BAB 2 DASAR TEORI 2.1 Sejarah Pesawat Rontgen Pada tahun 1895, Roentgen (Wilhelm Conrad Roentgen, Jerman, 1845-1923), seorang profesor fisika dan rektor Universitas Wuerzburg di Jerman melakukan penelitian tabung sinar katoda. Ia membungkus tabung dengan suatu kertas hitam agar tidak terjadi kebocoran fotoluminesensi dari dalam tabung ke luar. Lalu ia membuat ruang penelitian menjadi gelap. Pada saat membangkitkan sinar katoda, ia mengamati sesuatu yang di luar dugaan. Pelat fotoluminesensi yang ada di atas meja mulai berpendar di dalam kegelapan. Walaupun dijauhkan dari tabung, pelat tersebut tetap berpendar. Dijauhkan sampai lebih 1 m dari tabung, pelat masih tetap berpendar. Roentgen berpikir pasti ada jenis radiasi baru yang belum diketahui terjadi di dalam tabung sinar katoda dan membuat pelat fotoluminesensi berpendar. Radiasi ini disebut sinar-X yang maksudnya adalah radiasi yang belum diketahui. Proses untuk menghasilkan sinar-X apabila filamen pada katoda dipanaskan sehingga terbentuk emisi elektron. Saat tegangan tinggi di alirkan pada kutub anoda dan katoda, maka elektron akan bergerak ke arah anoda dan membebaskan diri dari ikatan atomnya. Elektron yang terdekat dengan anoda akan langsung ditarik ke anoda sehingga terjadi hole. Hole ini akan diisi oleh elektron berikutnya. Tempat yang ditinggalkan elektron, akan menjadi hole lagi dan terjadi pengisian lagi oleh elektron berikutnya. Begitu seterusnya sehingga akan terjadi estafet elektron dan terjadilah rangkaian tertutup dan terjadilah arus elektron yang tertutup yang berkebalikan dengan arus listrik yang kemudian disebut arus tabung.
4
5
Pada saat yang bersamaan, elektron – elektron yang ditarik ke anoda tersebut akan menabrak anoda dan ditahan. Jika tabrakan elektron tersebut tepat di inti atom disebut peristiwa breamstrahlung dan apabila menabraknya di elektron kulit K, disebut K Karakteristik. Akibat tabrakan ini maka terjadi hole – hole karena elektron-elektron yang ditabrak tersebut terpental. Hole – hole ini akan diisi oleh elektron – elektron lain. Perpindahan elektron ini akan menghasilkan gelombang elektromagnetik yang panjang gelombangnya berbeda – beda. Gelombang elektromagnetik dengan panjang gelombang 0.01 - 1 Amstrong inilah yang kemudian disebut sinar X atau sinar Rontgen. Pada tahun 1913, Collige menyempurnakan penemuan Rontgen dengan memodifikasi tabung yang digunakan. Tabung yang digunakan tersebut adalah tabung vakum yang didalamnya terdapat 2 elektroda yaitu anoda dan katoda. Tabung jenis ini kemudian disebut Hot Chatoda Tube dan merupakan tabung yang dipergunakan untuk pesawat Rontgen sampai saat ini. 2.1.1 Sifat – sifat Sinar X Sinar x mempunyai beberapa sifat fisik yaitu daya tembus, pertebaran, penyerapan, efek biologi, ionisasi, fluorescent effect dan fotography effect, selain itu, sinar x tidak dapat dilihat dengan mata, bergerak lurus yang mana kecepatannya sama dengan kecepatan cahaya, tidak dapat difraksikan dengan lensa atau prisma tetapi dapat difraksikan dengan kisi kristal. Dapat diserap oleh timah hitam, dapat dibelokkan setelah menembus logam atau benda padat, mempunyai frekuensi gelombang yang tinggi, berikut merupakan sifat-sifat dari sinar x yaitu : 1.
Daya tembus Sinar X dapat menembus bahan atau massa yang padat
2.
Penyebaran Apabila berkas sinar x melalui suatu bahan atau suatu zat, maka berkas sinar tersebut akan bertebaran keseluruh arah, menimbulkan radiasi sekunder (radiasi hambur) pada bahan atau zat yang dilalui.
3.
Penyerapan ( Absorbtion )
6
Sinar x dalam radiografi diserap oleh bahan atau zat sesuai dengan berat atom atau kepadatan bahan atau zat tersebut. 4.
Fluoresensi Sinar x menyebabkan bahan-bahan tertentu seperti kalsium tungstat atau zink sulfide memendarkan cahaya (luminisensi).
5.
Ionisasi Sinar x apabila mengenai suatu bahan atau zat dapat menimbulkan ionisasi partikel-partikel atau zat tersebut.
6.
Efek Biologi Sinar x akan menimbulkan perubahan-perubahan biologi pada jaringan. Efek biologi ini yang dipergunakan dalam pengobatan radioterapi.
7.
Fotografi Sinar X dapat menghitamkan film
2.1.2 Syarat – Syarat Terjadinya Sinar X Syarat – syarat terjadinya sinar X sebagai berikut : 1. Adanya emisi elektron yang didapat dari pemanasan filamen. 2. Adanya tegangan tinggi (KV) yang diperoleh dari HTT, sehingga diperoleh beda potensial antara anoda dan katoda. 3. Adanya alat yang berfungsi menghentikan jalannya elektron dari anoda ke katoda yang berupa target, material khusus untuk tumbukan elektron. 4. adanya tabung vakum yang berfungsi memberi keleluasaan elektron dari anoda ke katoda sehingga tidak ada hambatan. 5. Adanya focusing cup yang berfungsi untuk memfokuskan elektron tertuju ke anoda.
2.1.3 Parameter Utama Dalam Proses Pembangkitan Sinar X Dalam proses pembangkitan sinar X memiliki parameter utama sebagai berikut: 1. Tegangan Tabung (kV)
Mempercepat elektron menuju katoda.
7
Semakin tinggi tegangan yang diberikan akan semakin tinggi daya tembus sinar-x terhadap objek.
2. Arus Tabung
Filamen (katoda) adalah sebagai sumber emisi elektron yang dipengaruhi oleh besarnya arus filamen (Ih) yang diberikan, makin tinggi arus maka jumlah elektron akan semakin banyak pula.
Intensitas sinar-x yang dihasilkan akan berbanding lurus dengan jumlah elektron yang menumbur target per detik.
Intensitas sinar-x yang dihasilkan berbanding lurus dengan besarnya arus tabung (mA).
3. Material Target (anoda)
Material pembentuk target (anoda) akan sangat mempengaruhi jumlah sinar-x per unit yang dihasilkan
Material juga akan mempengaruhi sinar-x type mana yang akan dihasilkan (karakteristik atau bremsstrahlung)
2.2 Blok Diagram Mobile X-Ray Penulis akan menjelaskan blok diagram salah satu jenis Mobile X-ray yaitu : pesawat multimobile 2.5. Filament
Key PCB D936
Display PCB D932 X1 DG 1-7
kV + / -
Ag. 5V
mAs + / L/O
J24
X12
COLLIMATOR
X8 kVist
I/O
mAis
X10
12V-
X12 B1.B2
X8
X12 A1.A2
K2
U1
Mains U2
Mains Input
MCB
X11
X4
MainsmAis10V-
Input
230V-
20V-
Transformer
Inverter Module Inverter PCB D61
SMPS
SMPS
D980
24V D961
SMPS D981
230V-
Mono- Capacit
Exposure Release Switch HK
Gambar 2.1 Blok diagram multimobile 2.51
Service manual book multimobile 2.5
US CS LN
X1 X27 LN
Block or Bank
24VOutput
X2 X6
24V DC ZB
210V-
Keterangan blok diagram 1
X20
X4
X6
Ag.SCM
1/2 LN
t
t
N
X20 Disp 1/2
Drive
Interface PCB D920
X1
L
X11Iheiz
SCM
Tank U. V
Disp 1/2
X12
Master Card D915 X10 US
12.Y RS Single
kVist mAist
C4
L2
8
Saat MCB di tekan pada posisi ON kemudian tombol ON pada key PCB ditekan maka tegangan dari PLN masuk ke transformer dan PCB D920 pada X1 yang akan mensuplay tegangan ke SMPS D980, SMPS 24 V, US, dan CS
koil dari kontaktor CS menyebabkan kontaktor 43-44 tertutup dan tegangan akan masuk melalui kontaktor 13-14 dari CS, kontaktor 21-22 dari LN , sehingga terjadi pengisian pada bank kapasitor dalam kurun waktu 9 detik
sesudah 9 detik kontaktor US menutup pada13-14 & 43-44. sehingga kontaktor
21-22 menjadi terbuka dan resistor 47 ohm di by pass,
pengisian berakhir pada bank kapasitor dan tegangan ini akan diberikan ke input Inverter.
Transformer juga mensuplay tegangan ke X4 yang terbagi sebagai berikut: X4.1 = 240V
X4.3 = 24V X4.5 = 0 V
X4.2 = 269V
X4.4 = 29V
output tegangan DC dari SMPS D980 digunakan untuk mastercard D915 melalui konektor K7
output 24 V dc dari D981 SMPS digunakan untuk D920 pada konnektor X4.7 & X4.8 dimana untuk mensuplay tegangan untuk rangkaian filament.
Output dari rangakaian inverter (PCB 61) digunakan untuk mensuplay tegangan ke primer HTT (High tension transformator) dan ouput pada sekunder HTT berupa tegangan DC yang dinaikkan menjadi 4 kali lipat menggunakan dioda dan kapasitor (Voltage multiplier / pengganda tegangan) sehingga memberikan polaritas positif pada anoda dan polaritas negatif pada katoda
Pada key PCB D936 terdapat tombol pengaturan KV dan mAs yang akan memerintahkan mastercard PCB D915 sebagai kV dan mAs referensi yang kemudian akan dibandingkan dengan nilai kV dan mAs sebenarnya (kV ist dan mA ist)
Display PCB D932 berfunsi menampilkan nilai kV dan mAs yang telah ditentukan melalui key PCB D936
9
Kolimator berfungsi untuk membatasi daerah penyinaran. Dalam blok ini kolimator mendapat supplay 12 Vac dari D920.
Saat tombol ekspos ditekan setengah, filament akan mendapat tengangan normal (penuh) dan saat tekanan penuh maka terjadi proses penyinaran (ekspose berlangsung).
2.3 Baterai Baterai
adalah
pengisian/cas/charge
suatu energi
proses listrik
kimia diubah
listrik, menjadi
dimana kimia
pada
saat
dan
saat
pengeluaran/discharge energi kimia diubah menjadi energi listrik.
2.3.1 Pengisian baterai/Accu charging Pengisian arus dialirkan berlawanan dengan waktu pengeluaran isi yang berarti juga bahwa beban aktif dan elektrolit diubah supaya energi kimia bateari mencapai maksimum. Ada tiga metode pengisian baterai : 1. Pengisian perawatan (maintenance charging) Digunakan untuk mengimbangi kehilangan isi (self discharge), dilakukan dengan arus rendah sebesar 1/1000 dari kapasitas baterai. Ini biasa dilakukan pada baterai tak terpakai untuk melawan proses penyulfatan. Bila baterai memiliki kapasitas 45 Ah maka besarnya arus pengisian perawatan adalah 45 mA (miliAmpere). 2. Pengisian lambat (slow charging) Merupakan suatu pengisian yang lebih normal. Arus pengisian harus sebesar 1
/10 dari kapasitas baterai. Bila baterai memiliki kapasitas 45 Ah maka
besarnya arus pengisian lambat adalah 4,5 A. Waktu pengisian ini bergantung pada kapasitas baterai, keadaan baterai pada permulaan pengisian, dan besarnya arus pengisian. Pengisian harus sampai gasnya mulai menguap dan berat jenis elektrolit tidak bertambah walaupun pengisian terus dilakukan sampai 2 - 3 jam kemudian. 3. Pengisian cepat (fast charging) Pengisian cepat ini dilakukan pada arus yang besar yaitu mencapai 60 -100 A pada waktu yang singkat kira-kira 1 jam dimana baterai akan terisi sebesar
10
tiga per empatnya. Fungsi pengisian cepat adalah memberikan baterai suatu pengisian yang memungkinkannya dapat menstarter motor yang selajutnya generator memberikan pengisian ke baterai.
2.3.2 Proses Baterai Menerima Arus Baterai yang menerima arus adalah baterai yang sedang disetrum/dicas atau sedang diisi dengan cara dialirkan listrik DC, dimana kutub positif baterai dihubungkan dengan arus listrik positif dan kutub negatif dihubungkan dengan arus listrik negatif. Tegangan yang dialiri biasanya sama dengan tegangan total yang dimiliki baterai, artinya baterai 12 V dialiri tegangan 12 V DC, baterai 6 V dialiri tegangan 6 V DC, dan dua baterai 12 V yang dihubungkan secara seri dialiri tegangan 24 V DC (baterai yang duhubungkan seri total tegangannya adalah jumlah dari masing-maing tegangan baterai: Voltase 1 + Voltase2 = Voltasetotal). Proses penerimaan arus ini berlawanan dengan proses pengeluaran arus, yaitu: 1. Oksigen (O) dalam air (H2O) terlepas karena bereaksi/bersenyawa/bergabung dengan timah (Pb) pada pelat positif dan secara perlahan-lahan kembali menjadi oksida timah colat (PbO2). 2. Asam (SO4) yang menempel pada kedua pelat (pelat positif maupun negatif) terlepas dan bergabung dengan hidrogen (H) pada air (H2O) di dalam cairan elektrolit dan kembali terbentuk menjadi asam sulfat (H2SO4) sebagai cairan elektrolit. Akibatnya berat jenis cairan elektrolit bertambah menjadi sekitar 1,285 (pada baterai yang terisi penuh).
2.4 DAC (Digital to Analog Converter) DAC merupakan suatu piranti yang dirancang untuk mengubah sinyal – sinyal digital menjadi bentuk sinyal analog atau nilai suatu masukan yang berupa nilai digital (nilai biner) menjadi nilai keluaran analog yang berupa tegangan listrik atau sinyal analog lainnya yang dapat dikonversikan dari nilai digital. Tegangan kerluaran dari DAC ini sebanding dengan nilai digital yang masuk ke dalam DAC.
11
Pada DAC 0800 mempunyai lebar data 8 bit, maka format data maksimal ialah 256/FFH. Tegangan referensi pada IC tersebut ialah pada pin 14, sebagai acuan konversi bit/volt. Rumusnya adalah : VOUT = Vref
(2.1)
n = nilai biner masukan DAC
Gambar 2.2 DAC Konverter D/A dapat mengonversi sebuah word digital ke dalam sebuah tegangan analog dengan memberikan skala output analog berharga nol ketika semua bit adalah nol dan sejumlah nilai maksimum ketika semua bit adalah satu. Angka biner sebagai angka pecahan. Aplikasi DAC banyak digunakan sebagai rangkaian pengendali (driver) yang membutuhkan input analog seperti motor AC maupun DC, tingkat kecerahan pada lampu, Pemanas (Heater) dan sebagainya. Umumnya DAC digunakan untuk mengendalikan peralatan computer. Untuk aplikasi modern hampir semua DAC berupa rangkaian terintegrasi (IC), yang diperlihatkan sebagai kotak hitam memiliki karakteristik input dan output tertentu. Karakteristik yang berkaitan dapat diringkas oleh referensi dari gambar 2.2 adalah: 1. Input Digital : Jumlah bit dalam sebuah word biner parallel disebutkan di dalam lembar spesifikasi 2. Catu Daya : Merupakan bipolar pada level ± 12 V hingga ± 18 V seperti yangdibutuhkan oleh amplifier internal. 3.
Suplai Referensi : Diperlukan untuk menentukan jangkauan tegangan output dan resolusi dari konverter. Suplai ini harus stabil, memiliki riple yang kecil.
12
4. Output : Sebuah tegangan yang merepresentasikan input digital. Tegangan iniberubah dengan step sama dengan perubahan bit input digital. Output aktual
dapat
berupa
bipolar
jika
konverter
didesain
untuk
menginterpretasikan input digital negatif. 5. Offset : Karena DAC biasanya di implementasikan dengan op-amp, maka mungkin adanya tegangan output offset dengan sebuah input nol. Secara khusus, koneksi akan diberikan untuk mendukung pengesetan ke harga nol dari output DAC dengan input word nol. 6. Mulai konversi : Sejumlah rangkaian DAC memberikan sebuah logika input yang mempertahankan konversi dari saat terjadinya hingga diterimanya sebuah perintah logika tertentu (1 atau 0). Dalam ini, word input digital diabaikan hingga diterimanya input logika tertentu. Dalam sejumlah hal, sebuah buffer input diberikan untuk memegang (hold) word digital selama dilakukannya konversi hingga selesai.
2.5 MOSFET Transistor MOSFET (Metal oxide FET) memiliki drain, source dan gate. Namun perbedaannya gate terisolasi oleh suatu bahan oksida. Gate tersebut terbuat dari bahan metal seperti aluminium. Oleh karena itulah transistor ini dinamakan metal-oxide. Karena gate yang terisolasi, sering jenis transistor ini disebut juga IGFET yaitu insulated-gate FET. Ada dua jenis MOSFET, yang pertama jenis depletion-mode dan yang kedua jenis enhancement-mode. Jenis MOSFET yang kedua adalah komponen utama dari gerbang logika dalam bentuk IC (integrated circuit), uC (micro controller) dan uP (micro processor) yang tidak lain adalah komponen utama dari komputer modern saat ini. Garis putus-putus pada simbol transistor MOSFET menunjukkan struktur transistor yang terdiri drain, source dan subtrat serta gate yang terisolasi. Arah panah pada subtrat menunjukkan tipe lapisan yang terbentuk pada subtrat ketika transistor ON sekaligus menunjukkan tipe kanal transistor tersebut.
13
Gambar 2.3 Simbol MOSFET, (a) kanal-n (b) kanal-p2 Kedua simbol di atas dapat digunakan untuk mengambarkan D-MOSFET maupun E-MOSFET.
2.5.1 MOSFET Depletion-mode Pada sebuah kanal semikonduktor tipe n terdapat semikonduktor tipe p dengan menyisakan sedikit celah. Dengan demikian diharapkan elektron akan mengalir dari source menuju drain melalui celah sempit ini. Gate terbuat dari metal (seperti aluminium) dan terisolasi oleh bahan oksida tipis SiO2 yang tidak lain adalah kaca.
Gambar 2.4 Struktur MOSFET depletion-mode Semikonduktor tipe p di sini disebut subtrat p dan biasanya dihubung singkat dengan source. Seperti halnya pada transistor JFET lapisan deplesi mulai membuka jika VGS = 0. Dengan menghubung singkat subtrat p dengan source diharapkan ketebalan lapisan deplesi yang terbentuk antara subtrat dengan kanal adalah maksimum. Sehingga ketebalan lapisan deplesi selanjutnya hanya akan ditentukan oleh tegangan gate terhadap source. Pada gambar, lapisan deplesi yang dimaksud ditunjukkan pada daerah yang berwarna kuning. Semakin negatif tegangan gate terhadap source, akan semakin kecil arus drain yang bisa lewat atau bahkan menjadi 0 pada tegangan negatif tertentu. Karena lapisan deplesi telah menutup kanal. Selanjutnya jika tegangan gate 2
http://forum.elins.org/elektronika/transistor-fet-jfet-dan-mosfet/
14
dinaikkan sama dengan tegangan source, arus akan mengalir. Karena lapisan deplesi mulai membuka. Sampai di sini prinsip kerja transistor MOSFET depletion-mode tidak berbeda dengan transistor JFET. Karena gate yang terisolasi, tegangan kerja VGS boleh positif. Jika VGS semakin positif, arus elektron yang mengalir dapat semakin besar. Di sini letak perbedaannya dengan JFET, transistor MOSFET depletion-mode bisa bekerja sampai tegangan gate positif.
2.5.1.1 Kurva drain MOSFET depeletion mode Analisa kurva drain dilakukan dengan mencoba beberapa tegangan gate VGS konstan, lalu dibuat grafik hubungan antara arus drain ID terhadap tegangan VDS.
Gambar 2.5 Kurva drain transistor MOSFET depletion-mode3 Dari kurva ini terlihat bahwa transistor MOSFET depletion-mode dapat bekerja (ON) mulai dari tegangan VGS negatif sampai positif. Terdapat dua daerah kerja, yang pertama adalah daerah ohmic dimana : RDS =
(2.2)
Jika tegangan VGS tetap dan VDS terus dinaikkan, transistor selanjutnya akan berada pada daerah saturasi. Jika keadaan ini tercapai, arus IDS adalah konstan. Tentu saja ada tegangan VGS(max), yang diperbolehkan. Karena jika lebih dari tegangan ini akan dapat merusak isolasi gate yang tipis.
2.5.1.2 Pabrikasi MOSFET depletion-mode
3
http://forum.elins.org/elektronika/transistor-fet-jfet-dan-mosfet/
15
Struktur ini adalah penampang MOSFET depletion-mode yang dibuat di atas sebuah lempengan semikonduktor tipe p. Implant semikonduktor tipe n dibuat sedemikian rupa sehingga terdapat celah kanal tipe n. Kanal ini menghubungkan drain dengan source dan tepat berada di bawah gate.
Gambar 2.6 Penampang D-MOSFET (depletion-mode)4
Gate terbuat dari metal aluminium yang diisolasi dengan lapisan SiO2 (kaca). Dalam beberapa buku, transistor MOSFET depletion-mode disebut juga dengan nama D-MOSFET.
2.5.2 MOSFET Enhancement-mode Jenis transistor MOSFET yang kedua adalah MOSFET enhancement-mode. Transistor ini adalah evolusi jenius berikutnya setelah penemuan MOSFET depletion-mode. Gate terbuat dari metal aluminium dan terisolasi oleh lapisan SiO2 sama seperti transistor MOSFET depletion-mode. Perbedaan struktur yang mendasar adalah, subtrat pada transistor MOSFET enhancement-mode sekarang dibuat sampai menyentuh gate, seperti terlihat pada gambar berikut ini.
Gambar 2.7 Struktur MOSFET enhancement-mode5
4 5
http://forum.elins.org/elektronika/transistor-fet-jfet-dan-mosfet/ http://forum.elins.org/elektronika/transistor-fet-jfet-dan-mosfet/
16
Gambar diatas ini adalah transistor MOSFET enhancement mode kanal n. Jika tegangan gate VGS dibuat negatif atau VGS= 0 maka arus tidak bisa mengalir, karena tidak ada lapisan deplesi maupun celah yang bisa dialiri elektron. Satusatunya jalan adalah dengan memberi tegangan VGS positif. Karena subtrat terhubung dengan source, maka jika tegangan gate positif berarti tegangan gate terhadap subtrat juga positif. Tegangan positif ini akan menyebabkan elektron tertarik ke arah subtrat p. Elektron-elektron akan bergabung dengan hole yang ada pada subtrat p. Karena potensial gate lebih positif, maka elektron terlebih dahulu tertarik dan menumpuk di sisi subtrat yang berbatasan dengan gate. Elektron akan terus menumpuk dan tidak dapat mengalir menuju gate karena terisolasi oleh bahan insulator SiO2 (kaca). Jika tegangan gate cukup positif, maka tumpukan elektron akan menyebabkan terbentuknya semacam lapisan n yang negatif dan seketika itulah arus drain dan source dapat mengalir. Lapisan yang terbentuk ini disebut dengan istilah inversion layer. Kira-kira terjemahannya adalah lapisan dengan tipe yang berbalikan. Di sini karena subtratnya tipe p, maka lapisan inversion yang terbentuk adalah bermuatan negatif atau tipe n.
2.5.2.1 Kurva Drain MOSFET enhacement-mode Mirip seperti kurva D-MOSFET, kurva drain transistor E-MOSFET adalah seperti yang ditunjukkan pada gambar berikut. Namun di sini VGS semua bernilai positif. Garis kurva paling bawah adalah garis kurva dimana transistor mulai ON. Tegangan VGS pada garis kurva ini disebut tegangan threshold VGS(th).
17
Gambar 2.8 Kurva drain E-MOSFET6
Karena transistor MOSFET umumnya digunakan sebagai saklar (switch), parameter yang penting pada transistor E-MOSFET adalah resistansi drainsource. Biasanya yang tercantum pada datasheet adalah resistansi pada saat transistor ON. Resistansi ini dinamakan RDS(on). Besar resistansi bervariasi mulai dari 0.3 Ohm sampai puluhan Ohm. Untuk aplikasi power switching, semakin kecil resistansi RDS(on) maka semakin baik transistor tersebut. Karena akan memperkecil rugi-rugi disipasi daya dalam bentuk panas. Juga penting diketahui parameter arus drain maksimum ID(max) dan disipasi daya maksimum PD(max).
2.5.2.2 Pabrikasi MOSFET enhancement-mode Transistor MOSFET enhancement mode dalam beberapa literatur disebut juga dengan nama E-MOSFET.
Gambar 2.9 Penampang E-MOSFET (enhancement-mode)7
Gambar diatas adalah transistor MOSFET enhancement-mode yang dibuat sama seperti MOSFET depletion-mode, tetapi perbedaannya disini tidak ada kanal 6 7
http://forum.elins.org/elektronika/transistor-fet-jfet-dan-mosfet/ http://forum.elins.org/elektronika/transistor-fet-jfet-dan-mosfet/
18
yang menghubungkan drain dengan source. Kanal n akan terbentuk (enhanced) dengan memberi tegangan VGS diatas tegangan threshold tertentu.
2.6
Penguat Operasional (Op-Amp) Operational Amplifier atau di singkat op-amp merupakan salah satu
komponen analog yang sering digunakan dalam berbagai aplikasi rangkaian elektronika. Aplikasi op-amp yang paling sering dipakai antara lain adalah
7
rangkaian inverter, non-inverter, integrator dan differensiator.
3
+
6
4
2
LM741
Gambar 2.10 Penguat Operasional
Fungsi Pin pada masing-masing kaki Op-Amp ialah sebagai berikut : 1.
Kaki satu dan lima digunakan untuk zero off set nol.
2.
Kaki dua digunakan untuk input inverting (pembalik).
3.
Kaki tiga digunakan untuk input non inverting (tak membalik).
4.
Kaki empat digunakan untuk catu daya negatif.
5.
Kaki enam digunakan untuk output (keluaran).
6.
Kaki tujuh digunakan unluk catu daya positif.
7.
Kaki delapan tidak digunakan (no conection).
2.6.1 Op-Amp sebagai Buffer (Penyangga) Rangkaian pengikut tegangan (Voltage Follower) sering pula dikenal dengan rangkaian penyangga atau rangkaian buffer. Rangkaian ini mempunyai besar tegangan keluaran sama dengan besar tegangan masukannya dan dalam phase yang sama pula, maka gain tegangannya sama dengan satu. Rangkaian pengikut tegangan/rangkaian buffer ini, biasanya digunakan untuk mengisolasi suatu tingkat penguat ke tingkat berikutnya. Berikut ini menunjukan gambar lambang dari Op-Amp sebagai pengikut tegangan
LM324AN D
N 1
G
1
Input
3
Output
1
2
4
U17A
C
C
V
19
Gambar 2.11 Buffer (voltage follower)
Pada rangkaian buffer ini dapat diperoleh beberapa persamaan yaitu sebagai berikut : ACL =
=1
(2.3)
Vout = Vin
(2.4)
2.6.2 Op-Amp sebagai pembanding (comparator) Op-amp sebagai pembanding merupakan salah satu aplikasi yang memanfaatkan bati simpal terbuka (open-loop gain) penguat operasional yang sangat besar. Ada jenis penguat operasional khusus yang memang difungsikan semata-mata untuk penggunaan ini dan agak berbeda dari penguat operasional
LM324AN D
N 1
G
1
3
Output
1
2
V
1
V
2
4
U17A
C
C
V
lainnya dan umum disebut juga dengan komparator.
Gambar 2.12 Komparator
20
Komparator
membandingkan
dua
tegangan
listrik
dan
mengubah
keluarannya untuk menunjukkan tegangan mana yang lebih tinggi.
(2.5) di mana Vs adalah tegangan catu daya dan penguat operasional beroperasi di antara + Vs dan − Vs.)
2.6.3 Op-amp sebagai Integrator Integrator merupakan Penguat yang mengintegrasikan tegangan masukan terhadap waktu, dengan persamaan:
(2.6) di mana
adalah waktu dan
adalah tegangan keluaran pada
.
Sebuah integrator dapat juga dipandang sebagai tapis pelewat-tinggi dan dapat
LM324AN 1
1
3
Output
1
Input
2
Resistor
4
U17A
C
digunakan untuk rangkaian tapis aktif.
Gambar 2.13 Integrator
2.7
Relay Relay adalah saklar elektronik yang dapat membuka atau menutup
rangkaian dengan menggunakan kontrol dari rangkaian elektronik lain. Sebuah relay tersusun atas kumparan, pegas, saklar (terhubung pada pegas) dan 2 kontak elektronik (normally close dan normally open). 1. Normally close (NC) : saklar terhubung dengan kontak ini saat relay aktif atau dapat dikatakan saklar dalam kondisi terbuka.
21
2. Normally open (NO) : saklar terhubung dengan kontak ini saat relay aktif atau dapat dikatakan saklar dalam kondisi tertutup.
Gambar 2.14 Relay8
Berdasarkan pada prinsip dasar cara kerjanya, relay dapat bekerja karena adanya medan magnet yang digunakan untuk menggerakkan saklar. Saat kumparan diberikan tegangan sebesar tegangan kerja relay maka akan timbul medan magnet pada kumparan karena adanya arus yang mengalir pada lilitan kawat. Kumparan yang bersifat sebagai elektromagnet ini kemudian akan menarik saklar dari kontak NC ke kontak NO. Jika tegangan pada kumparan dimatikan maka medan magnet pada kumparan akan hilang sehingga pegas akan menarik saklar ke kontak NC.
2.8 Transistor Sebagai Saklar Saat sebuah transistor digunakan pada suatu rangkaian, fungsi dari transistor tersebut ditentukan oleh kurva karakteristik-nya. Transistor memiliki kurva karakteristik input, output dan transfer, yang paling umum digunakan adalah kurva karakteristik output. Pada saat Transistor NPN digunakan sebagai saklar, maka daerah yang digunakan pada kurva karakteristik ialah daerah "cut-off" dan daerah "saturasi", untuk lebih jelasnya lihat gambar dibawah.
8
http://filemonkees.blogspot.com/2011/03/relay-adalah-saklar-elektronik-yang.html
22
Gambar 2.15 Karakteristik Transistor9
Daerah yang diarsir kuning adalah daerah "cut-off". Pada saat "cut-off" kondisi dari transistor adalah arus basis sama dengan nol (IB = 0), Arus output pada kolektor sama dengan nol dan Tegangan pada kolektor maksimum atau sama dengan tegangan supply (VCE = VCC). Daerah yang diarsir merah adalah daerah "saturasi". Pada saat "saturasi" kondisi dari transistor adalah arus basis maksimal (IB=Max) sehingga menghasilkan arus kolektor maksimal (IC = Max) dan tegangan Kolektor Emitor minimum (VCE = 0).
2.9 Mikrokontroller ATmega8535 Mikrokontroller AVR memiliki arsitektur RISC 8 Bit, sehingga semua instruksi dikemas dalam kode 16-bit (16-bits word) dan sebagian besar instruksi dieksekusi dalam satu siklus instruksi clock. Dan ini sangat membedakan sekali dengan instruksi MCS-51 (Berarsitektur CISC) yang membutuhkan siklus 12 clock. RISC adalah Reduced Instruction Set Computing sedangkan CISC adalah Complex Instruction Set Computing. AVR dikelompokkan kedalam 4 kelas, yaitu ATtiny, keluarga AT90Sxx, keluarga ATMega, dan keluarga AT86RFxx. membedakan satu sama
9
Dari kesemua kelas yang
lain adalah ukuran onboard memori, on-board
http://puxhadyx-mkt.blogspot.com/
23
peripheral dan fungsinya. Dari segi arsitektur dan instruksi yang digunakan mereka bisa dikatakan hampir sama.
Gambar 2.16 AVR ATMEGA 8535 2.9.1 Fitur ATMega8535 Atmega 8535 memiliki beberapa fitur sebagai berikut :
Saluran IO sebanyak 32 buah, yaitu Port A, Port B, Port C dan Port D
ADC 10 bit sebanyak 8 Channel
Tiga buah timer / counter
32 x 8 bit register
Watchdog Timer dengan oscilator internal
SRAM sebanyak 512 byte
Memori Flash sebesar 8 kb
Memori Flash sebesar 8 kb
Sumber Interrupt internal dan eksternal
Port SPI (Serial Pheriperal Interface)
EEPROM on board sebanyak 512 byte
Komparator analog
Sistem processor 8 bit berbasis RISC dengan kecepatan maksimal 16 MHz.
Ukuran memory flash 8KB, SRAM sebesar 512 byte, EEPROM sebesar 512 byte.
Port komunikasi serial USART dengan kecepatan maksimal 2.5 Mbps
24
2.9.2 Konfigurasi Pin ATMega8535 Konfigurasi pin atmega8535 sebagai berikut ini :
Gambar 2.17 Konfigurasi Pin ATMega8535
VCC merupakan Pin yang berfungsi sebagai pin masukan catudaya
GND merupakan Pin Ground
Port A (PA0...PA7) merupakan pin I/O dan pin masukan ADC
Port B (PB0...PB7) merupakan pin I/O dan pin yang mempunyai fungsi khusus yaitu Timer/Counter, komparator Analog dan SPI
Port C (PC0...PC7) merupakan port I/O dan pin yang mempunyai fungsi khusus, yaitu komparator analog dan Timer Oscillator
Port D (PD0...PD1) merupakan port I/O dan pin fungsi khusus yaitu komparator analog dan interrupt eksternal serta komunikasi serial
RESET merupakan pin yang digunakan untuk mereset mikrokontroler
XTAL1 dan XTAL2 merupakan pin masukan clock eksternal
AVCC merupakan pin masukan untuk tegangan ADC
AREF merupakan pin masukan tegangan referensi untuk ADC
Keterangan PIN ATMEGA8535 sebagai berikut ini : A. Port A Merupakan 8-bit directional port I/O. Setiap pinnya dapat menyediakan internal pull-up resistor (dapat diatur per bit). Output buffer Port A dapat memberi arus 20 mA dan dapat mengendalikan display LED secara langsung. Data Direction Register port A (DDRA) harus disetting terlebih dahulu sebelum Port A digunakan. Bit-bit DDRA diisi 0 jika ingin memfungsikan pin-pin port A yang
25
bersesuaian sebagai input, atau diisi 1 jika sebagai output. Selain itu, kedelapan pin port A juga digunakan untuk masukan sinyal analog bagi A/D converter. B. Port B Merupakan 8-bit directional port I/O. Setiap pinnya dapat menyediakan internal pull-up resistor (dapat diatur per bit). Output buffer Port B dapat memberi arus 20 mA dan dapat mengendalikan display LED secara langsung. Pin-pin port B juga memiliki untuk fungsi-fungsi alternatif khusus seperti yang dapat dilihat dalam tabel berikut. Tabel 2.1Port B Port Pin
Fungsi Khusus
PB0
T0 = timer/counter 0 external counter input
PB1
T1 = timer/counter 0 external counter input
PB2
AIN0 = analog comparator positive input
PB3
AIN1 = analog comparator negative input
PB4
SS = SPI slave select input
PB5
MOSI = SPI bus master output / slave input
PB6
MISO = SPI bus master input / slave output
PB7
SCK = SPI bus serial clock
C. Port C Merupakan 8-bit directional port I/O. Setiap pinnya dapat menyediakan internal pull-up resistor (dapat diatur per bit). Output buffer Port C dapat memberi arus 20 mA dan dapat mengendalikan display LED secara langsung. Pin-pin port
26
C juga memiliki untuk fungsi-fungsi alternatif khusus seperti yang dapat dilihat dalam tabel berikut. Tabel 2.2Port C Port Pin
Fungsi Khusus
PB0
SCL
= Serial Clock i2c
PB1
SDA
= Serial Data Input i2c
PB6
TOSC1 = Timer Oscillator 1
PB7
TOSC2 = Timer Oscillator 2
D. Port D Merupakan 8-bit directional port I/O. Setiap pinnya dapat menyediakan internal pull-up resistor (dapat diatur per bit). Output buffer Port D dapat memberi arus 20 mA dan dapat mengendalikan display LED secara langsung. Selain itu, pin-pin port D juga memiliki untuk fungsi-fungsi alternatif khusus seperti yang dapat dilihat dalam Tabel berikut. Tabel 2.3Port D Port Pin Fungsi Khusus PD2
INT0 ( external interrupt 0 input )
PD3
INT1 ( external interrupt 1 input )
PD4
OC1B (Timer/Counter1 output compareB match output)
PD5
OC1A (Timer/Counter1 output compareA match output)
PD6
ICP (Timer/Counter1 input capture pin)
27
Tabel 2.3 Port D (lanjutan) PD7
OC2 (Timer/Counter2 output compare match output)
2.9.3 Peta Memory ATMega8535 ATMega8535 memiliki ruang pengalamatan memori data dan memori program yang terpisah. Memori data terbagi menjadi 3 bagian yaitu : 32 buah register umum, 64 buah register I/O, dan 512 byte SRAM internal. Register untuk keperluan umum menempati space data pada alamat terbawah yaitu $00 sampai $1F. Sementara itu register khusus untuk menangani I/O dan kontrol terhadap mikrokontroler menempati 64 alamat berikutnya, yaitu mulai dari $20 sampai $5F. Register tersebut merupakan register yang khusus digunakan untuk mengatur fungsi terhadap berbagai peripheral mikrokontroler, seperti kontrol register, timer/counter, fungsi fungsi I/O, dan sebagainya. Register khusus alamat memori secara lengkap dapat dilihat pada tabel dibawah .Alamat memori berikutnya digunakan untuk SRAM 512 byte, yaitu pada lokasi $60 sampai dengan $25F.
Gambar 2.18 Peta Memory ATMega8535
28
2.9.4 Memori Data AVR ATMega8535 & Memori Program AVR ATMega8535 Memori program yang terletak pada Flash Perom tersusun dalam word atau 2 byte karena setiap instruksi memiliki lebar 16-bit atau 32bit.AVR ATMega8535 memiliki 4KByte x 16 Bit Flash Perom dengan alamat mulai dari $000 sampai $FFF.AVR tersebut memiliki 12 bit Program Counter (PC) sehingga mampu mengalamati isi Flash. Selain itu AVR ATmega8535 juga memilki memori data berupa EEPROM 8-bit sebanyak 512 byte.Alamat EEPROM dimulai dari $000 sampai $1FF
2.10 Shunt Resistor Shunt resistor atau disebut juga sebagai shunt resistor arus atau ammeter shunt resistor adalah resistor dengan kepresisian tinggi yang bisa digunakan untuk mengukur arus yang mengalir pada suatu rangkaian elektronika atau sebuah beban. Arus dapat diukur menggunakan shunt resistor dengan menggunakan low side current shunt insertion yang merujuk pada arus balik dari beban dan high side current shunt insertion yang merujuk pada arah arus yang menuju beban. Teknik tersebut digunakan untuk mengukur arus pada arus listrik AC maupun DC dengan memanfaatkan voltage drop pada resistor.
Gambar 2.19 Resistor Dasar dari shunt resistor secara simpel adalah sebuah kawat tembaga yang telah diukur panjang dan diameternya dan dihubungkan secara seri antara suplai listrik dengan beban yang akan diukur. Untuk mengetahui besar arus yang mengalir dengan memanfaatkan voltage drop pada shunt resistor adalah dengan cara menghubungkan terminal positif dan negatif dari voltmeter pada sambungan pada masing2 sisi shunt resistor tersebut. Shunt resistor yang telah terkalibrasi akan menghasilkan pembacaan yang lebih akurat. Cara kalibrasinya adalah dengan membandingkan hasil pembacaan dengan ampere meter standar yang presisi. Dalam proses kalibrasi, ampere meter harus dihubungkan secara seri
29
antara sumber listrik , shunt resistor dan beban yang akan diukur. Kemudian hasil pembacaan dari voltmeter dibandingkan dengan hasil pembacaan pada ampere meter referensi. Tegangan Arus yang mengalir ke beban dapat dihitung dengan hukum Ohm (V=I*R, I=V/R, R=V/I) dengan cara membagi hasil pembacaan tegangan drop dengan shunt resistor dengan nilai resistansi dari shunt resistor. Aplikasi yang sangat lazim dari shunt resistor adalah pengukuran arus dimana shunt resistor menggunakan resistansi yang sangat rendah sehingga disipasi daya pada shunt resistor dapat ditekan serendah mungkin dan juga tidak mengurangi suplay arus pada beban. Shunt resistor yang digunakan untuk pengukuran arus yang besar menggunakan konduktor yang telah dihitung daya hantarnya dengan resistansi yang sangat rendah. Seperti yang dijelaskan sebelumnya, konduktor dipasang secara seri antara sumber dan beban dan untuk mengukur arus dengan cara mengukur tegangan drop pada resistor shunt karena hubungan antara nilai tegangan drop dan arus yang mengalir adalah proporsional. Hampir sebagian besar arus mengalir melalui shunt resistor ke beban dan sangat sedikit yang mengalir ke instrumen yang bertugas membaca tegangan drop karena instrumen didisain mempunyai input dengan karakteristik impedansi yang tinggi. Shunt resistor yang sempurna akan mempunyai nilai resistansi yang sama persis dengan spesifikasi dan resistansi yang tertera dan juga tidak berubah dengan adanya perubahan temperatur, arus, waktu dan mempunyai nilai induktansi nol. Yang perlu diingat bila menggunakan shunt resistor adalah bila shunt resistor tersebut mengalami perubahan temperatur yang ekstrim karena akan merubah nilai resistansi dari shunt resistor tersebut.
2.11 Tampilan LCD LCD ( Liquid Cell Display ) merupakan suatu jenis media tampilan yang menggunakan kristal cair sebagai penampil utama. LCD bisa memunculkan gambar atau tulisan karena terdapat banyak sekali titik cahaya (piksel) yang terdiri dari satu buah kristal cair sebagai sebuah titik cahaya. Walau disebut sebagai titik cahaya, namun kristal cair ini tidak memancarkan cahaya sendiri. Sumber cahaya di dalam sebuah perangkat LCD adalah lampu neon berwarna putih di bagian belakang susunan kristal cair tadi. Titik cahaya yang jumlahnya puluhan ribu
30
bahkan jutaan inilah yang membentuk tampilan citra. Kutub kristal cair yang dilewati arus listrik akan berubah karena pengaruh polarisasi medan magnetik yang timbul dan oleh karenanya akan hanya membiarkan beberapa warna diteruskan sedangkan warna lainnya tersaring. Dalam menampilkan karakter untuk membantu menginformasikan proses dan control yang terjadi dalam suatu program. LCD 16x2 merupakan semacam fungsi tabel di ms office, 16 menyatakan kolom dan 2 menyatakan baris. LCD 16x2 yang digunakan masih kosongan, maksudnya kosongan yaitu butuh driver lagi supaya bisa dikoneksikan dengan sistem minimum dalam suatu mikrokontroler. Driver yang disebutkan berisi rangkaian pengaman, pengatur tingkat kecerahan backligt maupun data, serta untuk mempermudah pemasangan di mikrokontroler.
Modul LCD memiliki karakteristik sebagai berikut: • Terdapat 16 x 2 karakter huruf yang bisa ditampilkan. • Setiap huruf terdiri dari 5x7 dot-matrix cursor. • Terdapat 192 macam karakter. • Terdapat 80 x 8 bit display RAM (maksimal 80 karakter). • Memiliki kemampuan penulisan dengan 8 bit maupun dengan 4 bit. • Dibangun dengan osilator lokal. • Satu sumber tegangan 5 volt. • Otomatis reset saat tegangan dihidupkan. • Bekerja pada suhu 0°C sampai 55°C
Konfigurasi pin dari LCD ditunjukkan pada Gambar dibawah ini :
Gambar 2.20 Modul dari LCD ( Liquid Cell Display )10
10
http://reehokstyle.blogspot.com/2010/03/akses-lcd-16x2.html
31
Tabel 2.4 Konfigurasi pin LCD No
Simbol
Level
Fungsi
1
Vss
-
0 Volt
2
Vcc
-
5 Volt ± 10 %
3
Vee
-
Penggerak LCD
4
RS
H/L
H = memasukkan data , L = memasukan Ins
5
R/W
H/L
H = Baca , L = Tulis
6
Enable
7
DB0
H/L
8
DB1
H/L
9
DB2
H/L
10
DB3
H/L
11
DB4
H/L
12
DB5
H/L
13
DB6
H/L
14
DB7
H/L
15
V+BL
16
V-BL
Enable signal
Data Bus
Kecerahan LCD
