan kelemahannya adalah tidak memberikan informasi arah gerak.

Stator magnet pemanen Rotor inti besi berputar  bersama kumparan dan  komutator

Komutator  berputar  bersama  rotor Terminal keluaran   

Kumparan, ujung‐ujung  kawatnya dihubungkan  ke komutator

Gambar 3.22. Kontruksi Tacho Generator DC

 

135 

Rotor magnet  permanent  dii t U

S

Tegangan  k l AC

Kumparan stator

Gambar 3.23. Kontruksi Tacho Generator AC

Rotor  bergerigi  

U

U Tegangan  keluaran AC

S

S

Kumparan stator  magnit permanen 

Gambar 3.24. Kontruksi Tacho Generator AC dengan rotor bergerigi 4.3.2.2. Pengukuran Kecepatan Cara Digital. Pengukuran kecepatan cara digital dapat dilakukan dengan cara induktif, kapasitif dan optik. Pengukuran dengan cara induksi dilakukan menggunakan rotor bergerigi, stator dibuat dari kumparan yang dililitkan pada magnet permanen. Keluaran dari sensor ini berupa pulsa-pulsa tegangan. Penggunaan cara ini cukup sederhana, sangat praktis tanpa memerlukan kopling mekanik yang rumit, serta memiliki kehandalan yang tinggi, tetapi kelemahannya tidak dapat digunakan untuk mengukur kecepatan rendah dan tidak dapat menampilkan arah putaran. Rotor bergigi 

Kumparan  Induktor 

Magnit  Permanen 

Gambar 3.25. Sensor Kecepatan Digital Tipe Induktor

 

136 

Tipe lain sensor kecepatan adalah cara Optik. Rotor dibuat dari bahan metal atau plastik gelap, rotor dibuat berlubang untuk memberi tanda kepada sensor cahaya. Bila diinginkan informasi arah kecepatan, digunakan dua buah sensor yang dipasang berdekatan. Informasi arah gerah dapat diperoleh dengan cara mendeteksi sensor mana yang lebioh dahulu mendapat sinar (aktif). Sensor cahaya sangat peka terhadap pengotor debu, olej karena itu keselurujan bagian sensor (stator dan rotor) harus diletakkan pada kemasan tertutup. Kelebihan sensor ini memiliki linearitas yang sangat tinggi untuk daerah jangkauan yang sangat luas. Kelemahannya adalah masih diperlukan adanya kopling mekanik dengan sistem yang di sensor.

Elemen sensor  cahaya 

Gambar 3.26. Sensor Kecepatan Cara Optik

Sensor kecepatan digital lain adalah menggunakan kapsitf, yaitu rotor dibuat dari bahan metal, bentuknya bulat. Rotor berputar dengan poros tidak sepusat atau bergeser kepinggir sedikit. Stator dibuat dari bahan metal dipasang dengan melengkung untuk memperbesar sensitivitas dari sensor. Ketika rotor diputar maka akan terjadi perubahan kapasitansi diantara rotor dan stator karena putaran rotor tidak simetris. Penerapan dari sensor ini teruatama jika diperlukan pemasangan sensor kecepatan yang berada dilingkungan fluida. Isolator

Sumbu  t

Gambar 3.27. Sensor Kecepatan Cara Kapasitansi.

4.3.3. Sensor Tekanan ( Presure Sensor ) • Transduser tekanan dan gaya (load cell)

 

137 

– terdiri dari bahan elastis dan sensor perpindahan (displacement) – besaran ukur (i) strain atau (ii) displacement – pengelompokan: tipe absolute gauge dan diferensial

Gambar 3.28. Sensor tekanan diafragma: diafragma tipe datar, (b) diafragma bergelombang, (c) media kapasistansi

• sensor tekanan dengan diafragma reliable, sukar dibuat, reproducible. a. besaran ukur strain dengan strain gauge atau displacement dengan kapasitansi. b. pengukuran dengan kapasitansi dalam rangkaian jembatan sangat sensitif dan mahal. c. Penempatan dan rangkaian sensor. d.

• rangkaian jembatan untuk kompensasi temperature. • resistor sensitif temperatur baik dalam jembatan maupun pada regulator tegangan.

 

138 

Gambar 3.29. Rangkaian uji sensor tekanan strain gauge: (a) rangakaian jembatan tanpa kompensator, (b) rangakaian jembatan dengan kompensator

4.3.3.1. Transduser Tekanan silikon – memanfaatkan silikon sebagai bahan strain ukur dan diafragmanya, rangkaian bisa terintegrasi – lebih sensistif dari metal karena strain (displacement) dan sifat piezoresistif muncul bersamaan – selalu menggunakan 4 gauge dalam jembatan, masalah yang dihadapi • gauge tidak identik • sangat sensitif terhadap temperatur – alternatif solusi: • eksitasi arus • kompensasi tegangan jembatan • kompensasi penguatan amplifier

 

139 

(c) 

Gambar 3.30. Straingage piezoresistif: (a) phisik peizoresistif straingage, (b) karakteristik peizoresistif sg, (c) respon temperatur pada konfigurasi jembatan

– konstruksi sensor tekanan silikon • diafragma dengan proses etsa • strain gauge dengan difusi dopan

Gambar 3.31. Sensor tekanan jenis diafragma silicon: (a) diafragma datar, (b) diafragma melingkar lebih sensitif

– konstruksi paket sensor tekanan silikon dengan rangkaian kompensasi dan penguat

 

140 

Gambar 3.32. Sensor tekanan semikonduktor: (a) konstruksi sensor, (b)blok diagram rangkaian sensor 4.3.3.2. Sensor Tekanan Tipe Bourdon dan Bellow – besaran ukur perpindahan (displacement) memanfaatkan LVDT, sensor reluktansi-variabel, potensiometer. – konversi tekanan ke perpindahan menggunakan tabung Bourdon atau Bellows.

Gambar 3.33. Sensor tekanan tipe lain: (a) dan (b) tipe Bourdon, (c) dan (d) tipe bellow 4.3.3.3. Load cell

 

141 

– cara kerja mirip dengan sensor tekanan yaitu mengubah gaya menjadi perpindahan. – menggunakan rangkaian jembatan untuk pembacaan, kalibrasi dan kompensasi temperatur. – alternatif lain menggunakan kristal piezoelektrik untuk mengukur perubahan gaya – konfigurasi load cell

Gambar 3.34. Beberapa Contoh Konfigurasi Load Cell

• Spesifikasi Error dan Nonlinearitas pada Sensor

Gambar 3.35. Respon sensor secara umum (a) Simpangan dari garis linear (b) Bentuk sinyal terdefinisi

 

142 

4.3.4. Sensor Aliran Fluida ( Flow Sensor ) Pengukuran aliran mulai dikenal sejak tahun 1732 ketika Henry Pitot mengatur jumlah fluida yang mengalir. Dalam pengukuran fluida perlu ditentukan besaran dan vektor kecepatan aliran pada suatu titik dalam fluida dan bagaimana fluida tersebut berubah dari titik ke titik. Pengukuran atau penyensoran aliran fluida dapat digolongkan sebagai berikut: 1. Pengukuran kuantitas Pengukuran ini memberikan petunjuk yang sebanding dengan kuantitas total yang telah mengalir dalam waktu tertentu. Fluida mengalir melewati elemen primer secara berturutan dalam kuantitas yang kurang lebih terisolasi dengan secara bergantian mengisi dan mengosongkan bejana pengukur yang diketahui kapasitasnya. Pengukuran kuantitas diklasifikasikan menurut : a. Pengukur gravimetri atau pengukuran berat b. Pengukur volumetri untuk cairan c. Pengukur volumetri untuk gas 2. Pengukuran laju aliran Laju aliran Q merupakan fungsi luas pipa A dan kecepatan V dari cairan yang mengalir lewat pipa, yakni: Q = A.V tetapi dalam praktek, kecepatan tidak merata, lebih besar di pusat. Jadi kecepatan terukur rata-rata dari cairan atau gas dapat berbeda dari kecepatan rata-rata sebenarnya. Gejala ini dapat dikoreksi sebagai berikut: Q = K.A.V di mana K adalah konstanta untuk pipa tertentu dan menggambarkan hubungan antara kecepatan rata-rata sebenarnya dan kecepatan terukur. Nilai konstantaini bisa didapatkan melalui eksperimen. Pengukuran laju aliran digunakan untuk mengukur kecepatan cairan atau gas yang mengalir melalui pipa. Pengukuran ini dikelompokkan lagi menurut jemis bahan yang diukur, cairan atau gas, dan menurut sifat-sifat elemen primer sebagai berikut:

 

a.

Pengukuran laju aliran untuk cairan: - jenis baling-baling defleksi - jenis baling-baling rotasi - jenis baling-baling heliks - jenis turbin - pengukur kombinasi - pengukur aliran magnetis - pengukur aliran ultrasonic - pengukur aliran kisaran (vorteks) - pengukur pusaran (swirl)

b.

Pengukuran laju aliran gas - jenis baling-baling defleksi - jenis baling-baling rotasi 143 

- jenis termal 3. Pengukuran metoda diferensial tekanan Jenis pengukur aliran yang paling luas digunakan adalah pengukuran tekanan diferensial. Pada prinsipnya beda luas penampang melintang dari aliran dikurangi dengan yang mengakibatkan naiknya kecepatan, sehingga menaikan pula energi gerakan atau energi kinetis. Karena energi tidak bisa diciptakan atau dihilangkan ( Hukum perpindahan energi ), maka kenaikan energi kinetis ini diperoleh dari energi tekanan yang berubah.. Lebih jelasnya, apabila fluida bergerak melewati penghantar (pipa) yang seragam dengan kecepatan rendah, maka gerakan partikel masing-masing umumnya sejajar disepanjang garis dinding pipa. Kalau laju aliran meningkat, titik puncak dicapai apabila gerakan partikel menjadi lebih acak dan kompleks. Kecepatan kira-kira di mana perubahan ini terjadi dinamakan kecepatan kritis dan aliran pada tingkat kelajuan yang lebih tinggi dinamakan turbulen dan pada tingkat kelajuan lebih rendah dinamakan laminer.

Kecepatan kritis dinamakan juga angka Reynold, dituliskan tanpa dimensi:

RD =

DρV

μ

di mana : D

=

dimensi penampang arus fluida, biasanya diameter

ρ

=

kerapatan fluida

V

=

kecepatan fluida

Μ

=

kecepatan absolut fluida

Batas kecepatan kritisuntuk pipa biasanya berada diantara 2000 dan 2300.

Pengukuran aliran metoda ini dapat dilakukan dengan banyak cara misalnya: menggunakan pipa venturi, pipa pitot, orifice plat (lubang sempit), turbine flow meter, rotameter, cara thermal, menggunakan bahan radio aktif, elektromagnetik, ultar sonic dan flowmeter gyro. Cara lain dapat dikembangkan sendiri sesuai dengan kebutuhan proses. Yang dibahas dalam buku ini adalah sensor laju aliran berdasarkan perbedaan tekanan.

4.3.4.1. Sensor Aliran Berdasarkan Perbedaan Tekanan Metoda ini berdasarkan Hukum Bernoulli yang menyatakan hubungan :

P1 + 12 ρν 1 + ρ .g .h1 = P2 + 12 ρν 2 + ρ .g .h2 2

 

2

144 

Gambar 3.36. Hukum Kontiunitas

Jika h1 dan h2 dibuat sama tingginya maka

P1 + 12 ρν 1 = P2 + 12 ρν 2 2

2

atau

1 2

ρ .(ν 1 2 − ν 2 2 ) = P2 + P1

Perhatian : Rumus diatas hanya berlaku untuk aliran Laminer, yaitu aliran yang memenuhi prinsip kontinuitas. Pipa pitot, orifice plate, pipa venturi dan flow Nozzle menggunakan hukum Bernoulli diatas. Prinsip dasarnya adalah membentuk sedikit perubahan kecepatan dari aliran fluida sehingga diperoleh perubahan tekanan yang dapat diamati. Pengubahan kecepatan aliran fluida dapat dilakukan dengan mengubah diameter pipa, hubungan ini diperoleh dari Hukum kontiunitas aliran fluida. Perhatikan rumus berikut: A1 .D1 = A2 .D2 , di mana : A = luas penampang pipa, B = debit fluida Karena debit fluida berhubungan langsung dengan kecepatan fluida, maka jelas kecepatan fluida dapat diubah dengan cara mengubah diameter pipa.

4.3.4.1.1. Orifice Plate Alat ukur terdiri dari pipa dimana dibagian dalamnya diberi pelat berlubang lebih kecil dari ukuran diameter pipa. Sensor tekanan diletakan disisi pelat bagian inlet (P1) dan satu lagi dibagian sisi pelat bagian outlet (P2). Jika terjadi aliran dari inlet ke outlet, maka tekanan P1 akan lebih besar dari tekanan outlet P2. Keuntungan utama dari Orfice plate ini adalah dari : 1. Konstruksi sederhana 2. Ukuran pipa dapat dibuat persis sama dengan ukuran pipa sambungan. 3. Harga pembuatan alat cukup murah 4. Output cukup besar

 

145 

Kerugian menggunakan cara ini adalah : 1. Jika terdapat bagian padat dari aliran fluida, maka padat bagian tersebut akan terkumpul pada bagian pelat disisi inlet. 2. Jangkauan pengukuran sangat rendah 3. Dimungkinkan terjadinya aliran Turbulen sehingga menyebabkan kesalahan pengukuran jadi besar karena tidak mengikuti prinsip aliran Laminer. 4. Tidak memungkinkan bila digunakan untuk mengukur aliran fluida yang bertekanan rendah.

Gambar 3.37. Orifice Plate

Jumlah fluida yang mengalir per satuan waktu ( m3/dt) adalah :

2g

Q = KA2

ρ

P1 − P2

di mana : Q = jumlah fluida yang mengalir ( m3/dt) K = konstanta pipa A2 = luas penampang pipa sempit P = tekanan fluida pada pipa 1 dan 2 ρ = masa jenis fluida g = gravitasi bumi Rumus ini juga berlaku untuk pipa venturi

4.3.4.1.2. Pipa Venturi Bentuk lain dari pengukuran aliran dengan beda tekanan adalah pipa venture. Pada pipa venture, pemercepat aliran fluida dilakukan dengan cara membentuk corong sehingga aliran masih dapat dijaga agar tetap laminar. Sensor tekana pertama (P1) diletakkan pada sudut tekanan pertama dan sensor tekanan kedua diletakkan pada bagian yang plaing menjorok ke tengah. Pipa venturi biasa dipergunakan untuk mengukur aliran cairan.

 

146 

Keuntungan dari pipa venturi adalah: 1.Partikel padatan masih melewati alat ukur 2. Kapasitas aliran cukup besar 3. Pengukuran tekana lebih baik dibandingkan orifice plate. 4. Tahan terhadapa gesakan fluida. Kerugiannya adalah: 1. Ukuiran menjadi lebih besar 2. Lebih mahal dari orifice plate 3. Beda tekanan yang ditimbulkan menjadi lebih kecil dari orifice plate.

Gambar 3.38. Pipa Venturi

4.3.4.1.3. Flow Nozzle Tipe Flow Nozzle menggunakan sebuah corong yang diletakkan diantara sambungan pipa sensor tekanan P1 dibagian inlet dan P2 dibagian outlet. Tekanan P2 lebih kecil dibandingkan P1. Sensor jenis ini memiliki keunggulan diabnding venture dan orifice plate yaitu: 1. Masih dapat melewatkan padatan 2. Kapasitas aliran cukup besar 3. Mudah dalam pemasangan 4. Tahan terhadap gesekan fluida 5. Beda tekanan yang diperoleh lebih besar daripada pipa venturi 6. Hasil beda tekanan cukup baik karena aliran masih laminer

 

147 

P1 

P2 

P1 > P2  Aliran  fluida  Gambar 3.39. Flow Nozzle 4.3.4.1.4. Pipa Pitot Konstruksi pipa ini adalah berupa pipa biasa sedang di bagian tengah pipa diselipkan pipa kecil yang dibengkokkan ke arah inlet. Jenis pipa ini jarang dipergunakan di industri karena dengan adanya pipa kecil di bagian tengah akan menyebabkan benturan yang sangat kuat terhadap aliran fluida. Alat ini hanya dipergunakan untuk mengukur aliran fluida yang sangat lambat. P1 

P2 

P1 > P2  Aliran  fluida

Gambar 3.40. Pipa Pitot 4.3.4.1.5. Rotameter Rotameter terdiridari tabung vertikal dengan lubang gerak di mana kedudukan pelampung dianggap vertical sesuai dengan laju aliran melalui tabung (Gambar 3.41). Untuk laju aliran yang diketahui, pelampung tetap stasioner karena gaya vertical dari tekanan diferensial, gravitasi, kekentalan, dan gaya-apung akan berimbang. Jadi kemampuan menyeimbangkan diri dari pelampung yang digantung dengan kawat dan tergantung pada luas dapat ditentukan. Gaya kebawah (gravitasi dikurangi gaya apung) adalah konstan dan demikian pula gaya keatas (penurunan tekanan dikalikan luas pelampung) juga harus konstan.

 

148 

Gambar 3.41. Rotameter

Pelampung dapat dibuat dari berbagai bahan untuk mendapatkan beda kerapatan yang diperlukan (Wf-Wff) untuk mengukur cairan atau gas tertentu. Tabung sering dibuat dari gelas berkekuatan tinggi sehingga dapat dilakukan pengamatan langsung terhadap kedudukan pelampung.

4.3.4.2. Cara-cara Thermal Cara-cara thermal biasanya dipergunakan untuk mengukur aliran udara. Pengukuran dengan menggunakan carathermal dapat dilakukan dengan cara-cara : ƒ Anemometer kawat panas ƒ Teknik perambatan panas 4.3.4.2.1. Anemometer Kawat Panas Metoda ini cukup sederhana yaitu dengan menggunakan kawat yang dipanaskan oleh aliran listrik, arus yang mengalir pada kawat dibuat tetap konstan menggunakan sumber arus konstan. Jika ada aliran udara, maka kawat akan mendingin (seperti kita meniup lilin) dengan mendinginnya kawat, maka resistansi kawat menurun. Karena dipergunakan sumber arus konstan, maka kita dapat menyensor tegangan pada ujung-ujung kawat. Sensor jenis ini memiliki sensitivitas sangat baik untuk menyensor aliran gas yang lambat. Namun sayangnya penginstalasian keseluruhan sensor tergolong sulit.

Disini berlaku rumus :

I 2 Rw = K c hc A(Tw − Tt ) di mana : I

= arus kawat

Rw = resistansi kawat Kc = faktor konversi, panas ke daya listrik Tw = temperatur kawat

 

149 

Tt = temperatur fluida yang mengalir Hc = koefisien film (pelapis) dari perpindahan panas A

= luas perpindahan panas

Gambar 3.42. Kontruksi Anemometer Kawat Panas

4.3.4.2.2. Perambatan Panas Pada teknik perambatan panas, pemanas dipasang pada bagian luar pipa, pipa tersebut terbuat dari bahan logam. Di kiri dan kanan pemanas, dipasang bahan isolator panas, dan pada isolator ini dipasang sensor suhu. Bila udaramengalir dari kiri ke kanan, maka suhu disebelah kiri akan terasa lebih dingin dibanding suhu sebelah kanan.

Gambar 3.43. Flowmeter Rambatan Panas

Sensor suhu yang digunakan dapat berupa sensor resistif tetapi yang biasa terpasang adalah thermokopel karena memiliki respon suhu yang cepat. Sensor aliran perambatan panas tipe lama, memanaskan seluruh bagian dari saluran udara, sehingga dibutuhkan pemanas sampai puluhan kilowatt, untuk mengurangi daya panas tersebut digunakan tipe baru dengan membelokkan sebagian kecil udara kedalam sensor.

4.3.4.3. Flowmeter Radio Aktif

 

150 

Teknik pengukuran aliran dengan radio aktif adalah dengan menembakkan partikel netron dari sebuah pemancar radio aktif. Pada jarak tertentu kea rah outlet, dipasang detector. Bila terjadi aliran, maka akan terdeteksi adanya partikel radio aktif, jumlah partikel yang terdeteksi pada selang tertentu akan sebanding dengan kecepatan aliran fluida. Teknik lain yang masih menggunakan teknik radio aktif adalah dengan cara mencampurkan bahan radio aktif kedalam fluida kemudian pada bagian-bagian tertentu dipasang detector. Teknik ini dilakukan bila terjadi kesulitan mengukur misalnya karena bahan aliran terdiri dari zat yang berada pada berbagai fase. Teknik radio aktif ini juga biaa dipergunakan pada pengobatan yaitu mencari posisi pembuluh darah yang macet bagi penderita kelumpuhan.

Gambar 3.44. Flowmeter Cara Radiasi Nuklir

4.3.4.4. Flowmeter Elektromagnetis Flowmeter jenis ini biasa digunakan untuk mengukur aliran cairan elektrolit. Flowmeter ini menggunakan prinsip Efek Hall, dua buah gulungan kawat tembaga dengan inti besi dipasang pada pipa agar membangkitkan medan magnetik. Dua buah elektroda dipasang pada bagian dalam pipa dengan posisi tegak lurus arus medan magnet dan tegak lurus terhadap aliran fluida. Bila terjadi aliran fluida, maka ion-ion posistif dan ion-ino negatif membelok ke arah elektroda. Dengan demikian terjadi beda tegangan pada elektroda-elektrodanya. Untuk menghindari adanya elektrolisa terhadap larutan, dapat digunakan arus AC sebagai pembangkit medan magnet.

Gambar 3.45. Prinsip Pengukuran Aliran menggunakan Efek Hall

 

151 

4.3.4.5. Flowmeter Ultrasonic Flowmeter ini menggunakan Azas Doppler.Dua pasang ultrasonic transduser dipasang pada posisi diagonal dari pipa, keduanya dipasang dibagian tepi dari pipa, untuk menghindari kerusakan sensor dantyransmitter, permukaan sensor dihalangi oleh membran. Perbedaan lintasan terjadi karena adanya aliran fluida yang menyebabkan pwerubahan phase pada sinyal yang diterima sensor ultrasonic

Gambar 3.46. Sensor Aliran Fluida Menggunakan Ultrasonic

4.3.5. Sensor Level Pengukuran level dapat dilakukan dengan bermacam cara antara lain dengan: pelampung atau displacer, gelombang udara, resistansi, kapasitif, ultra sonic, optic, thermal, tekanan, sensor permukaan dan radiasi. Pemilihan sensor yang tepat tergantung pada situasi dan kondisi sistem yang akan di sensor.

4.3.5.1. Menggunakan Pelampung Cara yang paling sederhana dalam penyensor level cairan adalah dengan menggunakan pelampung yang diberi gagang. Pembacaan dapat dilakukan dengan memasang sensor posisi misalnya potensiometer pada bagian engsel gagang pelampung. Cara ini cukup baik diterapkan untuk tanki-tanki air yang tidak terlalu tinggi.

Gambar 3.47. Sensor Level Menggunakan Pelampung  

152 

4.3.5.2. Menggunakan Tekanan Untuk mengukur level cairan dapat pula dilakukan menggunakan sensor tekanan yang dipasang di bagian dasar dari tabung. Cara ini cukup praktis, akan tetapi ketelitiannya sangat tergantung dari berat jenis dan suhu cairan sehingga kemungkinan kesalahan pembacaan cukup besar. Sedikit modifikasi dari cara diatas adalah dengan cara mencelupkan pipa berisi udara kedalam cairan. Tekanan udara didalam tabung diukur menggunakan sensor tekanan, cara ini memanfaatkan hukum Pascal. Kesalahan akibat perubahan berat jenis cairan dan suhu tetap tidak dapat diatasi.

Gambar 3.48. Sensor Level Menggunakan Sensor Tekanan

4.3.5.3. Menggunakan Cara Thermal Teknik ini didasarkan pada fakta penyerapan kalor oleh cairan lebih tinggi dibandingkan penyerapan kalor oleh uapnya, sehingga bagian yang tercelup akan lebih dingin dibandingkan bagian yang tidak tercelup. Kontruksi dasar sensor adalah terdidiri dari sebuah elemen pemanas dibentuk berliku-liku dan sebuah pemanas lain dibentuk tetap lurus. Dua buah sensor diletakkan berhadapan dengan bagian tegakdari pemanas, sebuah sensor tambahan harus diletakkan selalu berada dalam cairan yang berfungsi untuk pembanding. Kedua sensor yang berhadapan dengan pemanas digerakkan oleh sebuah aktuator secara perlahan-lahan dengan perintah naik atau turun secara bertahap. Mula-mula sensor diletakkan pada bagian paling atas, selanjutnya sensor suhu digerakkan ke bawah perlahan-lahan, setiap terdeteksi adanya perubahan suhu pada sensor yang berhadapan pada pemanas berliku, maka dilakukan penambahan pencacahan terhadap pencacah elektronik. Pada saat sensor yang berhadapan dengan pemanas lurus mendeteksi adanya perubahan dari panas ke dingin, maka hasil pencacahan ditampilkan pada peraga. Sensor level cairan dengan cara thermal ini biasanya digunakan pada tankitanki boiler, karena selain sebagai sensor level cairan, juga dapat dipergunakan untuk mendeteksi gradien perubahan suhu dalam cairan.

 

153 

Gambar 3.49. Teknik Penyensoran Level Cairan Cara Thermal

Gambar 3.50. Blok Diagram Pengolahan dan Pendisplayan Sensor Level Menggunakan Cara Thermal

4.3.5.4. Menggunakan Cara Optik Pengukuran level menggunakan optic didasarkan atas sifat pantulanpermukaan atau pembiasan sinar dari cairan yang disensor. Ada beberapa carayang dapat digunakan untuk penyensoran menggunakan optic yaitu: 1. Menggunakan sinar laser 2. Menggunakan prisma 3. Menggunakan fiber optik

4.3.5.4.1. Menggunakan Sinar Laser

 

154 

Sinar laser dari sebuah sumber sinar diarahkan ke permukaan cairan, kemudian pantulannya dideteksi menggunakan detector sinar laser. Posisi pemancar dan detector sinar laser harus berada pada bidang yang sama. Detektor dan umber sinar laser diputar. Detektor diarahkan agar selalu berada pada posisi menerima sinar. Jika sinar yang datang diterima oleh detektor, maka level permukaan cairan dapat diketahui dngan menghitung posisi-posisi sudut dari sudut detektor dan sudut pemancar. Pemanca

Penerima

Sinar laser

Gambar 3.51. Sensor Level menggunakan Sinar Laser

4.3.5.4.2. Menggunakan Prisma Teknik ini memanfaatkan harga yang berdekatan antara index bias air dengan index bias gelas. Sifat pantulan dari permukaan prisma akan menurun bila prisma dicelupkan kedalam air. Prisma yang digunakan adalah prisma bersudut 45 dan 90 derajat. Sinar diarahkan ke prisma, bila prisma ditempatkan di udara, sinar akan dipantulkan kembali setelah melewati permukaan bawah prisma. Jika prisma ditempatkan di air, maka sinar yang dikirim tidak dipantulkan akan tetapi dibiaskan oleh air, Dengan demikian prisma ini dapat digunakan sebagai pengganti pelampung. Keuntungan yang diperoleh ialah dapat mereduksi ukuran sensor.

Transmitter 

Reciever 

Transmitter

Reciever 

air Prisma di udara 

Prisma di air

Gambar 3.52. Sensor Level menggunakan Prisma

 

155 

4.3.5.4.3. Menggunakan Fiber Optik Teknik ini tidak jauh berbeda dengan teknik penyensoran permukaan air menggunakan prisma, yaitu menggunakan prinsip pemantulan dan pembiasan sinar. Jika fiber optic diletakan di udara, sinar yang dimasukan ke fiber optic dipantulkan oleh dinding fiber optic, sedangkan bila fiber optic telanjang dimasukan ke air, maka dinding fiber optic tidak lagi memantulkan sinar.

Jalan sinar dalam serat  optic Trans

Rece

Trans

Rece

Fiber optic 

a

Gambar 3.53. Sensor Level menggunakan Serat Optik

4.4 Sensor Cahaya Elemen-elemen sensitive cahaya merupakan alat terandalkan untuk mendeteksi energi cahaya. Alat ini melebihi sensitivitas mata manusia terhadap semua spectrum warna dan juga bekerja dalam daerah-daerah ultraviolet dan infra merah. Energi cahaya bila diolah dengan cara yang tepat akan dapat dimanfaatkan secara maksimal untuk teknik pengukuran, teknik pengontrolan dan teknik kompensasi. Penggunaan praktis alat sensitif cahaya ditemukan dalam berbagai pemakaian teknik seperti halnya : ƒ Tabung cahaya atau fototabung vakum (vaccum type phototubes), paling menguntungkan digunakan dalam pemakaian yang memerlukan pengamatan pulsa cahaya yang waktunya singkat, atau cahaya yang dimodulasi pada frekuensi yang relative tinggi. ƒ Tabung cahaya gas (gas type phototubes), digunakan dalam industri gambar hidup sebagai pengindra suara pada film. ƒ Tabung cahaya pengali atau pemfotodarap (multiplier phottubes), dengan kemampuan penguatan yang sangat tinggi, sangat banyak digunakan pada pengukuran fotoelektrik dan alat-alat kontrol dan juga sebagai alat cacah kelipan (scientillation counter). ƒ Sel-sel fotokonduktif (photoconductive cell), juga disebut tahanan cahaya (photo resistor) atau tahanan yang bergantung cahaya (LDR-light dependent resistor), dipakai luas dalam industri dan penerapan pengontrloan di laboratorium.

 

156 

ƒ Sel-sel foto tegangan (photovoltatic cells), adalah alat semikonduktor untuk mengubah energi radiasi daya listrik. Contoh yang sangat baik adalah sel matahari (solar cell) yang digunakan dalam teknik ruang angkasa. 4.4.1. Divais Elektrooptis Cahaya merupakan gelombang elektromagnetis (EM) yang memiliki spectrum warna yang berbeda satu sama lain. Setiap warna dalam spectrum mempunyai energi, frekuensi dan panjang gelombang yang berbeda. Hubungan spektrum optis dan energi dapat dilihat pada formula dan gambar berikut. Energi photon (Ep) setiap warna dalam spektrum cahaya nilainya adalah:

Wp = hf =

hc

λ

Dimana : Wp = energi photon (eV) h = konstanta Planck’s (6,63 x 10-34 J-s) c = kecepatan cahaya, Electro Magnetic (2,998 x 108 m/s) λ = panjang gelombang (m) f = frekuensi (Hz)

Green 

Violet 

Frekuensi foton bergantung pada energi yang dilepas atau diterima saat elektron berpindah tingkat energinya. Spektrum gelombang optis diperlihatkan pada gambar berikut, spektrum warna cahaya terdiri dari ultra violet dengan panjang gelombang 200 sampai 400 nanometer (nm), visible adalah spektrum warna cahaya yang dapat dilihat oleh mata dengan panjang gelombang 400 sampai 800 nm yaitu warna violet, hijau dan merah, sedangkan spektrum warna infrared mulai dari 800 sampai 1600 nm adalah warna cahaya dengan frekuensi terpendek.

Ultraviolet              Visible               Infrared

200 

400

1600

800

Wavelength, nm 4 

2 Photon energy, eV

1

Gambar 4.1. Spektrum Gelombang EM

 

157 

Densitas daya spektral cahaya adalah:

Gambar 4.2. Kurva Output Sinyal Optis

Sumber-sumber energi photon: Bahan-bahan yang dapat dijadikan sumber energi selain mata hari adalah antara lain: ƒ ƒ ƒ ƒ

 

Incandescent Lamp yaitu lampu yang menghasilkan energi cahaya dari pijaran filament bertekanan tinggi, misalnya lampu mobil, lampu spot light, lampu flashlight. Energi Atom, yaitu memanfaatkan loncatan atom dari valensi energi 1 ke level energi berikutnya. Fluorescense, yaitu sumber cahaya yang berasal dari perpendaran bahan fluorescence yang terkena cahaya tajam. Seperti Layar Osciloskop Sinar LASER adalah sumber energi mutakhir yang dimanfaatkan untuk sebagai cahaya dengan kelebihannya antara lain : monochromatic (cahaya tunggal atau membentuk garis lurus), coherent (cahaya seragam dari sumber sampai ke beban sama), dan divergence (simpangan sangat kecil yaitu 0,001 radians).

158 

4.4.2. Photo Semikonduktor Divais photo semikonduktor memanfaatkan efek kuantum pada junction, energi yang diterima oleh elektron yang memungkinkan elektron pindah dari ban valensi ke ban konduksi pada kondisi bias mundur. Bahan semikonduktor seperti Germanium (Ge) dan Silikon (Si) mempunyai 4 buah electron valensi, masing-masing electron dalam atom saling terikat sehingga electron valensi genap menjadi 8 untuk setiap atom, itulah sebabnya kristal silicon memiliki konduktivitas listrik yang rendah, karena setiap electron terikan oleh atomatom yang berada disekelilingnya. Untuk membentuk semikonduktor tipe P pada bahan tersebut disisipkan pengotor dari unsure golongan III, sehingga bahan tersebut menjadi lebih bermuatan positif, karena terjadi kekosongan electron pada struktur kristalnya. Bila semikonduktor jenis N disinari cahaya, maka elektron yang tidak terikat pada struktur kristal akan mudah lepas. Kemudian bila dihubungkan semikonduktor jenis P dan jenis N dan kemudian disinari cahaya, maka akan terjadi beda tegangan diantara kedua bahan tersebut. Beda potensial pada bahan ilikon umumnya berkisar antara 0,6 volt sampai 0,8 volt.

(a)

(b)

(c) Gambar 4.3. Konstruksi Dioda Foto (a) junction harus dekat permukaan (b) lensa untuk memfokuskan cahaya (c) rangkaian dioda foto

 

159 

Ada beberapa karakteristik dioda foto yang perlu diketahui antara lain: ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ

Arus bergantung linier pada intensitas cahaya Respons frekuensi bergantung pada bahan (Si 900nm, GaAs 1500nm, Ge 2000nm) Digunakan sebagai sumber arus Junction capacitance turun menurut tegangan bias mundurnya Junction capacitance menentukan respons frekuensi arus yang diperoleh

Gambar 4.4. Karakteristik Dioda Foto (a) intensitas cahaya (b) panjang gelombang (c) reverse voltage vs arus dan (d) reverse voltage vs kapasitansi

• Rangkaian pengubah arus ke tegangan Untuk mendapatkan perubahan arus ke tegangan yang dapat dimanfaatkan maka dapat dibuat gambar rangkaian seperti berikut yaitu dengan memasangkan resistor dan op-amp jenis field effect transistor.

 

160 

Gambar 4.5. Rangkaian pengubah arus ke tegangan

4.4.3. Photo Transistor Sama halnya dioda foto, maka transistor foto juga dapat dibuat sebagai sensor cahaya. Teknis yang baik adalah dengan menggabungkan dioda foto dengan transistor foto dalam satu rangkain. – Karakteristik transistor foto yaitu hubungan arus, tegangan dan intensitas foto – Kombinasi dioda foto dan transistor dalam satu chip – Transistor sebagai penguat arus – Linieritas dan respons frekuensi tidak sebaik dioda foto

Collector  Current (mA) 

28  Intensity  2 (W/m ) 

  20 

40

 

 

 

30 

  12              2           4         6          8          10      12        14        16 C ll

 

E i

V l

161 

Gambar 4.6. Karakteristik transistor foto, (a) sampai (d) rangkaian uji transistor foto

4.4.4. Sel Photovoltaik Efek sel photovoltaik terjadi akibat lepasnya elektron yang disebabkan adanya cahaya yang mengenai logam. Logam-logam yang tergolong golongan 1 pada sistem periodik unsur-unsur seperti Lithium, Natrium, Kalium, dan Cessium sangat mudah melepaskan elektron valensinya. Selain karena reaksi redoks, elektron valensilogamlogam tersebut juga mudah lepas olehadanya cahaya yang mengenai permukaan logam tersebut. Diantara logam-logam diatas Cessium adalah logam yang paling mudah melepaskan elektronnya, sehingga lazim digunakan sebagai foto detektor. Tegangan yang dihasilan oleh sensor foto voltaik adalah sebanding dengan frekuensi gelombang cahaya (sesuai konstanta Plank E = h.f). Semakin kearah warna cahaya biru, makin tinggi tegangan yang dihasilkan. Tingginya intensitas listrik akan berpengaruh terhadap arus listrik. Bila foto voltaik diberi beban maka arus listrik dapat dihasilkan adalah tergantung dari intensitas cahaya yang mengenai permukaan semikonduktor.

Katoda dari  

‐ 

Sinar datang

Electron keluar  dari permukaan Tegangan keluaran

Anoda dari  

+  Tabung  Hampa 

Gambar 4.7. Pembangkitan tegangan pada Foto volatik

Berikut karakteristik dari foto voltaik berdasarkan hubungan antara intensitas cahaya dengan arus dan tegangan yang dihasilkan.

 

162 

Gambar 4.8. (a) & (b) Karakteristik Intensitas vs Arus dan Tegangan dan (c) Rangakain penguat tegangan.

4.4.5. Light Emitting Diode (LED) – Prinsip kerja kebalikan dari dioda foto – Warna (panjang gelombang) ditentukan oleh band-gap – Intensitas cahaya hasil berbanding lurus dengan arus – Non linieritas tampak pada arus rendah dan tinggi – Pemanasan sendiri (self heating) menurunkan efisiensi pada arus tinggi

 

163 

Gambar 4.9. Karakteristik LED

• Karakteristik Arus Tegangan – Mirip dengan dioda biasa – Cahaya biru nampak pada tegangan 1,4 – 2,7 volt – Tegangan threshold dan energi foton naik menurut energi band-gap – Junction mengalami kerusakan pada tegangan 3 volt – Gunakan resistor seri untuk membatasi arus/tegangan

4.4.6. Photosel – Konduktansi sebagai fungsi intensitas cahaya masuk – Resistansi berkisar dari 10MW (gelap) hingga 10W (terang) – Waktu respons lambat hingga 10ms – Sensitivitas dan stabilitas tidak sebaik dioda foto

 

164 

– Untuk ukuran besar lebih murah dari sel fotovoltaik – Digunakan karena biaya murah

Gambar 4.10. Konstruksi dan Karakteristik Fotosel

4.4.7. Photomultiplier a. b. c. d. e.

 

Memanfaatkan efek fotoelektrik Foton dengan nergi lebih tinggi dari workfunction melepaskan elektron dari permukaan katoda Elektron dikumpulkan (dipercepat) oleh anoda dengan tegangan (tinggi) Multiplikasi arus (elektron) diperoleh dengan dynode bertingkat Katoda dibuat dari bahan semi transparan

165 

Gambar 4.11. Konstruksi Photomultiplier

• Rangkaian untuk Photomultiplier – Perbedaan tegangan (tinggi) tegangan katoda (negatif) dan dynode(positif) – Beban resistor terhubung pada dynoda – Common (ground) dihubungkan dengan terminal tegangan positif catu daya – Rangkaian koverter arus-tegangan dapat digunakan – Dioda ditempatkan sebagai surge protection

Gambar 4.12. Rangkaian Ekivalen dan uji Photomultiplier

• Pemanfaatan – Sangat sensitif, dapat digunakan sebagai penghitung pulsa – Pada beban resistansi rendah 50-1000 W, lebar pulsa tipikal 5-50 ns – Gunakan peak detektor untuk mengukur tingat energi

• Kerugian – Mudah rusak bila terekspos pada cahaya berlebih (terlalu sensitif) – Perlu catu tegangan tinggi – Mahal

 

166 

4.4.8. Lensa Dioda Photo

– –

–

Lensa dimanfaatkan untuk memfokuskan atau menyebarkan cahaya. Lensa detektor cahaya sebaiknya ditempatkan dalam selonsong dengan filter sehingga hanya menerima cahaya pada satu arah dan panjang gelombang tertentu saja (misal menghindari cahaya lampu TL dan sinar matahari). Gunakan modulasi bila interferensi tinggi dan tidak diperlukan sensitivitas tinggi.

Gambar 4.13. Kontruksi dan karakteristik lensa dioda foto

4.4.9. Pyrometer Optis dan Detektor Radiasi Thermal – Salah satu sensor radiasi elektro magnetik: flowmeter – Radiasi dikumpulkan dengan lensa untuk diserap pada bahan penyerap radiasi – Energi yang terserap menyebabkan pemanasan pada bahan yang kemudian diukur temperaturnya menggunakan thermistor, termokopel dsb – Sensitivitas dan respons waktu buruk, akurasi baik karena mudah dikalibrasi (dengan pembanding panas standar dari resistor) – Lensa dapat digantikan dengan cermin

Gambar 4.14. Instalasi Pyrolektrik

 

167 

– Detektor sejenis: film pyroelektrik – Dari bahan sejenis piezoelektrik yang menghasilkan tegangan akibat pemanasan – Hanya ber-respons pada perubahan bukan DC – Pirometer optik dapat diguanakanuntuk mengukur atau mendeteksi total radiation dan monochromatic radiation

4.4.10. Isolasi Optis dan Transmiter-Receiver serat optik – Cahaya dari LED dan diterima oleh dioda foto digunakan sebagai pembawa informasi menggantikan arus listrik – Keuntungan: isolasi listrik antara dua rangkaian (tegangan tembus hingga 3kV) – Dimanfaatkan untuk safety dan pada rangkaian berbeda ground – Hubungan input-output cukup linier, respons frekuensi hingga di atas 1 MHz

Gambar 4.15. Kontruksi dan karakteristik lensa dioda foto

• Rangkaian untuk isolasi elektrik – Driver: konverter tegangan ke arus, receiver: konverter arus ke tegangan – Hanya sinyal positif yang ditransmisikan – Dioda dan resistor digunakan untuk membatasi arus – Penguatan keseluruhan bergantung temperatur (tidak ada umpan balik) • Untuk komunikasi dengan serat optik media antara LED dan dioda foto dihubungan dengan serat optik

 

168 

Gambar 4.16. Rangkaian isolasi elektrik menggunakan serat optik

4.5. Aktuator Aktuator adalah elemen yang mengkonversikan besaran listrik analog menjadi besaran lainnya misalnya kecepatan putaran dan merupakan perangkat elektromagnetik yang menghasilkan daya gerakan sehingga dapat menghasilkan gerakan.

Aktuator dapat melakukan hal tertentu setelah mendapat perintah dari kontroler. Misalnya pada suatu robot pencari cahaya, jika terdapat cahaya, maka sensor akan memberikan informasi pada kontroler yang kemudian akan memerintah pada aktuator untuk bergerak mendekati arah sumber cahaya. aktuator adalah sebuah alat mekanik untuk memindahkan atau mengontrol sebuah mekanisme atau sistem. Hal ini dioperasikan oleh sumber energi, biasanya dalam bentuk arus listrik, fluida hidrolik tekanan atau pneumatik tekanan, dan mengkonversi energi yang menjadi semacam gerakan. Untuk meningkatkan tenaga mekanik aktuator ini dapat dipasang sistem gearbox. Aktuator dapat melakukan hal tertentu setelah mendapat perintah dari controller.

 

169 

Aktuator memiliki beberapa fungsi, yaitu: • • • • •

Penghasil gerakan Gerakan rotasi dan translasi Mayoritas aktuator > motor based Aktuator dalam simulasi cenderung dibuat linier Aktuator riil cenderung non-linier

Jenis tenaga penggerak pada aktuator, antara lain: • • • •

Aktuator tenaga elektris, biasanya digunakan solenoid, motor arus searah (Mesin DC). Sifat mudah diatur dengan torsi kecil sampai sedang Aktuator tenaga hidrolik, torsi yang besar konstruksinya sukar. Aktuator tenaga pneumatik, sukar dikendalikan. Aktuator lainnya: piezoelectric, magnetic, ultra sound.

Beberapa jenis aktuator berdasarkan jenis tipenya, antara lain: a. b. c. d.

Aktuator elektris. Aktuator fluida. Aktuator mekanik. Aktuator smart.

4.5.1. aktuator tenaga elektris Aktuator tenaga elektris meerupakan actuator yang berdasarkan tenaga listrik yang diterima kemudian dirubah menjadi gerakan mekanis. Actuator ini biasa digunakan pada solenoid, motor, dan relay. Actuator tenaga elektris memiliki keunggulan, antara lain: • • • • • • •

Mudah dalam pengontrolan. Daya yang dibutuhkan mulai dari mW sampai MW. Berkecepatan tinggi mulai dari 1000 sampai 10000 rpm. Akurasi tinggi. Memiliki banyak macam. Torsi ideal untuk pergerakan. Efensiensi tinggi.

4.5.1.1. selenoida Selenoida merupakan alat yang digunakan untuk mengubah sinyal listrik atau arus listrik menjadi gerakan mekanis linier. Terbentuk dari kumpran dengan inti besi yang dapat bergerak, besarnya gaya tarikan atau dorongan yang dihasilkan adalah

 

170 

ditentukan dengan jumlah lilitan kumparan tembaga dan besar arus yang mengalir melalui kumparan.

Gambar 4.17. Prinsip kerja selenoida

Gambar 4.18. Selenoida 4.5.1.2. Motor Listrik Motor listrik merupakan sebuah perangkat elektromagnetis yang mengubah energy listrik menjadi energi mekanik. Energi mekanik ini digunakan untuk, misalnya, memutar impeller pompa, fan atau blower, menggerakkan kompresor, mengangkat bahan, dll. Motor listrik kadangkala disebut “ kuda Kerja” nya industry sebab diperkirakan bahwa motor-motor menggunakan sekitar 70% beban listrik total di industri.

Gambar 4.19. Bagan Motor Listrik

 

171 

4.5.1.2.1. Motor DC Motor arus searah, menggunakan arus langsung yang tidak langsung. Motor DC digunakan pada penggunaan khusus dimana diperlukan penyalaan torque yang tinggi atau percepatan yang tetap untuk kisaran kecepatan yang luas. Keuntungan utama motor DC adalah sebagai pengendali kecepatan, yang tidak mempengaruhi kualitas pasokan daya. Motor ini dapat dikendalikan dengan mengatur: • •

Tegangan dynamo – meningkatkan tegangan dynamo akan meningkatkan kecepatan. Arus medan – menurunkan arus medan akan meningkatkan kecepatan.

Motor Dc tersedia dalambanyak ukuran, namun untuk penggunaannya pada umumnya dibatasi untuk beberapa penggunaan berkecepatan rendah, penggunaan daya rendah hingga sedang seperti peralatan mesin dan rolling mills, sebab sering terjadi masalah dengan perubahan arah arus listrik mekanis pada ukuran yang lebih besar.

Gambar. 4.20. Motor DC 4.5.1.2.2. Motor Stepper Motor stepper merupakan motor DC yang bergerak dengan menerima pulsa dan mengubahnya menjadi gerak mekanis diskrit. Motor stepper digunakan untuk perangkat kecil yang perlu kecepatan tinggi dan memiliki kepresisian baik, namun memiliki torque rendah.

Gambar 4.21. Motor Stepper A.Permanent Magnet, B. Variable Reluctance, dan C. Permanent Magnet –Hybrid..

 

172 

4.5.2. Aktuator menggunakan keramik multilayer Amtuator ini tergolong actuator smart. Dimana sebuah actuator multi layer di gabungkan dengan perangkat actuator yang lainnya. Sehingga menghasilkan sebuah actuator yang memiliki keahliah khusus dan memiliki tingkat ketahanan tinggi. Salah satu contoh dari aktuator smart adalah Amplified Piezoelektrik Aktuator (APA). APA adalah actuator smart yang berfungsi meredam getaran yang tinbul dengean frekuensi tertentu. APA terbuat dari gabungan keramik multilayer yang diperkuat dengan baja. Ukuran APA tegolong relative kecil dan digunakan pada turbin dan baling-baling helikoper.

Gambar. 4.24. Amplified Piezoelektrik Aktuator

Keunggululan APA adalah: • • • • • • •

Gerakan dinamis dan tepat Perpindahan/displacement lebih besar daripada piezoelektrik aktuator biasa Kecil dan ringan Tidak mudah patah/fatigue ketika diberi tegangan secara terus menerus Biaya lebih murah Tahan terhadap getaran Stroke-nya tinggi

Kelemahan APA adalah : •

Blocking force-nya tidak terlalu besar

4.5.3. aktuator mekanik Aktuator mekanik atau juga disebut aktuator linier merupakan aktuato yang beroperasi dengan mengkonversi gerak putar menjadi gerak linier. Konversi biasa dilakukan dengan jenis mekanisme sederhana, antara lain: • •

 

Screw : Screw jack , bola sekrup dan rol sekrup aktuator semua beroperasi pada prinsip mesin sederhana yang dikenal sebagai sekrup. Dengan memutar mur aktuator itu, bergerak poros sekrup di baris. Roda dan gandar : Hoist , winch , rak dan pinion , rantai drive , drive belt , rantai kaku dan sabuk kaku aktuator beroperasi pada prinsip roda dan poros. Dengan memutar roda / axle (misalnya drum , gear , pulley atau poros ) seorang anggota linear (misalnya kabel , rak, rantai atau ikat pinggang ) bergerak. 173 

•

Cam : Cam actuator fungsi pada prinsip yang sama dengan yang ada pada baji , tetapi menyediakan perjalanan yang relatif terbatas. Sebagai cam berputar seperti roda, bentuk eksentrik memberikan dorong di dasar poros. Beberapa aktuator linier mekanik hanya menarik (hoist misalnya, drive rantai dan belt drive) dan lain-lain hanya push (aktuator cam misalnya). actuator mekanis biasanya mengkonversi gerak rotasi dari sebuah kenop kontrol atau menangani ke perpindahan linear melalui sekrup dan / atau roda gigi yang tombol atau menangani terpasang. Sebuah jackscrew mobil jack atau merupakan mekanis aktuator akrab. Lain keluarga aktuator didasarkan pada poros tersegmentasi . Rotasi jack pegangan dikonversi menjadi gerakan mekanis linear kepala jack. actuator mekanis adalah juga sering digunakan dalam bidang laser dan optik untuk memanipulasi posisi tahap linear , tahapan putar , cermin gunung , goniometers dan instrumen posisi lainnya. Untuk posisi yang akurat dan berulang, tanda indeks dapat digunakan pada tombol-tombol kontrol. Beberapa aktuator bahkan mencakup encoder dan pembacaan posisi digital. Ini mirip dengan penyesuaian tombol-tombol yang digunakan pada mikrometer kecuali bahwa tujuan mereka adalah penyesuaian posisi daripada pengukuran posisi. No. Keuntungan aktuator mekanik Kekurangan aktuator mekanik 1. Murah Manual operasi saja 2. Tidak ada sumber daya yang diperlukan 3. Mandiri 4. Identik dengan perilaku memperluas atau mencabut. Table 4.1 kekurangan dan kelebihan dari actuator mekanik 4.5.4. aktuator elektrik. Aktuator elektrik merupakan perangkat elektromekanik yang menghasilkan daya gerakan. Ada beberapa aktuator elektrim, yaitu: motor stepper, motor dc, motor ac, dll. a. Motor stepper Sebuah motor stepper adalah perangkat elektromekanis yang mengubah pulsa listrik menjadi gerakan mekanis diskrit. Batang atau gelendong dari motor stepper berputar secara bertahap langkah diskrit ketika perintah pulsa elektrik yang diterapkan dalam urutan yang tepat. Rotasi motor memiliki hubungan langsung beberapa input pulsa ini diterapkan. Urutan pulsa yang diterapkan secara langsung berkaitan dengan arah putaran motor shaft. Kecepatan rotasi poros motor secara langsung berhubungan dengan frekuensi pulsa masukan dan panjang putaran secara langsung berhubungan dengan jumlah pulsa input yang diterapkan. Kelebihan dan kekurangan dari motor stepper, antara lain:

No. 1. 2.

3.

 

Kelebihan Sudut rotasi motor proposional dengan pulsa masukan. Motor ini memiliki torsi penuh pada berdiri-masih (jika lilitan energi). Tepat posisi dan kemampuan untuk mengulangi gerakan sejak

Kekurangan resonansi dapat terjadi jika tidak dikontrol. tidak mudah untuk beroperasi pada kecepatan sangat tinggi.

174 

4. 5.

6.

7.

8.

motor stepper yang baik memiliki akurasi 3 - 5% dari langkah dan kesalahan ini adalah non kumulatif dari satu langkah ke depan. Respon Excellent untuk memulai/berhenti /membalikkan. Sangat handal karena ada kuas tidak ada kontak di motor. Oleh karena itu ke-hidupan motor hanya ter-gantung pada kehidupan bantalan. respon motor untuk pulsa input digital memberikan kontrol loop terbuka, membuat motor lebih sederhana dan lebih murah untuk mengendalikan. kemungkinan untuk mencapai kecepatan putaran rendah sangat sinkron dengan beban yang langsung digabungkan pada poros. berbagai kecepatan rotasi dapat direalisasikan sebagai kecepatan sebanding dengan frekuensi pulsa masukan. Tabel 4.2. Kelebihan dan kekurangan dari motor stepper Salah satu keuntungan paling signifikan dari motor stepper adalah kemampuannya untuk secara akurat dikendalikan pada sistem loop terbuka. Kontrol loop terbuka berarti ada informasi umpan balik tentang posisi yang dibutuhkan. Jenis kontrol meenghilangkan kebutuhan mahal perangkat umpan balik sensing dan seperti encoders optik. Posisi Anda dikenal hanya dengan melacak pulsa masukan langkah.

Ada 3 tipe dasar motor stepper, yaitu: a) Permanen magnet (PM). b) Variable reluctance (VR). c) Permanent magnet-hybrid (PM-H). A. Magnet Permanen. sering disebut sebagai "kaleng" atau "canstock" motor motor magnet permanen langkah adalah biaya rendah dan motor jenis resolusi rendah dengan langkah khas / revolusi) AM motor seperti namanya magnet permanen telah ditambahkan ke dalam struktur motor. rotor tidak lagi memiliki gigi sebagai dengan motor VR. Sebaliknya rotor magnet dengan bolak utara dan kutub selatan memberikan peningkatan intensitas fluks magnetik dan karena ini pameran motor PM memperbaiki karakteristik torsi jika dibandingkan dengan tipe VR.

 

175 

Gambar 4. 25 Permanent Magnet B. Variable Reluctancengan motor VR. Jenis motor stepper telah sekitar untuk waktu yang lama. ini mungkin yang paling mudah untuk memahami dari sudut pandang struktural. Jenis motor terdiri dari stator besi lunak multi-gigi rotor dan luka. Ketika gulungan stator makan energi dengan arus DC kutub menjadi magnet. Rotasi terjadi ketika gigi rotor tertarik ke kutub stator energi.

Gambar 4.26. Variable Reluctance C. Permanent Magnet – Hybrid (PM – H) stepper motor hibrida lebih mahal daripada motor stepper PM tetapi memberikan kinerja yang lebih baik sehubungan dengan langkah resolusi, torsi dan kecepatan. Khas curam malaikat untuk stepper motor berbagai bentuk HB 3,60 hingga 0,90 (100 - 400 curam per putaran). Stepper motor hybrid menggabungkan fitur terbaik dari kedua PM dan motor stepper jenis VR. Rotor berbentuk multi-bergigi seperti motor VR dan berisi magnet konsentris aksial magnet di sekitar poros nya. gigi pada rotor memberikan jalur yang lebih baik yang membantu memandu fluks magnetik ke lokasi disukai di airgap tersebut. ini lebih lanjut meningkatkan detent, memegang dan karakteristik torsi motor dinamis bila dibandingkan dengan kedua VR dan jenis PM. Dua jenis yang paling umum digunakan adalah motor stepper magnet permanen dan jenis hibrida. Jika seorang desainer tidak yakin jenis akan paling sesuai persyaratan aplikasinya, ia pertama kali harus mengevaluasi jenis PM seperti yang biasanya beberapa kali lebih murah. jika tidak maka motor hybrid mungkin merupakan pilihan yang tepat. ada juga excist beberapa desain motor stepper khusus. Satu adalah magnet motor disk. Berikut rotor dirancang disk dengan magnet bumi yang

 

176 

langka. Motor jenis ini memiliki beberapa keunggulan seperti inersia sangat rendah dan jalur aliran magnetik dioptimalkan tanpa penghubung antara dua belitan stator, kualitas ini. sangat penting dalam beberapa aplikasi.

Gambar 4.27. Permanent Magnet - Hybrid Sebuah motor stepper dapat menjadi pilihan yang baik jika dikendalikan gerakan diperlukan. Mereka dapat digunakan untuk keuntungan dalam aplikasi di mana Anda perlu untuk mengontrol rotasi sudut, kecepatan, posisi dan sinkronisme. Karena keuntungan di-herent terdaftar sebelumnya, motor stepper telah menemukan tempat mereka. Dalam aplikasi yang berbeda. Beberapa di antaranya adalah printer, plotter, peralatan kantor highend, hard disk drive, peralatan medis, mesin fax, otomotif dan banyak lagi. 4.5.5. aktuator fluida. Aktuator fluida merupakan aktuator yang beroprasi dengan menggunakan gas (pneumatik) atau menggunakan cairan (hidrolik). Sistem hidrolik maupun pneumatik keduanya menggunakan prinsip yang sama yaitu penekanan fluida dan menyalurkan nya dalam bentuk tekanan ke tempat atau posisi di mana dia akan bekerja.

a. Pneumatik Aktuator adalah bagian keluaran untuk mengubah energi suplai menjadi energi kerja yang dimanfaatkan. Sinyal keluaran dikontrol oleh sistem kontrol dan aktuator bertanggung jawab pada sinyal kontrol melalui elemen kontrol terakhir. Aktuator pneumatik dapat digolongkan menjadi 2 kelompok : gerak lurus dan putar. 1. Gerakan lurus (gerakan linear) : ∗ Silinder kerja tunggal. ∗ Silinder kerja ganda. 2. Gerakan putar : ∗ Motor udara ∗ Aktuator yang berputar (ayun)

 

177 

SIMBOL

NAMA KOMPONEN

SILINDER KERJA TUNGGAL

SILINDER KERJA TUNGGAL, PINSTON DENGAN MAGNET TETAP

SILINDER KERJA GANDA

Tabel. 4.3 Simbol-simbol aktuator linear

SIMBOL

NAMA KOMPONEN

MOTOR UDARA, PUTARAN SATU ARAH, KAPASITAS TETAP.

MOTOR UDARA, PUTARAN SATU ARAH, KAPASITAS BERVARIASI

MOTOR UDARA, PUTARAN DUA ARAH, KAPASITAS BERVARIASI

AKTUATOR PUTAR LINTASAN TERBATAS, PUTARAN DUA ARAH

Tabel 4.4. Simbol aktuator gerakan putar

 

178 

a. Silinder Kerja Tunggal a) Konstruksi Silinder kerja tunggal mempunyai seal piston tunggal yang dipasang pada sisi suplai udara bertekanan. Pembuangan udara pada sisi ba€tang piston silinder dikeluarkan ke atmosfir melalui saluran pembuangan. Jika lubang pembuangan tidak diproteksi dengan sebuah penyaring akan memungkinkan masuknya partikel halus dari debu ke dalam silinder yang bisa merusak seal. Apabila lubang pembuangan ini tertutup akan membatasi atau menghentikan udara yang akan dibuang pada saat silinder gerakan keluar dan gerakan akan menjadi tersentaksentak atau terhenti. Seal terbuat dari bahan yang fleksibel yang ditanamkan di dalam piston dari logam atau plastik. Selama bergerak permukaan seal bergeser dengan permukaan silinder.

GAMBAR

KETERANGAN 1. RUMAH SILINDER 2. LUBANG MASUK UDARA BERTEKANA N. 3. PISTON 4. BATANG PISTON 5. PEGAS PENGEMBAN G

Gambar 4.28. Gambar konstruksi silinder kerja tunggal

b. Prinsip Kerja Dengan memberikan udara bertekanan pada satu sisi permukaan piston, sisi yang lain terbuka ke atmosfir. Silinder hanya bisa memberikan gaya kerja ke satu arah . Gerakan piston kembali masuk diberikan oleh gaya pegas yang ada didalam silinder direncanakan hanya untuk mengembalikan silinder pada posisi awal dengan alasan agar kecepatan kembali tinggi pada kondisi tanpa beban. Pada silinder kerja tunggal dengan pegas, langkah silinder dibatasi oleh panjangnya pegas . Oleh karena itu silinder kerja tunggal dibuat maksimum langkahnya sampai sekitar 80 mm. c. Kegunaan Menurut konstruksinya silinder kerja tunggal dapat melaksanakan berbagai fungsi gerakan , seperti : menjepit benda kerja

 

179 

pemotongan pengeluaran pengepresan pemberian dan pengangkatan.

d. Macam-Macam Silinder Kerja Tunggal Ada bermacam-macam perencanaan termasuk :

silinder

kerja

tunggal

Silinder membran (diafragma) Silinder membran dengan rol

b. Silinder Ganda a). Konstruksi Konstruksi silinder kerja ganda adalah sama dengan silinder kerja tunggal, tetapi tidak mempunyai pegas pengembali. Silinder kerja ganda mempunyai dua saluran (saluran masukan dan saluran pembuangan). Silinder terdiri dari tabung silinder dan penutupnya, piston dengan seal, batang piston, bantalan, ring pengikis dan bagian penyambungan. Konstruksinya dapat dilihat pada gambar berikut ini : Biasanya tabung silinder terbuat dari tabung baja tanpa sambungan. Untuk memperpanjang usia komponen seal permukaan dalam tabung silinder dikerjakan dengan mesin yang presisi. Untuk aplikasi khusus tabung silinder bisa dibuat dari aluminium , kuningan dan baja pada permukaan yang bergeser dilapisi chrom keras. Rancangan khusus dipasang pada suatu area dimana tidak boleh terkena korosi. Penutup akhir tabung adalah bagian paling penting yang terbuat dari bahan cetak seperti aluminium besi tuang. Kedua penutup bisa diikatkan pada tabung silinder dengan batang pengikat yang mempunyai baut dan mur. Batang piston terbuat dari baja yang bertemperatur tinggi. Untuk menghindari korosi dan menjaga kelangsungan kerjanya, batang piston harus dilapisi chrom. Ring seal dipasang pada ujung tabung untuk mencegah kebocoran udara. Bantalan penyangga gerakan batang piston terbuat dari PVC, atau perunggu. Di depan bantalan ada sebuah ring pengikis yang berfungsi mencegah debu dan butiran kecil yang akan masuk ke permukaan dalam silinder.

b). Prinsip Kerja Dengan memberikan udara bertekanan pada satu sisi permukaan piston (arah maju) , sedangkan sisi yang lain (arah mundur) terbuka ke atmosfir,

 

180 

maka gaya diberikan pada sisi permukaan piston tersebut sehingga batang piston akan terdorong keluar sampai mencapai posisi maksimum dan berhenti. Gerakan silinder kembali masuk, diberikan oleh gaya pada sisi permukaan batang piston (arah mundur) dan sisi permukaan piston (arah maju) udaranya terbuka ke atmosfir. Keuntungan silinder kerja ganda dapat dibebani pada kedua arah gerakan batang pistonnya. Ini memungkinkan pemasangannya lebih fleksibel. Gaya yang diberikan pada batang piston gerakan keluar lebih besar daripada gerakan masuk. Karena efektif permukaan piston dikurangi pada sisi batang piston oleh luas permukaan batang piston Silinder aktif adalah dibawah kontrol suplai udara pada kedua arah gerakannya. Pada prinsipnya panjang langkah silinder dibatasi, walaupun faktor lengkungan dan bengkokan yang diterima batang piston harus diperbolehkan. Seperti silinder kerja tunggal, pada silinder kerja ganda piston dipasang dengan seal jenis cincin O atau membran. c). Pemasangan Silinder Jenis pemasangan silinder ditentukan oleh cara cara gerakan silinder yang ditempatkan pada sebuah mesin atau peralatan . Silinder bisa dirancang dengan jenis pemasangan permanen jika tidak harus diatur setiap saat. Alternatif lain, silinder bisa menggunakan jenis pemasangan yang diatur, yang bisa diubah dengan menggunakan perlengkapan yang cocok pada prinsip konstruksi modul. Alasan ini adalah penyederhanaan yang penting sekali dalam penyimpanan, lebih khusus lagi dimana silinder pneumatik dengan jumlah besar digunakan seperti halnya silinder dasar dan bagian pemasangan dipilih secara bebas membutuhkan untuk disimpan.

Pemasangan silinder dan kopling batang piston harus digabungkan dengan hati-hati pada penerapan yang relevan, karena silinder harus dibebani hanya pada arah aksial. Secepat gaya dipindahkan ke sebuah mesin, secepat itu pula tekanan terjadi pada silinder. Jika sumbu salah gabung dan tidak segaris dipasang, tekanan bantalan pada tabung silinder dan batang piston dapat diterima. Sebagai akibatnya adalah :

Tekanan samping yang besar pada bantalan silinder memberikan indikasi bahwa pemakaian silinder meningkat. Tekanan samping pada batang piston akan mengikis bantalan. Tekanan tidak seimbang pada seal piston dan batang piston.

Tekanan samping ini sering mendahului faktor pengurangan perawatan silinder yang sudah direncanakan sebelumnya. Pemasangan bantalan silinder yang dapat diatur dalam tiga dimensi membuat kemungkinan untuk menghindari tekanan bantalan yang berlebihan pada silinder. Momen bengkok yang akan terjadi selanjutnya dibatasi oleh penggesekan yang bergeser pada bantalan. Ini bertujuan bahwa silinder diutamakan bekerja

 

181 

hanya pada tekanan yang sudah direncanakan, sehingga bisa mencapai secara maksimum perawatan yang sudah direncanakan.

Gambar di bawah menunjukkan cara pemasangan silinder.

Gambar 4.29 cara pemasangan silinder. e.) Kegunaan Silinder pneumatik telah dikembangkan pada arah berikut : Kebutuhan penyensoran tanpa sentuhan (menggunakan magnit pada piston untuk mengaktifkan katup batas /limit switch dengan magnit ) Penghentian beban berat pada unit penjepitan dan penahan luar tiba-tiba. Silinder rodless digunakan dimana tempat terbatas. Alternatif pembuatan material seperti plastik Mantel pelindung terhadap pengaruh lingkungan yang merusak, misalnya sifat tahan asam Penambah kemampuan pembawa beban. Aplikasi robot dengan gambaran khusus seperti batang piston tanpa putaran, batang piston berlubang untuk mulut pengisap.

 

182 

f.) Macam-Macam Silinder Kerja Ganda SIMBOL

NAMA KOMPONEN

SILINDER KERJA GANDA

SILINDER KERJA GANDA DENGAN BATANG PINTON DENGAN SISI GANDA

SILINDER KERJA GANDA DENGAN BATALAN UDARA TETAP DALAM SATU ARAH

SILINDER KERJA GANDA DENGAN BANTALAN UDARA TINGGI, DAPAT DIATUR PADA SATU SISI

SILINDER KERJA GANDA DENGAN BANTALAN UDAR GANDA. DAPAT DIATUR PADA KEDUA SISI

SILINDER KERJA GANDA DENGAN BANTALAN UDARA, DAPAT DIATUR PADA KEDUA SISI DAN PISTON BERMAGNET

Tabel 4.5. Silinder kerja

 

183 

g.) Silinder Dengan Peredam Diakhir Langkah

Jika silinder harus menggerakkan massa yang besar, maka dipasang peredam di akhir langkah untuk mencegah benturan keras dan kerusakan silinder. Sebelum mencapai posisi akhir langkah, peredam piston memotong langsung jalan arus pembuangan udara ke udara bebas. Untuk itu disisakan sedikit sekali penampang pembuangan yang umumnya dapat diatur. Sepanjang bagian terakhir dari jalan langkah , kecepatan masuk dikurangi secara drastis.

Jangan sekali-sekali menutup baut pengatur secara penuh sebab akan mengakibatkan batang piston tidak dapat mencapai posisi akhir gerakannya. Pada gaya yang sangat besar dan percepatan yang tinggi, harus dilakukan upaya pengamanan khusus. Pasanglah peredam kejut luar untuk memperkuat daya hambat.

Gambar 4.30 Konstruksi silinder kerja ganda dengan bantalan udara

4.5.6. aktuator smart aktuator piezoelektrik Amplified adalah aktuator tertentu menggunakan piezoelektrik bahan sebagai bahan aktif, dan memiliki desain khusus untuk mengatasi keterbatasan tradisional aktuator piezoelektrik langsung klasik, stroke terbatas. As classical piezoelectric materials have a strain of 0.1%, it is practically impossible to reach significant stroke without displacement amplification (1 mm displacement would required 1 meter of piezoelectric material). Sebagai bahan piezoelektrik klasik memiliki strain 0,1%, maka praktis tidak mungkin untuk mencapai stroke signifikan tanpa amplifikasi perpindahan (1 mm perpindahan akan dibutuhkan 1 meter dari bahan piezoelektrik). The solution to reach middle range stroke is to use an amplification system. Solusi untuk mencapai stroke rentang tengah adalah menggunakan sistem amplifikasi.

 

184 

BAB 5 PENGENALAN PLC

Programmable Logic Controller (PLC) adalah komputer elektronik yang mudah digunakan yang memiliki fungsi kendali untuk berbegai tipe dan tingkat kesulitan yang beraneka ragam. Definisi program logic controller menurut capiel(1982) adalah Sistem elektronik yang beroperasi secara digital dan didisain untuk pemakaian di lingkungan industri, dimana sistem ini menggunakan memori yang dapat di program untuk penyimpanan secara internal intruksi-intruksi yang mengimplementasikan fungsi-fungi spesifik seperti logika, urutan,perwaktuan, untuk mengontrol mesin melalui modul-modul I/O maupun analog.

5.1 SISTEM PLC Sistem PLC memiliki tiga komponen utama yaitu unit prosesor, bagian masukan/keluaran, dan perangkat pemrograman. Fungsi kerja dari ketiga komponen tersebut digambar secara diagram pada gambar berikut

Gambar 5.1 komponen utama plc perincian diagram diatas sebagai berikut

 

185 

Urutan kerja dari gambar diagram blok diatas dimulai dari perangkat masukan yang akan memberikan sinyal pada modul masukan. Sinyal tersebut diteruskan ke prosesor dan akan diolah sesuai dengan program dibuat. Sinyal dari prosesor kemudian diberikan ke modul keluaran untuk mengaktifkan perangkat keluaran

5.1.1 MODUL MASUKAN Modul masukan adalah bagian dari sistem PLC yang berfungsi memproses sinyal dari perangkat masukan yang kemudian memberikan sinyal tersebut ke prosesor

5.1.2 PROSESESOR Prosesor adalah bagian dari Central Processing Unit (CPU) dari PLC yang akan menerima, menganalisa, memproses dan memberikan informasi kemodul keluaran.

5.1.3 PERANGKAT KELUARAN Perangkat keluaran adalah komponen-komponen yang memerlukan sinyal untuk mengaktifkan komponen tersebut.

5.1.4 CATU DAYA Sistem PLC memiliki dua macam catu daya dibedakan berdasarkan fungsi dan operasinya yaitu catu daya dalam dan catu daya luar. Catu daya dalam merupakan bagian dari unit PLC itu sendiri sedangkan catu daya luar yang memberikan catu daya pada keseluruhan bagian dari sistem termasuk didalamnya untuk memberikan catu daya pada catu daya dalam dari PLC. Catu daya dalam akan mengaktifkan proses kerja pada PLC. Besarnya tegangan catu daya yang dipakai disesuaikan dengan karakteristik PLC. Bagian catu daya dalam pada PLC sama dengan bagian-bagian yang lain dimana terdapat langsung pada satu unit PLC atau terpisah dengan bagian yang lain. Catu daya dalam PLC adalah menggunakan.

 

186 

Di PLC dikenal 2 sinyal yaitu: sinyal diskrit dan analog. Sinyal Discrete adalah sinyal yang menghasilkan 2 sinyal yakni 0 dan 1, sedang sinyal analog adalah sinyal yang menghasilkan range tertentu seperti 0, 1, 2, 3, 4, …dst.

5.2 RELAY Dalam dunia elektronika, relay dikenal sebagai komponen yang dapat mengimplementasikan logika switching. Sebelum tahun 70an, relay merupakan “otak” dari rangkaian pengendali. Baru setelah itu muncul PLC yang mulai menggantikan posisi relay. Relay yang paling sederhana ialah relay elektromekanis yang memberikan pergerakan mekanis saat mendapatkan energi listrik. Secara sederhana relay elektromekanis ini didefinisikan sebagai berikut : • Alat yang menggunakan gaya elektromagnetik untuk menutup (atau membuka) kontak saklar. • Saklar yang digerakkan (secara mekanis) oleh daya/energi listrik.

Secara umum, relay digunakan untuk memenuhi fungsi – fungsi berikut : • Remote control : dapat menyalakan atau mematikan alat dari jarak jauh •Penguatan daya : menguatkan arus atau tegangan Contoh : starting relay pada mesin mobil •Pengatur logika kontrol suatu system

PRINSIP KERJA Relay terdiri dari coil dan contact. Perhatikan gambar 2.2, coil adalah gulungan kawat yang mendapat arus listrik, sedang contact adalah sejenis saklar yang pergerakannya tergantung dari ada tidaknya arus listrik di coil. Contact ada 2 jenis : Normally Open (kondisi awal sebelum diaktifkan open), dan Normally Closed (kondisi awal sebelum diaktifkan close). Secara sederhana berikut ini prinsip kerja dari relay : ketika Coil mendapat energi listrik (energized), akan timbul gaya elektromagnet yang akan menarik armature yang

 

187 

berpegas, dan contact akan menutup.

Gambar 5.2 Skema relay elektromekanik

Keuntungan dan kerugian penggunaan Relay:

Keuntungan: - Mudah mengadaptasi bermacam-macam tegangan operasi - Tidak mudah terganggu dengan adanya perubahan temperature disekitarnya, karena relay masih bisa bekerja pada temperature 233 K (-40o C) sampai 353 K (80o C) - Mempunyai tahanan yang cukup tinggi pada kondisi tidak kontak - Memungkinkan untuk menyambungkan beberapa saluran secara independent - Adanya isolasi logam antara rangkaian kontrol dan rangkaian utama

Oleh karena keuntungan-keuntungan di atas maka penggunaan relay sampai saat ini masih dipertahankan. Kerugian: - Khususnya untuk NO, bila akan diaktifkan timbul percikan api - Memerlukan tempat yang cukup besar - Bila diaktifkan, berbunyi - Kontaktor bisa terpengaruh dengan adanya debu - Kecepatan menyambung atau memutus saluran terbatas

Relay yang dipolarisasi (Polarized Relay)

Pada prakteknya relay ini digunakan bila energi yang diperbolehkan untuk dipakai sangat kecil. Adapun energi listrik yang diperlukan yaitu sekitar 0,1 – 0,5 mW. Metoda operasinya ada beberapa macam, diantaranya:

a. Posisi normal tertentu Posisi sambungan relay ini akan tetap pada posisi yang sama, baik itu sebelum ataupun sesudah diaktifkan. Bila energi listrik dialirkan maka medan magnet yang terjadi diintensifkan

 

188 

oleh medan magnet permanen. Begitu pula bila arus dialirkan hanya sebentar saja maka posisi kontak akan kembali ke tempat semula begitu arus diputuskan.

b. Posisi normal pada kedua sisinya Posisi sambungan yang aktif tidak tetap, tergantung dari posisi terakhir disambungkan. Relay ini bekerja bila arus listrik disalurkan, maka sambungan kontaknya akan berpindah ke sambungan yang lainnya. Selanjutnya bila arus listrik diputus maka posisi sambungan yang menyambung adalah posisi akhir setelah diaktifkan.

c. Posisi normal ditengah Apabila relay ini tidak diaktifkan maka tidak ada satu saluran pun yang menyambung karena posisi lengan kontak ada di tengah-tengah. Apabila arus listrik disalurkan maka posisi kontak akan ditentukan oleh arah arus yang disambungkan. Dan bila arus diputus, posisi lengan kembali ke tengah.

Relay Mengunci (Latching relays) Latching relay adalah relay yang dikontrol dengan electromagnetic, dimana relay ini akan tetap berada pada posisi setelah diaktifkan walaupun sumber energi sudah diputuskan, seolaholah terkunci pada posisi akhir. Sistem pengunci biasanya dengan mempergunakan kerja mekanik. Penggunaan relay ini biasanya untuk jaringan listrik di rumah tinggal.

Remnant Relay Relay ini disainnya khusus, maksudnya adalah bila relay ini diaktifkan maka akan terjadi elektromagnet. Elektromagnet ini akan tinggal dan tetap ada walaupun sumber energinya telah dihilangkan. Atau dengan kata lain relay ini dikunci pada posisi akhir. Untuk menyalakan relay ini maka arus yang dipakai adalah arus positif, sedangkan untuk mematikannya mempergunakan arus negatif.

Relay Tunda Waktu Berfungsi untuk menyambung kontaktor NO atau memutus kontaktor NC, di mana hubungan kontaktor diputuskan ataupun disambungkan tidak langsung seketika pada saat relay diaktifkan, melainkan perlu waktu. Waktu yang diperlukan untuk memutuskan ataupun menyambungkannya bisa diatur. Ada dua jenis relay tunda waktu, yaitu relay tunda waktu hidup (time delay switch on) dan relay tunda waktu mati (time delay switch off).

 

189 

  Time Delay Switch On Relay

Bila sakelar S diaktifkan maka relay tunda waktu mulai bekerja. Ketika waktu yang ditentukan tercapai maka terminal 18 akan tersambungkan. Sinyal output (keluaran) akan ada selama sinyal input ada. Elemen tunda waktu digambarkan pada kotak yang dibatasi dengan garis strip.

Proses bekerjanya tunda waktu: Bila sakelar S diaktifkan maka arus listrik akan mengalir melalui tahanan R1, yang besarnya bisa diatur. Arus ini tidak mengalir ke relay K1 melainkan akan mengalir ke terminal K1 NC, yang selanjutnya arus listrik mengalir ke kapasitor C dan menampungnya di sana. Bila kapasitor C tidak bisa menampung arus listrik lagi (tegangan yang diijinkan telah tercapai) maka arus listrik akan mengalir ke relay K1. Lamanya mengisi kapasitor ini tergantung pada besarnya R1. Selanjutnya bila relay K1 sudah aktif maka terminal 18 akan tersambung dengan terminal 15. Di sini bisa kita bandngkan dengan katup tunda waktu hidup pada rangkaian pneumatik

 

190 

Gambar 5.2.1Time Delay Switch Off Relay

Bila sakelar S diaktifkan maka relay tunda waktu mulai bekerja. Sinyal output akan ada selama sinyal input ada. Tapi bila sinyal input diputus maka sinyal output tidak akan langsung hilang, melainkan tetap ada sampai batas waktu yang telah ditentukan. Elemen tunda waktu digambarkan pada kotak yang dibatasi dengan garis strip.

Proses bekerjanya tunda waktu: Bila sakelar S diaktifkan maka arus listrik akan mengalir ke relay K1 dan relay K1 langsung bekerja. Sebelum relay K1 diaktifkan, arus listrik mengalir ke kapasitor C melalui tahanan R2 dan menampungnya sampai kapasitor mencapai tegangan yang diijinkan. Dengan diaktifkannya relay K1 maka switch K1 aktif sehingga arus listrik yang tertampung di kapasitor C akan mengalir melalui R1 bila sakelar S dinon-aktifkan. Lamanya mengosongkan kapasitor C tergantung pada besaran R1. Bila tegangan di C sudah tidak ada maka terminal 16 akan tersambung lagi dengan terminal 15. Di sini bisa kita bandingkan dengan katup tunda waktu mati pada rangkaian pneumatik.

Kontaktor

 

191 

Yang dimaksudkan dengan kontaktor adalah sakelar yang diatuasikan dengan elektromagnet. Daya untuk mengontrolnya bisa rendah tapi daya beban bisa tinggi, dengan kata lain untuk mengaktuasikan elektromagnet cukup misalnya dengan tegangan rendah tapi bisa menyalurkan arus yang bertegangan lebih tinggi. Kontaktor banyak digunakan untuk keperluan yang bermacammacam. Misalnya digunakan untuk menyalakan motor, sistem pemanas, alat pengatur temperatur ruangan, keran, dll.

Tipe-tipe kontaktor: a. Kontaktor yang elektromagnetnya dilindungi: b. Kontaktor denganelektromagnet inti: c. Kontaktor dengan armature sistem engsel:

Gambar 5.2.3 kontakor Keuntungan mempergunakan kontaktor: - Beban tinggi bisa diaktifkan dengan beban rendah - Terdapat isolasi logam antara rangkaian kontrol dan rangkaian utama - Sedikit perawatannya - Tidak terpengaruh oleh temperature

Kerugiannya: - Mudah aus - Ukurannya besar - Menimbulkan suara - Kecepatan menyambung terbatas  

192 

5.3 ALJABAR BOOLEAN Aljabar boolean merupakan aljabar yang berhubungan dengan variabel-variabel biner dan operasi-operasi logik. Variabel-variabel diperlihatkan dengan huruf-huruf alfabet, dan tiga operasi dasar dengan AND, OR dan NOT (komplemen). Fungsi boolean terdiri dari variabelvariabel biner yang menunjukkan fungsi, suatu tanda sama dengan, dan suatu ekspresi aljabar yang dibentuk dengan menggunakan variabel-variabel biner, konstanta-konstanta 0 dan 1, simbol-simbol operasi logik, dan tanda kurung. Dalam logika dikenal aturan sbb : ♦Suatu keadaan tidak dapat dalam keduanya benar dan salah sekaligus ♦Masing-masing adalah benar / salah. ♦Suatu keadaan disebut benar bila tidak salah. Dalam ajabar boolean keadaan ini ditunjukkan dengan dua konstanta : LOGIKA ‘1’ dan ‘0’

DALIL BOOLEAN ; 1. X=0 ATAU X=1 2. 0 . 0 = 0 3. 1 + 1 = 1 4. 0 + 0 = 0 5. 1 . 1 = 1 6. 1 . 0 = 0 . 1 = 0 7. 1 + 0 = 0 + 1 = 0

TEOREMA BOOLEAN 1. HK. KOMUTATIF A+B=B+A A.B=B.A 2. HK. ASSOSIATIF (A+B)+C = A+(B+C) (A.B) . C = A . (B.C) 3. HK. DISTRIBUTIF

 

193 

A . (B+C) = A.B + A.C A + (B.C) = (A+B) . (A+C) 4. HK. IDENTITAS A+0=A A.1=A 5. HK. NEGASI A’ + A = 1 A’ . A =0 6. HK. IDEMPOTEN A+A=A A.A=A 7.HK, IKATAN A+1=1 A.0=0 8. HK. ABRSORPSI (A.B) + A = A (A+B) . A = A 9. DE MORGAN’S ( A . B )’ = A’ + B’ ( A + B )’ = A’ . B’ 10.

A + A’ . B = A + B A’ + A . B = A’ + B

RANGKAIAN LOGIKA DASAR Pengertian GERBANG (GATE) : ♦ Rangkaian satu atau lebih sinyal masukan tetapi hanya menghasilkan satu sinyal keluaran. ♦ Rangkaian digital (dua keadaan), karena sinyal masukan atau keluaran hanya berupa tegangan tinggi atau low ( 1 atau 0 ). ♦ Setiap keluarannya tergantung sepenuhnya pada sinyal yang diberikan pada masukanmasukannya. Gerbang logika atau gerbang logik adalah suatu entitas dalam elektronika dan matematika Boolean yang mengubah satu atau beberapa masukan logik menjadi sebuah sinyal  

194 

keluaran logik. Gerbang logika terutama diimplementasikan secara elektronis menggunakan dioda atau transistor, akan tetapi dapat pula dibangun menggunakan susunan komponenkomponen yang memanfaatkan sifat-sifat elektromagnetik (relay), cairan, optik dan bahkan mekanik. Dalam logika dan bidang teknik yang memakainya, konjungsi, atau dan, adalah operator logika dalam kalkulus proposisional. Hasil dari dua proposisi juga disebut konjungsi mereka. Hasil konjungsi adalah benar jika kedua proposisinya benar; jika tidak, hasilnya adalah salah Dalam logika dan bidang teknik yang memakainya, disjungsi, atau atau, adalah operator logika dalam kalkulus proposisional. Hasil dari dua proposisi juga disebut disjungsi mereka. Hasil disjungsi adalah salah jika kedua proposisinya salah; jika tidak, hasilnya adalah benar. Dalam logika dan bidang teknik yang memakainya, negasi, atau tidak, adalah operator logika dalam kalkulus proposisional. Hasil dari dua proposisi juga disebut negasi mereka. Hasil negasi adalah benar jika proposisinya salah; jika tidak, hasilnya adalah salah.

sumber: ebook rangkaian logika

 

195 

5.3 Bahasa Pemrograman Program PLC dapat dibuat dengan menggunakan beberapa cara yang disebut bahasa pemrograman. Bentuk program berbeda-beda sesuai dengan bahasa pemrograman yang digunakan. Bahasa pemrograman tersebut antara lain: diagram ladder, kode mneumonik, diagram blok fungsi, dan teks terstruktur. Beberapa merk PLC hanya mengembangkan program diagram ladder dan kode mneumonik.

1.

Diagram Ladder Diagram ladder terdiri atas sebuah garis vertikal di sebelah kiri yang disebut bus bar, dengan garis bercabang ke kanan yang disebut rung. Sepanjang garis instruksi, ditempatkan kontak-kontak yang mengendalikan/mengkondisikan instruksi lain di sebelah kanan. Kombinasi logika kontak-kontak ini menentukan kapan dan bagaimana instruksi di sebelah kanan dieksekusi. Contoh diagram ladder ditunjukkan pada gambar di bawah ini. 0.00

0.01

TIM0

10.01

10.01

TIM0 #50

10.01

10.00

10.00

10.00

10.01

10.02

10.00

10.02

10.03

END(01)

Gambar 5.2.3. Contoh Diagram Ladder

Terlihat dari gambar di atas bahwa garis instruksi dapat bercabang kemudian menyatu kembali. Sepasang garus vertikal disebut kontak (kondisi). Ada dua kontak, yaitu kontak NO (Normally Open) yang digambar tanpa garis diagonal dan kontak NC (Normally Closed) yang digambar dengan garis diagonal. Angka di atas kontak menunjukkan bit operand.

Prinsip-prinsip Ladder Diagram PLC

 

.

196 

Motor dihubungkan ke sumber daya melalui 3 saklar yang dirangkai secara seri ditambah saklar over load sebagai pengaman. Motor akan menyala bila seluruh saklar dalam kondisi menutup.

Gambar 2. rangkaian start – stop motor . sumber: http://anaklistrik98.blogspot.com/2009/07/ ladder-diagram.html Kesimpulan : 1. Ladder diagram tersusun dari dua garis vertical yang mewakili rel daya 2. Diantara garis vertikal tersebut disusun garis horizontal yang disebut rung (anak tangga) yang berfungsi untuk menempatkan komponen kontrol sistem. Aturan-Aturan Dalam Leader Diagram Dalam menggambarkan sebuah ladder diagram, diterapkan konvensi- konvensi tertentu: A. Garis- garis vertikal diagram mempresentasikan rel- rel daya, di mana diantara keduanya komponen- komponen rangkaian tersambung. B. Tiap- tiap anak tangga mendefinisikan sebuah operasi di dalam proses kontrol. C. Sebuah diagram tangga dibaca dari kiri ke kanan dan dari atas ke bawah. Anak tangga teratas dibaca dari kiri ke kanan. Berikutnya anak tangga kedua dibaca dari kiri ke kanan dan demikian seterusnya. Ketika PLC berada dalam keadaan bekerja, PLC membaca seluruh program tangga dari awal sampai akhir, anak tangga terakhir ditandai dengan jelas, kemudian memulai lagi dari awal. D. Tiap- tiap anak tangga harus dimulai dengan sebuah input atu sejumlah input dan harus berakhir dengan setidaknya sebuah output. Itilah input digunakan bagi sebuah langkah kontrol, seperti misalnya menutup kontak sebuah saklar, yang berperan sebagai sebuah input ke PLC. Istilah output digunakan untuk perangkat yang tersambung ke output sebuah PLC. E. Perangkat- perangkat listrik ditampilkan dalam kondisi normalnya. Dengan demikian, sebuah saklar yang dalam keadaan normalnya terbuka hingga suatu objek menutupnya, diperlihatkan pada diagram tangga. Sebuah aklar yang dalam keadaan normalnya tertutup diperlihatkan tertutup. F. Sebuah perangkat tertentu dapat digambarkan pada lebih dari satu anak tangga. Sebagai contoh, kita dapat memiliki sebuah relay yang menyalakan satu buah perangkat listrik atau lebih. Huruf- huruf dan nomor dipergunakan untuk memberi label bagi perangkat tersebut pada riap- tiap situai kontrol yang dihadapinya.

 

197 

G. Input- input dan output- output seluruhnya diidentifikasikan melalui alamatalamatnya. Alamat ini mengindikasikan lokasi input atau output di dalam memori PLC.

5.4 Instruksi Diagram Ladder Instruksi diagram ladder adalah instruksi sisi kiri yang mengkondisikan instruksi lain di sisi kanan. Pada program diagram ladder instruksi ini disimbolkan dengan kontak-kontak seperti pada rangkaian kendali elektromagnet. Instruksi diagram ladder terdiri atas enam instruksi ladder dan dua instruksi blok logika. Instruksi blok logika adalah instruksi yang digunakan untuk menghubungkan bagian yang lebih kompleks.

Instruksi LOD dimulai dengan barisan logic yang dapat diteruskan menjadi ladder diagram rung. Instruksi LOD digunakan setiap kali rung baru dimulai.

• Diagram Ladder ( relay circuit ) 0

0

• List Program Address

Instruction Word

Data

0

LOD

0

1

-

-

1. Instruksi AND • • •

Instruksi AND digunakan untuk membuat program kontak sirkuit seri Instruksi AND dimasukan sebelum set yang kedua yang berhubungan dan selanjutnya Dapat dilanjuti dengan instruksi NOT untuk contact normally closed

™ Gerbang Logic AND

 

198 

™ Tabel Kebenaran gerbang AND INPUT 1

INPUT 2

INPUT 3

OFF

OFF

OFF

ON

OFF

OFF

OFF

ON

OFF

ON

ON

ON

™ Diagram Ladder (relay circuit) 0

1

0

1

™ List Program Address

Instruction Word

Data

0

LOD

0

1

AND

1

Instruksi OR

- Instruksi OR digunakan untuk memprogram parallel contact circuit - Instruksi OR dimasukan sebelum set kedua dan selanjutnya - Instruksi ini dapat diikuti oleh instruksi NOT pada contact normaly closed ™ Gerbang Logic OR

 

199 

™ Tabel Kebenaran gerbang OR INPUT 1

INPUT 2

INPUT 3

OFF

OFF

OFF

ON

OFF

ON

OFF

ON

ON

ON

ON

ON

™ Diagram Ladder (relay circuit) 0

0

1

1

™ List Program Address

Instruction Word

Data

0

LOD

0

1

OR

1

2. Instruksi AND LOD -

 

Instruksi AND LOD digunakan untuk menyambung dua atau lebih circuit seri yang dimulai dengan LOD instruction. Instruksi AND LOD sama dengan NODE pada ladder program. Instruksi AND LOD dimasukan setelah memasukkan circuit-circuit yang akan disambung.

200 

™ Gerbang Logic AND LOD

AND LOD ™ Diagram Ladder (relay circuit)

AND LOD

™ List Program Address

Instruction Word

Data

0

LOD

1

1

LOD

2

2

OR

3

3

AND LOD

™ Key Operation Instruksi OR LOD

-

 

Instruksi OR LOD digunakan untuk menyambung dua atau lebih circuit parallel yang dimulai dengan LOD instruction Instruksi OR LOD sama dengan NODE pada ladder diagram Instruksi OR LOD dimasukan setelah memasukkan circuit yang akan disambung

201 

™ Gerbang Logic OR LOD

™ Diagram Ladder (relay circuit)

OR LOD ™ List Program Address

Instruction Word

Data

0

LOD

1

1

AND

2

2

LOD

3

3

AND

4

4

OR LOD

3. Instruksi NOT -

 

Instruksi NOT digunakan sebelum memasukan input address untuk menyatakan kontak yang normaly closed Instruksi NOT membuat pembacaan input menjadi kebalikannya Instruksi ini dapat dimasukan setelah memasukkan instruksi LOD, AND, OR

202 

™ Gerbang Logic NOT

™ Tabel Kebenaran gerbang NOT INPUT

OUTPUT

OFF

ON

ON

OFF

™ Diagram Ladder (relay circuit)

™ List Program Address

Instruction Word

Data

0

LOD NOT

0

1

-

-

5.4 SISTEM HIDROLIK

Hidrolik adalah ilmu pergerakan fluida, tidak terbatas hanya pada fluida air. Jarang dalam keseharian kita tidak menggunakan prinsip hidrolik, tiap kali kita minum air, tiap kali kita menginjak rem kita mengaplikasikan prinsip hidrolik.

KEUNTUNGAN Sistem hidrolik banyak memiliki keuntungan. Sebagai sumber kekuatan untuk banyak variasi pengoperasian. Keuntungan sistem hidrolik antara lain:  

203 

a.

Ringan

b.

Mudah dalam pemasangan

c.

Sedikit perawatan

d.

Sistem hidrolik hampir 100 % efisien, bukan berarti mengabaikan terjadinya . gesekan fluida.

KOMPONEN SISTEM HIDROLIK

Motor Hidrolik Motor hidrolik berfungsi untuk mengubah energi tekanan cairan hidrolik menjadi energi mekanik. Pompa Hidrolik. Pompa umumnya digunakan untuk memindahkan sejumlah volume cairan yang digunakan agar suatu cairan tersebut memiliki bentuk energi. Katup (Valve) Katup pada sistem dibedakan atas fungsi, disain dan cara kerja katup.

5.5 ELEKTRO PNUMATIK

Elektropneumatik merupakan pengembangan dari pneumatik, dimana prinsip kerjanya Memilih energi pneumatik sebagai media kerja (tenaga penggerak) sedangkan media kontrolnya Mempergunakan sinyal elektrik ataupun elektronik. Sinyal elektrik dialirkan ke kumparan yang terpasang pada katup pneumatik dengan mengaktifkan sakelar, sensor ataupun sakelar pembatas yang berfungsi sebagai penyambung ataupun pemutus sinyal. Sinyal yang dikirimkan ke kumparan tadi akan menghasilkan medan elektromagnit dan akan mengaktifkan/mengaktuasikan katup pengatur arah sebagai elemen akhir pada rangkaian kerja pneumatik. Sedangkan media kerja pneumatik akan mengaktifkan atau menggerakkan elemen kerja pneumatik seperti motor-pneumatik atau silinder yang akan menjalankan sistem.

Elemen utama Elektro-pneumatik Bila energi listrik tersedia dan akan dipakai maka perlu diproses dan didistribusikan oleh komponen utama. Untuk mempermudah penunjukkannya maka komponen itu digambarkan dalam bentuk simbol pada diagram rangkaiannya.

 

204 

Elemen utama Elektro-pneumatik Bila energi listrik tersedia dan akan dipakai maka perlu diproses dan didistribusikan oleh komponen utama. Untuk mempermudah penunjukkannya maka komponen itu digambarkan dalam bentuk simbol pada diagram rangkaiannya. Sinyal masukan listrik kerjanya tergantung kepada fungsi sinyal itu. Ada yang disebut “Normally open” (NO, pada kondisi tidak aktif sambungan tidak tersambung), “Normally closed” (NC, kondisi tidak aktif sambungan tersambung) dan “Change Over” (tersambung bergantian, kombinasi dari NO dan NC).

Sakelar tekan, dioperasikan manual

Sakelar tekan biasa Elemen sinyal masukan diperlukan untuk memungkinkan sebuah sistem kontrol dinyalakan. Yang paling umum dipakai adalah sakelar tekan (Push-button switch). Disebut sakelar tekan karena untuk mengalirkan sinyal, mengaktuasikannya dengan menekan tombol atau sakelar Simbol yang digunakan:

Sakelar tekan manual secara umum untuk kontak NO (General Push-button switch, NO)

Sakelar tekan manual, diaktifkan dengan cara ditekan untuk kontak NO

 

205 

Saklear tekan manual, diaktifkan dengan cara ditekan untuk kontak NC

Sakelar tekan mengunci (Latching Push-button switches)

Sakelar ini diaktuasikan/diaktifkan dengan tombol yang mengunci. Adapun menguncinya sakelar ini disebabkan kerja mekanik. Untuk mengembalikan ke posisi semula (posisi tidak aktif) maka sakelar ini harus ditekan lagi. Penunjukkan sistem ini berdasarkan standardisasi Jerman, diatur dengan nomor DIN 43 065. Penunjukkan aktuasi: I tanda mengaktifkan, O tanda untuk mengembalikan ke posisi sebelum bekerja. Posisi penempatan sakelar: a). Berjajar ke pinggir: pada posisi ini perlu diperhatikan bahwa tanda untuk mengaktifkan disimpan disebelah kanan. b). Berjajar ke bawah: pada posisi ini tanda untuk mengkatifkan berada pada posisi atas.

Contoh sakelar tekan mengunci:

Gambar 5.5 sakelar. Sumber; www.reocities.com/al_dodi/kerja/kp4a.pdf

Simbol-simbol yang digunakan:

 

206 

Sakelar mengunci manual, diaktifkan dengan cara ditekan untuk kontak NO

Sakelar mengunci manual, diaktifkan dengan cara ditarik untuk kontak NC

Sakelar mengunci manual, diaktifkan dengan cara diputar untuk kontak NO

Sakelar Pembatas (Limit Switches)

Mekanik Tipe Sentuh (Mechanical Limit Switches Contacting Type) Sakelar pembatas ini dipakai sebagai indikasi dalam kontrol otomasi yang menyatakan bahwa posisi ini merupakan posisi akhir baik itu untuk mesin ataupun untuk silinder. Biasanya sistem kontak yang dipakai adalah sistem tersambung bergantian (Change over). Sakelar

 

207 

sumber: www.reocities.com/al_dodi/kerja/kp4a.pdf pembatas ini akan bekerja bila tuas sakelar tertekan. Contoh konstruksi dan simbol sakelar pembatas mekanik:

Tipe Tidak Sentuh (Non-Contacting Proximity Limit Switch) Sakelar pembatas tipe ini biasanya dipakai bila sakelar pembatas mekanik tidak dapat digunakan. Macam sakelar pembatas tipe ini antara lain: a. Sakelar Pembatas (sensor) Buluh Penggunaan sakelar ini biasanya dikarenakan keadaan sekitar yang tidak memungkinkan dipasangnya sakelar mekanik, misalnya karena banyaknya debu, pasir ataupun lembab.Sakelar ini diaktuasikan/diaktifkan dengan magnet yang terpasang pada silinder. Dengan adanya magnet maka buluh kawat akan tersambung atau terputus bila magnet itu mendekat atau menjauhi buluh kawat tersebut. b. Sakelar Pembatas Induktif Digunakan bila sakelar pembatas mekanik ataupun buluh tidak dapat digunakan. Biasa dipakai untuk sensor penghitung benda kerja yang terbuat dari logam, pada suatu mesin atau ban berjalan. Sakelar pembatas ini hanya akan beraksi atau terpakai untuk logam. Sakelar pembatas atau sensor ini biasanya terdiri dari oscillator, pemicu tegangan dan penguat. Biasanya ada dua macam, yaitu yang dialiri arus bolak-balik dan arus searah, tapi keduanya mempunyai tegangan operasi antara 10–30 volts. c. Sakelar Pembatas Kapasitif Sensor kapasitif ini mempunyai respons terhadap segala material, metal maupun non-metal. Tapi sensor ini terpengaruhi oleh adanya perubahan-perubahan yang diakibatkan keadaan sekelilingnya, misalnya dengan debu logam. d. Sakelar Pembatas Optik Sensor ini memberi respons pada semua benda kerja. Sinyal masukannya berupa sinar.

Solenoid

Di lapangan kita bisa menemukan solenoid dengan arus searah (DC) ataupun arus bolak balik (AC). Sedangkan yang sering digunakan pada Electro-pneumatik adalah Solenoid DC. Solenoid DC secara konstruktif selalu mempunyai inti yang pejal dan terbuat dari besi lunak. Dengan demikian mempunyai bentuk yang simple dan kokoh. Selain itu maksudnya agar diperoleh konduktansi optimum pada medan magnet. Bila ada kelonggaran udara, tidak akan mengakibatkan kenaikan temperature operasi, karena temperature operasi hanya akan tergantung pada besarnya tahanan kumparan serta arus listrik yang mengalir. Bila solenoid DC diaktifkan (switched on) maka arus listrik yang mengalir meningkat secara perlahan. Ketika arus listrik dialirkan ke dalam kumparan akan terjadi elektromagnet. Selama terjadinya induksi akan menghasilkan gaya yang berlawanan dengan tegangan yang digunakan. Bila solenoid dipasifkan (switched off) maka medan magnet yang pernah terjadi akan hilang dan dapat mengakibatkan tegangan induksi yang besarnya bisa beberapa kali lipat

 

208 

dibandingkan dengan tegangan yang ada pada kumparan. Tegangan induksi ini dapat mengakibatkan rusaknya isolasi pada gulungan koil, selanjutnya bila hal ini terjadi terus akan terjadi percikan api. Untuk mengatasi hal ini maka harus dibuat rangkaian yang meredam percikan api, misalnya dengan memasang tahanan yang dihubungkan secara paralel dengan induktansi. Sehingga bila terjadi. pemutusan arus listrik, energi akan tersimpan dalam bentuk medan magnet dan dapat hilang lewat tahanan yang dipasang tadi.

sumber:www.reocities.com/al_dodi/kerja/kp4a.pdf Elemen Elektro Pneumatik Apabila suatu kontrol mempergunakan sinyal kontrolnya dengan sinyal listrik dan sinyal kerjanya mempergunakan pneumatik maka harus ada suatu alat yang dapat mengawinkan sinyal kontrol listrik dengan sinyal kerja pneumatik itu. Sistem yang mengawinkan sinyal kontrol dan sinyal kerja ini biasanya terdiri dari katup yang diaktuasikan dengan solenoid. Maksudnya adalah untuk menyalurkan sinyal kerja mempergunakan katupkatup pneumatik, sedangkan yang mengatur membuka atau menutup tersebut adalah arus listrik yang dialirkan ke kumparan kawat (solenoid).

Katup 2/2 diaktuasikan dengan sinyal listrik, kembali dengan pegas Pada prinsipnya katup ini mempunyai dua posisi dan dua saluran, konfigurasi katup adalah NC. Bila katup ini akan diaktifkan maka arus listrik harus dialirkan ke solenoid yang terpasang pada katup tersebut. Dengan diaktifkannya solenoid maka saluran 1(P) bila dihubungkan dengan sumber energi akan menyalurkan sinyal pneumatik ke saluran 2(A). Sedangkan kembalinya bila arus listrik ditutup (dimatikan) maka katup akan kembali ke posisi semula karena katup terdorong pegas yang dipasang berlawanan dengan solenoid. Dengan demikian saluran 1 (P) ataupun saluran 2 (A) kedua-duanya tertutup dan udara yang ada di saluran 2(A) tidak dapat keluar.

Katup 3/2 diaktuasikan dengan sinyal listrik, kembali dengan pegas

a. Normally Closed 3/2 Katup 3/2 NC bekerja bila arus listrik dialirkan ke solenoid sehingga terbentuk elektromagnet yang mengakibatkan bergesernya armature dan selanjutnya udara dialirkan dari saluran masuk 1(P) ke saluran keluar 2(A). Sedangkan sakuran 3(R) tertutup. Sebaliknya bila arus listrik diputuskan maka elektromagnet yang terbentuk pada solenoid menghilang dan

 

209 

berakibat saluran 1(P) tertutup sedangkan udara yang berada di saluran 2(A) akan dibuang melalui saluran buang

Gambar 5.5.1 katup 1/2 sumber: www.reocities.com/al_dodi/kerja/kp4a.pdf b. Normally Open 3/2 Katup ini kebalikan dari katup 3/2 NC. Jadi bila arus listrik tidak ada maka saluran 1(P) mengalirkan udara ke saluran 2(A) dan saluran 3(R0) tertutup. Tapi bila solenoid dialiri arus

gambar 5.5.2 katup 3/2 sumber: www.reocities.com/al_dodi/kerja/kp4a.pdf

 

210 

listrik, saluran 1(P) tertutup dan udara dari 2(A) dialirkan langsung ke 3(R).

Katup 3/2 diaktuasikan sinyal listrik dan kontrol Pneumatik, kembali dengan Pegas. Katup ini bila diaktifkan masih mempergunakan sinyal kontrol pneumatik. Sedangkan fungsi kumparan ini hanya untuk mengaktifkan sumbat yang ada pada katup, dengan demikian gaya elektromagnet yang diperlukan untuk mengaktifkan sumbat tidak terlalu besar. Dengan kata lain arus listrik yang diperlukan tidak terlalu besar pula. Prinsip kerja saluran yang terdapat pada katup ini sama dengan prinsip kerja katup 3/2 yang telah dibahas di atas.

Katup 4/2 pada prinsipnya terdiri dari 2 buah

.

Gambar 5.5.3 katup 4/2 sumber: www.reocities.com/al_dodi/kerja/kp4a.pdf

katup 3/2. Biasanya digunakan untuk mengaktuasikan silinder kerja ganda. Sinyal listrik digunakan seperti pada katup 3/2, berfungsi sebagai pembuka sumbat sedangkan yang mengatur katup piston adalah sinyal kontrol pneumatik. Pada posisi diaktuasikan saluran 1(P) dan saluran 4(A) tersambungkan sedangkan saluran 2(B) dengan saluran 3(R). Apabila sinyal listrik diputuskan maka katup piston didorong kembali ke posisi semula sehingga saluran 1(P) tersambungkan dengan 2(B) dan saluran 4(A) dengan 3(R).

 

211 

gambar katup 4/2 sumber: www.reocities.com/al_dodi/kerja/kp4a.pdf

5.5.1 Diagram Rangkaian pada Rangkaian Listrik Pada diagram rangkaian listrik digambarkan bagaimana ditempatkannya perlengkapan dan juga alat listrik ditempatkan, dengan mempergunakan simbol yang telah ditetapkan/distandardisasikan. Diagram rangkaian ini merupakan dokumen yang sangat penting, yang dibutuhkan oleh bagian perawatan, untuk memperbaiki dan merawat sistem kontrol listrik. Ada beberapa cara untuk menampilkan/menggambarkan fungsi, operasi peralatan serta instalasi rangkaian.

Diagram Kabel (Wiring Diagram) Pada sistem penunjukkan ini semua peralatan ditampilkan dalam satu gambar, baik itu rangkaian kontrol dan juga rangkaian utama, serta diatur berdasarkan sambungan jalur kabel. Sistem ini biasanya digunakan pada jaringan / rangkaian listrik pada kendaraan bermotor, mesin perkakas yang ringkas ataupun peralatan pabrik lainnya. Cara penggambarannya, penyimpanan peralatan yang digunakan bisa dimana saja, asalkan menyambungkan jaringan kabelnya betulbetul diperhatikan. Contoh gambar instalasi kabel:

 

212 

Gambar 5.5.4 rangkaian instalasi sumber: www.reocities.com/al_dodi/kerja/kp4a.pdf

Diagram Rangkaian Dibandingkan dengan penggambaran instalasi kabel, dimana penggambaran rangkaian kontrol dan utamanya dijadikan satu, maka pada penggambaran rangkaian secara skematis ini ditampilkan berdasarkan fungsinya. Dengan cara menggambarkan rangkaian kontrol dan rangkaian utama dipisahkan. Pada sistem ini penggambaran untuk sambungan (NC dan NO) relay untuk keperluan latching (mengunci sambungan) ataupun memutus sambungan akan digambarkan pada rangkaian kontrol. Penggambaran rangkaian secara skematis biasanya menggunakan garis lurus, dimana arus listrik mengalir dari atas ke bawah. Di bawah ini ditampilkan gambar dengan fungsi yang sama

 

213 

dengan penggambaran instalasi kabel.

gambar instalasi kabel sumber: www.reocities.com/al_dodi/kerja/kp4a.pdf

Diagram Rangkaian Dasar Pada tingkat tertentu, misalnya dalam penggambaran awal, penggambaran rangkaian ini tidak bisa langsung lengkap/komplit, melainkan dibuat dahulu sketsa fungsinya (pre-desain) dengan hanya menggambarkan hal yang penting-penting saja. Begitu pula untuk penunjukkan perlengkapannya hanya cukup dengan menunjukkan simbol huruf. Biasanya dalam penggambaran rangkaian dasar yang digambarkan hanya rangkaian utamanya saja. Contoh penggambaran Diagram Rangkaian Dasar:

Beberapa contoh aplikasi PLC seperti:

¾ ¾ ¾ ¾

 

Traffic light Lift Konveyor Sistem pengemasan barang

214 

¾ ¾ ¾ ¾

Sistem perakitan peralatan elektronik Sistem pengamanan gedung Robot Pemrosesan makanan

5.6 Contoh-contoh PLC PLC mempunyai beberapa type diantarnya,PLC omron, Siemens,simantec dan lain sebagainya.

5.6.1 Instruksi dasar PLC OMRON Programman PLC dasar merk OMRON menggunakan bahasa program dari OMRON juga yaitu SYSWIN. Tampilan menu utama dari program SYSWIN dapat dilihat pada gambar berikut

. Gambar 5.6.1 PLC OMRON Sumber: http://nisguru.blogspot.com

Tampilan menu utama program SYSWIN (OMRON) Beberapa perintah program yang penting dan perlu dipahami sebagai berikut: a. Connect merupankan perintah program untuk penyambungan antara komputer dengan PLC. b. Upload Program Merupakan perintah untuk melihat isi program dalam PLC c. Down Load Program Merupakan perintah untuk mentransfer program yang telah dibuat ke dalam PLC  

215 

d. Run Perintah untuk menjalankan program yang telah di tranfer ke PLC e. Stop Perintah untuk menghentikan program yang sedang dijalankan di PLC f. Monitoring Perintah untuk melihat kondisi pada saat PLC bekerja Addressing pada PLC CMP1 Addressing adalah hal yang sangat penting dari pemrograman PLC, berikut ini konvensi pemrograman yang digunakan pada PLC Omron. Setiap merk PLC mempunyai konvensi yang berbeda. IR Jenis data  area  ¾ ¾ ¾

0 1 0 0 Channel 

0

Bit

Satu channel terdiri dari 16 bit (bit 00 sampai bit 15) Berikut ini struktur memory area PLC Omron secara keseluruhan.

Gambar 5.6.2 memory plc omron Sumber: http://nisguru.blogspot.com

KEUNTUNGAN MENGGUNAKAN PLC OMRON  

216 

Keuntungan PLC menurut Factory Automatic Omron adalah sebagai berikut a. b. c. d. e. f. g.

Lama pengerjaan untuk sistem baru desain ulang lebih singkat. Modifikasi sitem tanpa tambahan biaya yang masih ada input dan output. Perkiraan biaya suatu sistem desain baru lebih pasti. Relatif mudah untuk dipelajari. Desain sistem baru mudah untuk dimodifikasi dan aplikasi PLC sangat luas. Mudah dalam hal perawatan (maintenance) dan sangat handal. Standarisasi sistem control mudah diterapkan.

PENGALAMATAN PLC OMRON CJ1M (DIGITAL I/O) Modul Digital I/O adalah salah satu modul yang paling hampir selalu digunakan pada PLC. Penggunaan modul ini biasanya membutuhkan power supply tambahan untuk men-drive input dan output. Pada digital input, terminal dihubungkan dengan saklar, push button, atau relay beserta power supply. Cara pemasangan rangkaian pada terminal ini dapat dilihat pada gambar berikut.

Gambar 5.6.3 cara pemasangan rangkain terminal Sumber: http://nisguru.blogspot.com Setiap input terminal yang digunakan, dihubungkan dengan saklar atau relay. Lalu saklarsaklar atau relay-relay ini dihubungkan ke power supply dan power supply itu dihubungkan ke terminal COM. Gambar tersebut adalah contoh pemasangan rangkaian input untuk modul CJ1W-ID211 DC Input Unit. Power supply yang digunakan adalah 24 VDC dan pemasangannya boleh dibolak-balik. Untuk digital output, ada 3 macam jenis output: Contact Output Unit, Triac Output Unit, dan Transistor Output Unit.

 

217 

Gambar 5.6.4 Contact Output Unit, Triac Output Unit, dan Transistor Output Unit Sumber : : http://nisguru.blogspot.com Contact output unit adalah output unit yang terbuat dari relay atau kontaktor. Ketika energized atau aktif, relay/kontaktor di dalam terminal terhubung sehingga jalur dari output terminal ke COM terhubung. Jenis output unit ini bisa digunakan tanpa power supply. Biasanya power supply digunakan hanya untuk memberikan daya pada rangkaian output seperti lampu. Triac output unit mirip dengan contact output unit, yakni tidak membutuhkan power supply untuk diaktifkan. Perbedaannya hanya pada komponen yang menghubungkan terminal di dalamnya. Triac output unit menggunakan triac dengan opto isolator sehingga penghubungan terminal terjadi secara solid state, bukan mekanik. Yang terakhir, transistor output unit, terbuat dari rangkaian transistor. Lain dengan contact output unit dan triac output unit, transistor output unit membutuhkan power supply untuk dapat diaktifkan. Berikut ini adalah contoh pemasangan rangkaian output untuk CJ1W-OC211 Contact Output Unit.

Gambar 5.6.5 rangkaian CJ1W-OC211 Sumber: : http://nisguru.blogspot.com

 

218 

Power supply pada gambar di atas digunakan untuk menyalakan lampu-lampu yang terhubung dengan terminal output. Besar daya power supply bebas, asal tidak melebihi rating output unit.Untuk mengakses input dan output ini pada program ladder di CX-Programmer, kita harus mengetahui letak pengalamatan modul digital I/O unit. Pengalamatan ini dapat dilihat pada IO Table and Unit Setup. Misalkan PLC yang kita gunakan terdiri dari: Power supply – CPU unit – Digital Input – Digital Output. Maka pada IO Table and Unit Setup akan terlihat seperti ini setelah diatur.

Terlihat bahwa input unit terletak pada alamat 00 dan output unit pada alamat 01. Jika kita ingin mengakses input unit pin ke 1, maka kontaktor pada ladder diagram diberi alamat 0.01. Jika kita ingin mengakses output unit pin ke 4, maka relay/kontaktor pada ladder diagram diberi alamat 1.04. Contoh diagram ladder dengan pin input 0.01 dan 0.03 serta output 1.04 bisa dilihat di gambar di bawah ini.

Gambar 5.6.6 digram leader pada plc Sumber; : http://nisguru.blogspot.com

 

219 

Pendeteksi pulsa (Pulse Catch) (pada Siemens S7-200) Pada suatu saat diperlukan input yang dapat mendeteksi pulsa digital yang mempunyai durasi sangat pendek atau lebih kecil dari waktu telusuran (scan cycle) dari CPU. Untuk itu diperlukan suatu fungsi khusus yang dapat mendeteksi transisi naik (positive going) atau transisi turun (negative going) dan mempertahankan nilai akhirnya sampai input yang bersangkutan dibaca oleh CPU. Fungsi ini disebut “pulse catch” dan dapat diaktifkan secara individual untuk tiap digital input.

Gambar 1.4 : Kondisi kerja dengan dan tanpa pendeteksi pulsa (pulse catch). Sebagai catatan anda harus memperhatikan fungsi filter pada input yang sama. Pengaturan input filter ini tidak boleh menghilangkan pulsa yang akan dideteksi atau dengan kata lain pengaturan waktu input filter harus lebih kecil dari lebar pulsa minimum yang akan dideteksi. Dalam blok diagram dibawah terlihat bahwa input filter akan memproses sinyal digital sebelum pendeteksi pulsa. Contoh praktis dari pemakaian pendeteksi pulsa ini dapat dilihat pada gambar berikut

 

220 

Gambar 5.7: Contoh pemakaian pendeteksi pulsa.

Gambar 5.7.1 : Menu konfigurasi PLC siemens Sumber: : http://nisguru.blogspot.com

Untuk mengaktifkan fungsi pendeteksi pulsa ini dapat dilakukan pada menu command View > System Block dan klik pada menu “Pulse Catch Bits”.

 

221 

Siemens S7-200 mempunyai kemampuan untuk mengatur status dari digital output setelah transisi CPU dari Run ke Stop. Status dari digital output akan tetap setelah CPU berhenti sesuai dengan konfigurasi yang ditentukan pada “output table”. Status output ini dapat dipilih untuk mengikuti status sebelumnya atau mengikuti tabel output (lihat gambar berikut).

Gambar 5.7.2 : Menu konfigurasi status output Sumber: : http://nisguru.blogspot.com

Instruksi Simatic dan IEC 1131-3 pada CPU S7-200 S7-200 CPU mempunyai kemampuan untuk menjalankan program dalam dua format instruksi yaitu instruksi Simatec dan instruksi IEC 1131-3. Instruksi Simatec dibuat secara khusus untuk dijalankan pada CPU PLC jenis Siemens S7-200. Instruksi Simatec ini tidak dapat dijalankan pada CPU dari jenis lain misalnya C200HX dari Omron Instruksi IEC merupakan instruksi yang dikembangkan oleh International Electrotechnical Commission dan instruksi ini mempunyai format standar yang dikenal oleh beragam jenis PLC. Kedua instruksi tersebut masing masing mempunyai keunggulan. Piliha yang dibuat mutlak tergantung kepada pembuat program. Meskipun demikian, dibawah ini disebutkan hal-hal yang patut dijadikan pertimbangan untuk memilih jenis instruksi diatas. Simatic • •

Instruksi Simatic biasanya mempunyai waktu eksekusi yang tersingkat Ada tiga jenis editor yang bisa digunakan dalam instruksi Simatec yaitu (LAD, STL,dan FBD)

IEC 1131-3 • • • •

 

Biasanya lebih mudah belajar membuat program untuk berbagai jenis PLC. Instruksi yang dipakai lebih sedikit sehingga lebih mudah mempelajarinya. Beberapa instruksi bekerja berlainan dengan instruksi yang sama pada Simatec. Instruksinya kemungkinan mempunyai waktu eksekusi yang lebih lama. 222 

• •

Instruksi ini hanya bisa digunakan dengan editor LAD dan FBD IEC 1131-3 memberikan spesifikasi bahwa variabel-variabel harus dideklarasikan dengan jenis dan sistem pengecekan dari tipe datanya.

5. Tipe Data Variabel pada Simatic dan IEC 1131-3 Setiap instruksi Simatic dan IEC 1131-3 atau parameter subrutin diidentifikasi oleh definisi yang baku yang disebut “signature”. Untuk semua instruksi standar, jenis data yang diijinkan untuk setiap operand instruksi diambil dari “signature”. Untuk parameter subrutin, subrutin signature-nya dibuat oleh pemakai melalui tabel variabel lokal. Lihat contoh tipe data “elementary” dan “complex” pada tabel : berikut ini.

Tabel 5.7.3 : Tipe data elementary Sumber: : http://nisguru.blogspot.com

 

223 

Tabel 5.7.4 : Tipe data complex Sumber: : http://nisguru.blogspot.com

Step 7-Micro/Win32 yang merupakan editor bagi CPU S7-200 melakukan pengecekan data yang disebut “simple data checking” dan “no data cheking” untuk instruksi simatic, dan menerapkan “strong data cheking” untuk instruksi IEC 1131-3 Keunggulan dari “data type checking” adalah ia akan mengihindarkan terjadinya kesalahan tipe data pada waktu pembuatan program. Sebagai contoh hubungan matematis perbandingan < 1 adalah suatu instruksi bertanda (“signed”). –1 adalah lebih kecil dari 0 untuk tipe data bertanda. Tetapi jika instruksi <1 digunakan dalam tipe data tak-bertanda (“unsigned”) maka 40000 bisa menjadi lebih kecil dari 0 untuk sebuah instruksi a < 1. Kita harus memastikan penggunaan nomor unsigned untuk instruksi signed tidak melebihi batasan positiftif adau negatif. Kesalahan penggunaan tipe data ini bisa berakitbat terjadinya hasil yang tdak diharapkan pada sistem kerja PLC atau mengakibatkan terjadinya kecelakaan kerja. Sistem kerja dari PLC yang tidak dapat diperkirkarakan dapat menimbulkan kematian atau luka yang serius pada operator, dan/atau kerusakan peralatan yang berat. Kesimpulannya, dalam mode editor untuk instruksi IEC 1131-3, “strong data checking” menolong anda untuk mengidentifikasi kesalahan-kesalahan tersebut selama proses kompilasi, yaitu dengan menghasilkan kode-kode kesalahan untuk tipe-tipe data yang tidak diijinkan untuk instruksi tersebut. Kemampuan untuk melakukan pendeteksian atau pemeriksaan kesalahan jenis ini tidak terdapat pada editor untuk instruksi SIMATIC. Karena mode pemrograman IEC 1131-3 adalah “strongly data type” dan SIMATIC adalah bukan “strongly data type”, maka tidak diijinkan untuk melakukan pemindahan pogram antar kedua bahasa ini.

 

224 

Kelompok 1 Daftar Pustaka 1. 2. 3. 4. 5.

6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. 19. 20. 21. 22.

-, Modul Pelatihan Pengenalan Komponen Dasar Elektronika, ITS, Surabaya, 2009. http://id.wikipedia.org/wiki/Transformator http://syahwilalwi.blogspot.com/2011/04/pemrosesan-sinyal-suara-dengan-sistem.html http://www.scribd.com/doc/17429886/Dasar-Mekatronika-by-AmirinkingYahoocoId http://translate.google.co.id/translate?hl=id&sl=en&u=http://en.wikipedia.org/wiki/Inve rter_%28electrical%29&ei=SfDqTfC1Ho30vQO_z5TCDw&sa=X&oi=translate&ct=res ult&resnum=1&ved=0CDkQ7gEwAA&prev=/search%3Fq%3Dinverter%26hl%3Did %26client%3Dfirefox-a%26rls%3Dorg.mozilla:enUS:official%26biw%3D1280%26bih%3D683%26prmd%3Divnsr http://brightsiteofmylife.blogspot.com/2011/01/konverter-analog-ke-digital.html http://tutorial-pdf.tp.ac.id/bank/2_Op-amp.pdf http://blogs.unpad.ac.id/a_andri/wp-content/uploads/2009/03/perancangan-filter1.pdf http://k12008.widyagama.ac.id/mekatronika/diktatpdf/BabIV%20Sistem%20mekanik.p df http://lecturer.eepisits.edu/~prima/elektronika%20digital/elektronika_digital1/bahan_ajar/Bab8b_Mux%2 0Demux.pd http://faculty.petra.ac.id/hanyf/doc/simulasi.doc http://202.91.15.14/upload/files/5361_Modul2.pdf MacPherson, G, dkk. Storage and pumping capacity analysis using hydraulic modeling. Canada : City of Chilliwack. www.epem.gr/pdfs/2001_2.pdf Preis, Ami. Dkk. On-Line Hydraulic Modeling Of a Water Distribution System Singapore. Singapura: Center for Environmental Sensing and Modeling, MIT-SMART Center. Sugihartono. Dasar–Dasar Kontrol Pneumatik.Bandung : Tarsito. 1985. Krist, Thomas. Dasar–Dasar Pneumatik. alih bahasa Dines Ginting. Jakarta : Erlangga. 1993. Website http://anaklistrik98.blogspot.com/2009/07/ladder-diagram.html ebook dasar-dasar sistem kendali PLC Wicaksana Handy Pemrograman PLC Ebook Rangkaian Logika http://nisguru.blogspot.com www.reocities.com/al_dodi/kerja/kp4a.pdf Daftar Gambar

1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12.  

Gambar I.1 Diagram Sederhana Pembentukan Ilmu Mekatronika Gambar I.2 mekanisme mesin pengerak piston Gambar I.3 Sensor Efek-Hall Gambar I.4 Diagram blok sensor efek hall Gambar I.5 Sensor ultrasonik Gambar I.6 Diagram Blok Gambar I.7 Rangkaian motor penggerak miniatur lift untuk perintah naik- turun dengan menggunakan plc Gambar I.8 Konstruksi Silinder Kerja Tunggal Gambar I.9 Skema Power Suply Gambar I.10 Microwave Gambar I.11 Mesin Cuci Gambar I.12 Mouse 225 

13. 14. 15. 16. 17. 18. 19. 20. 21. 22. 23. 24. 25. 26. 27. 28. 29. 30. 31. 32. 33. 34. 35. 36.

Gambar I.13 Printer Gambar I.12 X-Ray Gambar I.12 Alat pencuci darah Gambar I.14 Robot Gambar I.15 Robot Burung Hantu Gambar I.16 Pabrik Pembuatan Mobil Gambar I.17 Pesawat Siluman Gambar I.18 Mesin Bubut Gambar I.19 Mesin Frais Gambar I.20 Sirkuit komputer Gambar I.21 Micro processor Gambar I.24 Diagram pembagian mekatronika Gambar I. 25 a). elevator jaman dulu, I.25 b). elevator zaman sekarang. Gambar I.26 diagram floor versus time Gambar I.27 Diagram blok open loop control system Gambar I.28 Diagram blok close loop control system Gambar I.29 diagram blok close loop control system with sensor Gambar I.30 diagram blok control system lengkap Gambar I. 31 Diagram blok lengkap control system Gambar I.32 diagram blok dasar open loop control system Gambar I.33 Becak motor Gambar I.34 Air Conditioner with inverter Gambar I.35 Diagram blok close loop control system Gambar I.36(a) diagram blok open loop control sytem, I.36(b) diagram blok close loop control system

37. http://static.wix.com/media/ab495f34fda9e21c9964fdadca5b7753.wix_mp 38. http://2.bp.blogspot.com/-oz-jqQLs-cs/TaaZaJ9bUI/AAAAAAAAAGA/ZfR7we5KwmQ/s1600/kutub+dioda.jpeg 39. http://upload.wikimedia.org/wikibooks/en/thumb/1/12/SE_Forward_Biased_Diode.svg/3 75px-SE_Forward_Biased_Diode.svg.png 40. http://upload.wikimedia.org/wikibooks/en/thumb/6/61/SE_Reverse_Biased_Diode.svg/37 5px-SE_Reverse_Biased_Diode.svg.png 41. http://1.bp.blogspot.com/_kXKAGKpE_xw/TKvXe2dSnyI/AAAAAAAAASQ/9NWyyZ Kfhss/s1600/led_1.jpg 42. http://1.bp.blogspot.com/_kPlYREPdiNk/S67MYwfNSrI/AAAAAAAAAAw/tz3f_LiZgC w/s320/180px-Photodiode-closeup.jpg 43. http://pigment7up.com/images/large/Dioda%20Bridge%2035A_LRG.jpg 44. http://1.bp.blogspot.com/_u6KHA4cq1TU/S_Np0Pg3KI/AAAAAAAAACM/ouT7WH5OUCc/s1600/DiodePic.jpg 45. http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/d/d5/Diode-closeup.jpg/200pxDiode-closeup.jpg 46. http://www.radio-electronics.com/info/data/capacitor/electrolytic-capacitors.jpg 47. http://1.bp.blogspot.com/_-SK1sLs-12g/S6ytIP6YII/AAAAAAAAAEg/AQG_Bo8ueLo/s320/cond5000+copy.jpg 48. http://www.clickpartelectronics.com/images/TS15_Ceramic_Capacitor.gif 49. http://theonlinetutorials.com/theonlinetutorials_files//2011/04/multilayer-ceramiccapacitor.gif 50. http://www.bombayharbor.com/productImage/0770619001256287939/Elecsound_Cl21_ Metallized_Polyester_Film_Capacitor.jpg 51. http://www.bombayharbor.com/productImage/0770619001256287939/Elecsound_Cl21_ Metallized_Polyester_Film_Capacitor.jpg 52. http://2.bp.blogspot.com/_B1Nxi5MaZSI/TM6EQfNpGGI/AAAAAAAAADo/1shfG3A Mth4/s1600/mika+milar.jpg

 

226 

53. http://img.diytrade.com/cdimg/194418/1131580/0/1230031395/Polystyrene_Film_Capaci tor-Radial_Lead.jpg 54. http://www.sayelectric.com/wp-content/uploads/2011/02/trimmer-kapasitor.gif 55. http://www.o-digital.com/uploads/2179/21842/Electric_Double_Layer_Super_Capacitor_SCCG_850.jpg 56. http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/1/1d/Tuning_capacitor.jpg 57. http://i00.i.aliimg.com/photo/202500014/Carbon_Film_Resistor.jpg 58. http://1.bp.blogspot.com/_0XY2LkNiSR0/TRN_VLEmi7I/AAAAAAAAACM/_fkSEUZlXY/s1600/precision+wirewound+resistor.jpg 59. http://www.binbin.net/photos/truohm/1k-/1k-5w-axial-wirewound-resistor-rc.jpg 60. http://emsadesign.files.wordpress.com/2010/06/fuse-resistor.jpg 61. http://img.en.china.cn/0/0,0,425,971,360,360,dcd4083b.jpg 62. http://image.made-in-china.com/4f0j00zCBTkpHPaQiw/Fixed-Metal-Film-Resistor.jpg 63. http://www.binbin.net/photos/arcol/1k-/1k-0.5w-carbon-comp-resistor-rc.jpg 64. http://electronics-diy.com/store/CDS_Photoresistor.gif 65. http://www.piclist.com/images/www/hobby_elec/picture/resistvr.jpg 66. http://img.alibaba.com/photo/202510193/MF72_Power_Thermistor.jpg 67. http://4.bp.blogspot.com/_B8Dh2WXNvg0/SteJm8O_fuI/AAAAAAAADew/x3uaVCukB SI/s400/Lay+out+transistor+bc+547.bmp 68. http://1.bp.blogspot.com/_D79gV2zWq4M/S40dNpUnmXI/AAAAAAAAAAU/8KuL_zy Z-no/s320/induktor+setengah+lingkaran.jpg 69. http://id.wikipedia.org/wiki/Sirkuit_terpadu 70. http://translate.google.co.id/translate?hl=id&sl=en&u=http://en.wikipedia.org/wiki/Inve rter_%28electrical%29&ei=SfDqTfC1Ho30vQO_z5TCDw&sa=X&oi=translate&ct=res ult&resnum=1&ved=0CDkQ7gEwAA&prev=/search%3Fq%3Dinverter%26hl%3Did %26client%3Dfirefox-a%26rls%3Dorg.mozilla:enUS:official%26biw%3D1280%26bih%3D683%26prmd%3Divnsr 71. http://syahwilalwi.blogspot.com/2011/04/pemrosesan-sinyal-suara-dengan-sistem.html 72. http://www.scribd.com/doc/17429886/Dasar-Mekatronika-by-AmirinkingYahoocoId 73. http://translate.google.co.id/translate?hl=id&sl=en&u=http://en.wikipedia.org/wiki/Inve rter_%28electrical%29&ei=SfDqTfC1Ho30vQO_z5TCDw&sa=X&oi=translate&ct=res ult&resnum=1&ved=0CDkQ7gEwAA&prev=/search%3Fq%3Dinverter%26hl%3Did %26client%3Dfirefox-a%26rls%3Dorg.mozilla:enUS:official%26biw%3D1280%26bih%3D683%26prmd%3Divnsr 74. http://brightsiteofmylife.blogspot.com/2011/01/konverter-analog-ke-digital.html 75. http://tutorial-pdf.tp.ac.id/bank/2_Op-amp.pdf 76. http://syahwilalwi.blogspot.com/2011/04/pemrosesan-sinyal-suara-dengan-sistem.html 77. http://www.scribd.com/doc/17429886/Dasar-Mekatronika-by-AmirinkingYahoocoId 78. http://translate.google.co.id/translate?hl=id&sl=en&u=http://en.wikipedia.org/wiki/Inve rter_%28electrical%29&ei=SfDqTfC1Ho30vQO_z5TCDw&sa=X&oi=translate&ct=res ult&resnum=1&ved=0CDkQ7gEwAA&prev=/search%3Fq%3Dinverter%26hl%3Did %26client%3Dfirefox-a%26rls%3Dorg.mozilla:enUS:official%26biw%3D1280%26bih%3D683%26prmd%3Divnsr 79. http://brightsiteofmylife.blogspot.com/2011/01/konverter-analog-ke-digital.html 80. http://tutorial-pdf.tp.ac.id/bank/2_Op-amp.

81. 82. 83. 84. 85. 86.

 

Gambar 5.1 Gambar 5.2 Gambar 5.2.1 Gambar 5.2.2 Gambar 5.2.3 Gambar 5.5

komponen utama sistem PLC skema relay elektromagnetik time delay switch off relay kontaktor diagram ladder sakelar 227 

87. Gambar 5.5.1 katup ½ 88. Gambar 5.5.2 katup 3/2 89. Gambar 5.5.3 katup 4/2 90. Gambar 5.5.4 instalasi kabel 91. Gambar 5.6.1 PLC omron 92. Gambar 5.6.2 memory PLC omron 93. Gambar 5.6.3 cara pemasangan rangkaian terminal 94. Gambar 5.6.4 contact,triac dan transistor output unit 95. Gambar 5.6.5 rangkaian GJ1W-OC211 96. Gambar 5.6.6 diagram ladder PLC omron 97. Gambar 5.7 contoh pemakaian pendeteksi pulsa PLC Siemens 98. Gambar 5.7.1 konfigurasi PLC Siemens 99. Gambar 5.7.2 menu konfigurasi status output PLC Siemens 100. Gambar 5.7.3 tipe data elementary 101. Gambar 5.7.4 tipe data kompleks

 

228