BAB II TINJAUAN PUSTAKA
Sistem Kendali [Sahat Pakpahan, Kontrol Otomatik : Teori dan Penerapan, 1988]
2.1.
Sistem kendali atau sistem kontrol adalah suatu sistem pengaturan terhadap satu atau beberapa besaran (variabel, parameter) sehingga berada pada suatu harga atau dalam suatu rangkuman harga (range) tertentu. Tujuan utama dari sistem kendali adalah untuk mendapatkan optimasi di mana dalam hal ini diperoleh berdasarkan fungsi sistem kendali itu sendiri, yaitu pengukuran (measurement), perbandingan (comparison), pencatatan (recording), perhitungan (computation), dan perbaikan (correction). Sistem kendali dapat dikelompokkan menjadi : 1. Manual (operator manusia) dan otomatik (mesin peralatan, robotik). 2. Kalang tertutup (closed-loop) dan kalang terbuka (open-loop). 3. Analog (continue) dan digital (discontinue, discrete). 4. Servo dan regulator. 5. Sumber aktuator : elektris, pneumatis (udara, angin), hidrolis (cairan), mekanis, dan kombinasinya.
Masukan
Pengendali atau Controller (Heater, Pemanas)
Plant atau Proses (Temperatur Air)
Keluaran
Gambar 2.1. Contoh diagram blok sistem kendali kalang terbuka. [Katsuhiko Ogata, 1970; Charles L. Phillips & H. Troy Nagle, 1990]
6
Air SW 1 Air
Pemanas
AC
Air Wadah / tempat (Hopper)
Gambar 2.2. Contoh nyata sistem kendali kalang terbuka [Sahat Pakpahan, 1988]
Masukan + Temperatur Air yang Diinginkan
--
Pengendali (Controller), Penguat (Amplifier), Penggerak (Actuator : tangan, kaki, motor, katup / valve)
Plant atau Proses
Elemen Pengukur, Pencatat, Tampilan (Display)
Sensor / Pengindera (Transducer : kulit, mata, telinga)
Keluaran Temperatur Air yang Sebenarnya
Gambar 2.3. Contoh diagram blok sistem kendali kalang tertutup secara analog [Sahat Pakpahan, 1988]
Mata melihat temperatur air = 50 0C Kulit pada tangan terasa mulai panas Jika sudah mendidih (100 0C), matikan skalar pemanas
Thermometer
00 50 0C Air SW 1 Air
Pemanas AC
Air Wadah / tempat (Hopper)
Gambar 2.4. Contoh nyata sistem kendali kalang tertutup secara analog [Sahat Pakpahan, 1988]
Tampilan temperatur Air
Air
Sensor Temperatur Pemanas
+
--
Amp.
ADC
Pengendali Pemanas
Wadah / tempat (Hopper)
Gambar 2.5. Contoh nyata sistem kendali kalang tertutup secara digital [Sahat Pakpahan, 1988]
7
Urutan operasi secara fungsional melalui elemen sistem kendali ditunjukkan dengan diagram balok, diagram kotak, atau diagram blok. Arah proses variabel sistem ditunjukkan dengan arah panah. Variabel di sebelah kiri diagram blok disebut dengan masukan proses, sedangkan variabel di sebelah kanan diagram blok disebut dengan keluaran proses. Dalam diagram blok, variabel sistem kendali biasanya dinyatakan dengan huruf kecil, sedangkan elemen sistem kendali biasanya dinyatakan dengan huruf besar. T (0C)
100 0C 80 0C 60 0C 10 0C t (menit) t1
t3 t2
Gambar 2.6.
t5 t4
t7 t6
t9 t8
t10
Contoh grafik hasil pengendalian temperatur air pada waktu tertentu [Sahat Pakpahan, 1988]
2.2.
Peralatan Medis Peralatan medis adalah peralatan yang digunakan oleh tenaga medis
(dokter, perawat, analis kesehatan, mantri kesehatan) untuk menganalisa suatu jenis penyakit yang diderita oleh pasien. Beberapa jenis alat medis di antaranya adalah : Electro Cardio Graph (ECG), Ultrasonografi (USG), Hematology Analyzer, diatermi gelombang mikro / ultrasonik, tabung reaksi, pipet, tang spittle, pinset bedah, pinset anatomi, gunting, forcep, hand scone dan lain-lain. Dari sekian banyak peralatan kedokteran tersebut dapat dikatagorikan menjadi 4 yaitu : peralatan elektronika, peralatan dengan bahan baku logam, peralatan dengan bahan baku gelas atau kaca, peralatan dengan bahan baku karet atau plastik.
8
(a). ECG
(b). USG
(c). Hematology Analyzer
Gambar 2.7. Contoh peralatan elektronika di bidang medis [www.endo.co.id]
2.2.1. Peralatan elektronika Peralatan elektronika merupakan peralatan medis yang proses kerjanya menggunakan sumber daya listrik, misalnya alat Electro Cardio Graph (ECG), Electro Encephalo Graph (EEG), unit thermography, ventilator, unit monitor Electro Cardio Graphy (ECG), dan lain-lain.
2.2.2. Peralatan dari bahan baku logam Beberapa contoh peralatan kedokteran yang berbahan baku logam antara lain forcep ekstraksi, gunting, pinset, jarum hecting, dan sebagainya.
(a) forcep ekstraksi
(b) gunting
(c) pinset
Gambar 2.8. Peralatan dari bahan baku logam [www.alatkebidanan.com]
9
2.2.3. Peralatan dari bahan baku gelas atau kaca Peralatan kedokteran yang berasal dari bahan baku gelas atau kaca adalah peralatan yang terbuat dari gelas atau kaca yang banyak mengandung unsur silikon. Contohnya adalah ekstraksi vakum (vacum extraction), pipet, tabung reaksi, buret, dan sebagainya.
(a) ekstraksi vakum
(b) pipet
(c) buret
Gambar 2.9. Peralatan yang terbuat dari gelas atau kaca [www.lunawula.blogspot.com/2012/09/instrumen.html]
2.2.4. Peralatan dari bahan baku karet atau plastik Salah satu contoh peralatan dari bahan baku karet atau plastik adalah sarung tangan, selang injeksi, kateter, dan sebagainya.
(a) sarung tangan
(b) selang injeksi
(c) kateter
Gambar 2.10. Peralatan dari bahan baku karet atau plastik [www.alatkebidanan.com]
10
2.3.
Pasteurisasi dan Sterilisasi
2.3.1. Pasteurisasi Pasteurisasi tidak mematikan semua mikroorganisme, tetapi hanya yang bersifat patogen dan tidak membentuk spora. Oleh sebab itu, proses ini sering diikuti dengan teknik lain misalnya pendinginan atau pemberian suhu. Pasteurisasi memiliki tujuan : a. Untuk membunuh bakteri patogen, yaitu bakteri yang berbahaya karena dapat menimbulkan penyakit pada manusia. Bakteri pada susu yang bersifat patogen misalnya mycobacterium tuberculosis dan coxiella bunetti, dan mengurangi populasi bakteri. b. Untuk memperpanjang daya simpan alat-alat medis. c. Dapat menimbulkan citarasa yang lebih baik pada produk susu. d. Pada susu proses ini dapat meng-in active-kan enzim fosfatase dan katalase yaitu enzim yang membuat susu cepat rusak.
Metode pasteurisasi yang umum digunakan adalah pasteurisasi dengan suhu tinggi dan waktu singkat (High Temperature Short Time, HTST), yaitu proses pemanasan susu selama 15 – 16 detik pada suhu 71,7 – 75 C dengan alat Plate Heat Exchanger. Pasteurisasi dengan suhu rendah dan waktu lama (Low Temperature Long Time, LTLT), yakni proses pemanasan susu pada suhu 61 C selama 30 menit. [www.ptp2007.wordpress.com/2007/10/23/pasteurisasi/]
2.3.2. Sterilisasi Sterilisasi
adalah
proses
membunuh
segala
bentuk
kehidupan
mikroorganisme yang ada dalam suatu sampel, alat-alat atau lingkungan tertentu. Dalam bidang biomedis, kata sterilisasi sering dipakai untuk menggambarkan langkah yang diambil untuk meniadakan atau membunuh semua bentuk kehidupan sterilisasi.html]
mikroorganisme.
[www.gerbang-pengetahuan.blogspot.com/2011/01/macam-teknik-
11
Teknik sterilisasi pada dasarnya dapat dilakukan dengan dua cara, yaitu secara fisis dan secara kemis.
2.3.2.1. Sterilisasi Secara Fisis a. Metode Radiasi Dalam mikrobiologi, radiasi gelombang elektromagnetik yang banyak digunakan adalah radiasi sinar ultraviolet, radiasi sinar (gamma), sinar X, dan sinar matahari. Sinar matahari banyak mengandung sinar ultraviolet, sehingga secara langsung dapat dipakai untuk proses sterilisasi. Sinar ultraviolet bisa diperoleh dengan menggunakan katoda panas (emisi termis), yaitu ke dalam tabung katoda bertekanan rendah diisi dengan uap air raksa, panjang gelombang yang dihasilkan dalam proses ini biasanya dalam orde 2500 sampai dengan 2600 A. Lampu merkuri yang banyak terpasang di jalan-jalan sesungguhnya banyak mengandung sinar ultraviolet. Namun sinar ultraviolet yang dihasilkan itu banyak diserap oleh tabung gelas yang dilaluinya, sehingga dalam proses sterilisasi hendaknya memperhatikan dosis ultraviolet. Sinar ultraviolet yang diserap oleh sel organisme yang hidup, khususnya oleh nukleoida, maka elektron-elektron dari molekul sel hidup akan mendapat tambahan energi. Tambahan energi ini kadang-kadang cukup kuat untuk mengganggu, bahkan merusak ikan intramolekuler, misalnya ikatan atom hydrogen dan DNA. Perubahan intramolekuler ini menyebabkan kematian pada sel-sel tersebut. Beberapa plasma sangat peka terhadap sinar ultraviolet, sehingga mudah menjadi rusak. Sinar gamma mempunyai tenaga yang lebih besar dari pada sinar ultraviolet dan merupakan radiasi pengion. Interaksi antara sinar gamma dengan materi biologis sangat tinggi, sehingga mampu memukul elektron pada kulit atom dan menghasilkan pasangan ion (pair production). Cairan sel, baik intraselluler maupun ekstraselluler, akan terionisasi sehingga menyebabkan kerusakan dan kematian pada mikroorganisme tersebut. Sterilisasi dengan penyinaran sinar gamma berdaya tinggi dipergunakan untuk objek-objek yang tertutup plastik atau stick untuk swab, jarum suntik.
12
Untuk makanan maupun obat-obatan tidak boleh menggunakan sinar gamma untuk sterilisasi, karena akan terjadi perubahan struktur kimia pada makanan maupun obat-obatan tersebut.
b. Metode Pemanasan dengan Uap Air dan pengaruh tekanan (auto slave) Benda yang akan disucihamakan diletakkan di atas lempengan saringan dan tidak langsung mengenai air di bawahnya. Pemanasan dilakukan hingga air mendidih (diperkirakan pada suhu 100 C), pada tekanan 15 lb dan temperatur mencapai 121 C. Organisme yang tidak berspora dapat dimatikan dalam tempo 10 menit saja. Banyak jenis spora yang dapat mati dengan pemanasan 100 C selama 30 menit. Tetapi ada beberapa jenis spora dapat bertahan pada temperatur ini selama beberapa jam. Spora-spora yang dapat bertahan selama 10 jam pada temperatur 100 C dapat dimatikan hanya dalam waktu 30 menit, apabila air yang mendidih ini ditambahkan dengan natrium carbonat (Na2CO3).
c. Metode Pemanasan secara Kering Pemanasan secara kering ini kurang efektif apabila temperatur kurang tinggi. Untuk mencapai efektivitas diperlukan pemanasan mencapai temperatur antara 160 C sampai dengan 180 C. Pada temperatur ini akan menyebabkan kerusakan pada sel-sel hidup dan jaringan, hal ini disebabkan terjadinya autooksidasi, sehingga bakteri pathogen dapat terbakar. Pada sistem pemanasan kering terdapat udara, seperti yang telah diketahui, bahwa udara merupakan penghantar panas yang buruk, sehingga sterilisasi melalui pemanasan kering memerlukan waktu cukup lama, rata-rata waktu yang diperlukan 45 menit. Pada temperatur 160 C memerlukan waktu 1 jam, sedangkan pada temperatur 180 C memerlukan waktu 30 menit. Pada metode pemanasan secara kering ini secara rutin digunakan untuk mensterilisasikan alat-alat pipet, tabung reaksi, stick swab, jarum operasi, jarum suntik, syringe. Oleh karena temperatur tinggi sangat mempengaruhi ketajaman jarum atau gunting, maka hindarilah tindakan sterilisasi dengan metode pemanasan kering terhadap jarum atau gunting.
13
d.
Metode Pemanasan secara Terputus-putus (Intermittent)
John Tyndall (1877) memperoleh dari hasil penelitiannya bahwa pada temperatur didih (100 C) selama 1 jam tidak dapat membunuh semua mikroorganisme, tetapi apabila air dididihkan berulang-ulang sampai lima kali dan setiap air mendidih istirahat berlangsung 1 menit akan sangat berhasil untuk membunuh kuman. Hal ini dapat dimengerti oleh karena dengan pemanasan intermittent, lingkaran hidup pembentukan spora dapat diputuskan.
e. Metode Pembakaran Langsung (Incineration) Alat-alat plantina, chrome yang akan disteril dapat dilakukan melalui pembakaran secara langsung pada nyala lampu bunzen hingga mencapai merah padam. Hanya saja dalam proses pembakaran langsung ini, alat-alat tersebut lama kelamaan menjadi rusak. Keuntungannya adalah mikroorganisme akan hancur semua.
f. Metode Penyaringan (Filtration) Metode penyaringan berbeda dengan metode pemanasan. Sterilisasi dengan metode pemanasan dapat membunuh mikroorganisme, tetapi mikroorganisme yang mati tetap berada pada material tersebut. Sedangkan sterilisasi dengan metode penyaringan, mikroorganisme tetap hidup hanya dipisahkan dari material. Bahan filter atau penyaring adalah sejenis porselin yang berpori yang dibuat khusus dari masing-masing pabrik. Ada banyak macam filter yaitu berkefeld V, coarse N, M dan W, fine, chamberland, seitz, dan sintered glass. Metode filtrasi ini hanya dipakai untuk sterilisasi larutan gula, cairan lain, seperti serum atau sterilisasi hasil produksi mikroorganisme, seperti enzyme dan exotoxin dan untuk memisahkan fitrable viris dari bakteri dan organisme lain.
2.3.2.2. Sterilisasi secara Kemis Sterilisasi secara kemis yang lazim digunakan adalah alcohol 96%, aceton tab formalin, sulfur dioxide, dan chlorine. Materi yang akan di-sucihama-kan
14
dibersihkan terlebih dahulu, kemudian direndam dalam alcohol atau acetone atau tab formalin selama 24 jam.
2.3.3. Pelaksanaan Sterilisasi Sterilisasi dapat dilaksanakan sesuai dengan tujuan yang diinginkan, yaitu mikroorganisme dapat dibunuh dan peralatan tetap baik, untuk itu perlu mengetahui, macam peralatan manakah yang akan disucihamakan, dan metode sterilisasi manakah yang akan diterapkan.
2.3.3.1. Sterilisasi terhadap Bahan Baku Logam dan Gelas Alat yang terbuat dari logam sebelum disteril harus dicuci terlebih dahulu sampai bersih. Dibiasakan untuk segera mencuci alat-alat begitu selesai memakainya, agar kotoran yang melekat mudah dibersihkan. Alat-alat logam (jarum suntik, pinset, gunting, jarum operasi, scalpel blede) maupun tabung reaksi, pipet, petridisk, mula-mula dibersihkan terlebih dahulu, baru kemudian dibungkus dengan kain gas. Setelah itu menggunakan metode pemanasan secara kering dengan suhu mencapai 160 C, durasi waktu mencapai 1-2 jam, kemudian didiamkan agar suhu turun perlahan-lahan.
2.3.3.2. Sterilisasi terhadap Bahan Baku Kain dan Media Kultur Media kultur yang akan disteril, terlebih dahulu dibungkus dengan kertas, agar setelah disteril dan dikeluarkan dari alat sterilisator tidak terkontaminasi dengan kuman lagi. Demikian juga kain doek, dibungkus dengan plastik terlebih dahulu sebelum melakukan sterilisasi. Metode sterilisasi yang akan dipakai di sini adalah metode pemanasan dengan uap air dan pengaruh tekanan (autoclave).
2.3.3.3. Sterilisasi Bahan Baku dari Karet atau Plastik Bahan karet, misalnya sarung tangan, apabila akan disterilkan sebaiknya jangan memakai metode pemanasan. Karena akan mengganggu elastisitas karet dan karet akan meleleh apabila kena panas. Untuk mensucihamakan bahan baku karet, mula-mula dibersihkan dari kotoran dengan memakai air bersih dan
15
detergent, kemudian baru dikeringkan. Setelah itu baru ditaburi talk powder dan disimpan dengan menggunakan tablet formalin.
2.4.
Sensor Temperatur IC LM335 LM135, LM235, dan LM335 merupakan IC sensor temperatur presisi
yang mudah dikalibrasi. IC sensor temperatur ini bekerja seperti sebuah zener dua terminal dan memiliki tegangan dadal (breakdown voltage) yang berbanding lurus dengan temperatur absolut pada 10 mV / K. IC sensor temperatur ini bekerja ini pada rentang arus listrik 400 A s.d. 5 mA tanpa ada perubahan pada unjuk kerjanya, dengan impedansi dinamik kurang dari 1 . Terkalibrasi pada 25 C, IC sensor temperatur ini memiliki kesalahan kurang dari 1 C s.d. 100 C. Tidak seperti sensor temperatur lainnya, keluaran IC sensor temperatur ini linear.
Gambar 2.11. Deskripsi kaki penyemat IC sensor temperatur LM135, LM235, dan LM335. [www.datasheetcatalog.com/datasheets_pdf/L/M/3/3/LM335.shtml]
Gambar 2.12. Deskripsi kemasan IC sensor temperatur LM135, LM235, dan LM335 [www.datasheetcatalog.com/datasheets_pdf/L/M/3/3/LM335.shtml]
16
Gambar 2.13. Sensor terkalibrasi pada temperatur kamar 25 C [www.datasheetcatalog.com/datasheets_pdf/L/M/3/3/LM335.shtml]
Keluaran nominal adalah dikalibrasi pada 10 mV / K. Pada saat kalibrasi pada temperatur referensi (298,15 K atau 25 C), tegangan keluaran harus 2,982 V dengan cara menyetel atau mengatur cermet multiturn potensiometer 10 K. Tegangan keluaran VO dari rangkaian (terkalibrasi atau tidak) diberikan oleh hubungan persamaan matematis sebagai berikut :
VOT VOT 0
T T K 2,982 Volt T0 298,15 K
....................... (2.1)
di mana T adalah temperatur yang tidak diketahui dan T0 adalah temperatur referensi (298,15 K atau 25 C). Pada tugas akhir ini, keluaran IC LM335 dihubungkan ke rangkaian komparator (IC LF356), dan rangkaian pengubah analog ke digital (IC CA3162E).
2.5.
Transistor Transistor merupakan salah satu komponen aktif karena dapat memperkuat
suatu sinyal masukan dan menghasilkan suatu sinyal keluaran yang lebih besar. Untuk mengoperasikan sebuah transistor dalam suatu rangkaian linear diperlukan beberapa syarat sebagai berikut :
17
1. Diode emitter harus di-bias maju; 2. Diode kolektor harus di-bias balik; dan 1
2
3. Tegangan pada diode kolektor harus lebih kecil daripada tegangan breakdown. IC
IC IB
IB
Rc
Rb D
Vbb
Vcc
VCE (a).
(b).
Gambar 2.14. (a) Rangkaian untuk mendapatkan kurva arus kolektor. (b) Kurva arus kolektor
Untuk membuat transistor berfungsi dengan baik, kita perlu mengetahui karakteristik transistor, dengan cara mengetahui bentuk kurva transistor dan garis bebannya. Untuk mendapatkan kurva kolektor VCE dapat dilakukan dengan cara membentuk suatu rangkaian seperti dalam gambar 2.14. (a), atau dengan cara menggunakan transistor curve tracer (alat yang dapat menggambarkan kurva transistor). Gagasan dari kedua cara tersebut, yaitu dengan mengubah-ubah C
tegangan VBB dan VCC untuk memperoleh tegangan dan arus transistor yang berbeda seperti yang ditunjukkan dalam gambar 2.14. (b). hFE atau dc suatu transistor merupakan besaran yang penting dalam perancangan transistor sebagai penguat. hFE atau dc adalah perbandingan antara IC dengan IB .
dc
IC IB
................................................................................... (2.2)
Dengan adanya dc, maka dengan arus basis yang kecil akan didapatkan perbandingan arus kolektor yang besar terhadap arus basis. Kondisi ini B
dimanfaatkan transistor sebagai penguat arus.
18
Dalam gambar 2.14.(a), sumber tegangan VCC membias balik diode kolektor melalui Rc. Dengan hukum Kirchoff, diperoleh :
VBB VBE RB
....................................................................... (2.3)
VCE VCC I C RC
....................................................................... (2.4)
IB
Dalam rangkaian yang diberikan, VCC dan RC adalah konstan, VCE dan IC adalah variabel. Persamaan (2.4) dapat disusun kembali sehingga didapatkan persamaan sebagai berikut :
IC
IC
VCE VCC RC RC
..................................................................... (2.5)
Penjenuhan
IB IB>IB(sat) IB=IB(sat)
VCC / RC Titik sumbat (cutt off)
VCE Gambar 2.15. Garis beban DC suatu rangkaian transistor
Pada
persamaan
(2.5)
adalah
persamaan
linear.
Gambar
2.15.
menunjukkan grafik dari persamaan (2.5). Perpotongan vertikal adalah pada VCC / RC. Perpotongan horizontal adalah pada Vcc, kemiringannya adalah sebesar -1 / RC. Garis ini disebut garis beban DC karena garis ini menyatakan semua titik operasi yang mungkin. Perpotongan dari garis beban DC dengan arus basis adalah titik operasi (titik Q) dari transistor. Titik perpotongan antara garis beban dan kurva IB = 0 disebut titik sumbat (cut-off). Pada titik ini arus basis adalah 0 dan arus kolektor kecil sehingga dapat
19
diabaikan. Pada titik sumbat, diode kehilangan bias maju (forward), dan kerja transistor normal terhenti. Untuk perkiraan aproksimasi VCE(cutt off) = VCC. Perpotongan garis beban dan kurva IB = IB (sat) disebut penjenuhan (saturation). Pada titik ini arus basis sama dengan IB (sat) dan arus kolektor adalah maksimum. Saat ini diode kolektor kehilangan bias balik (reverse) dan kerja transistor yang normal terhenti. Arus kolektor penjenuhan adalah :
I C ( sat )
VCC RC
.......................................................................... (2.6)
Arus basis yang menimbulkan penjenuhan adalah :
IB
I C ( sat )
dc
......................................................................... (2.7)
Tegangan kolektor emitor pada penjenuhan adalah VCE = VCE (sat), di mana VCE (sat) diberikan pada lembar data, secara khusus beberapa persepuluh volt. Jika arus basis lebih besar daripada IB (sat), arus kolektor tak dapat bertambah karena diode kolektor tidak lagi dibias balik (reverse). Dengan perkataan lain perpotongan dari garis beban dan kurva basis yang lebih tinggi masih menghasilkan titik penjenuhan yang sama. Pasangan Darlington dapat dibuat dari dua buah transistor NPN atau dua buah transistor PNP. Pasangan Darlington NPN dibuat dari 2 buah transistor NPN yang kaki-kaki kolektornya dihubungkan dan emitor transistor pertama menggerakkan basis transistor kedua. Apabila penguatan transistor pertama adalah 1 dan penguatan transistor kedua adalah 2 maka penguatan pasangan Darlington keseluruhannya adalah:
1 2
..................................................................................... (2.8)
20
2.6.
Komparator atau Pembanding Komparator atau pembanding merupakan sebuah tipe rangkaian penguat
operasional
(operational
amplifier,
op-amp)
yang
berfungsi
untuk
membandingkan dua buah tegangan masukan dan menghasilkan sebuah tegangan keluaran yang menunjukkan keadaan lebih besar atau lebih kecil, dari hubungan kedua buah tegangan masukan tersebut. Salah satu aplikasi op-amp adalah sebagai komparator untuk menentukan kapan sebuah tegangan masukan melebihi level atau tingkatan tegangan tertentu.
[Couglin F. Robert dan Driscoll F. Frederick,. Penguat Operational dan
Rangkaian Terpadu Linear, 1992]
a. Deteksi Level Nol (Zero-Level Detection) Gambar di bawah ini menunjukkan sebuah detektor level nol. Masukan membalik (inverting atau -) diketanahkan (grounded) untuk menghasilkan sebuah level nol dan tegangan sinyal masukan Vin (berupa gelombang sinusoidal) diterapkan pada masukan tidak membalik (non inverting atau +).
V in + V cc -
V out V out
+ V in
t
- V cc
V out (max) t - V out (max)
Gambar 2.16. Komparator
Karena perolehan tegangan pada kalang terbuka sangat tinggi dan tegangan diferensial di antara dua masukan op-amp yang menggerakkan penguat ke dalam saturasi sangat kecil, maka menyebabkan tegangan keluaran menuju batas saturasi atau jenuh. Biasanya op-amp memiliki batas tegangan maksimal 15 Volt.
21
Pada saat gelombang masukan sinus positif, maka keluaran pada level positif maksimum. Pada saat gelombang masukan sinus melewati nol, keluaran penguat menuju keadaan yang berlawanan dan keluaran menuju level negatif maksimum. Detektor level nol dapat digunakan sebagai rangkaian gelombang kotak untuk menghasilkan gelombang kotak dari gelombang masukan sinusoidal.
b. Deteksi Tegangan Bukan Nol (Nonzero-Level Detection) Detektor level nol dapat diubah untuk mendeteksi tegangan positif dan tegangan negatif dengan cara menghubungkan sebuah sumber tegangan referensi (acuan) tetap ke masukan membalik.
VRef
R2 VCC R1 R2
....................................................... (2.9)
+ V cc
+ V cc V in
R1
+ V cc -
V out
+ V in
V Ref R2
- V cc
V in
R1 -
V out
+
V DZ = V Ref
-
V out
+
DZ - V cc
V Ref
V in
t
V out V out (max) t
- V cc - V out (max)
V Ref
Gambar 2.17. Mengeset tegangan referensi VRef pada deteksi level bukan nol
Ada beberapa cara untuk mengeset tegangan referensi VRef pada deteksi level bukan nol. Di antaranya adalah menggunakan referensi batere, referensi pembagi tegangan, atau menggunakan dioda zener. Selama VIn kurang dari atau lebih kecil dari VRef , keluaran berada pada level negatif maksimum. Pada saat tegangan masukan melebihi atau lebih besar dari VRef , keluaran berada pada level positif maksimum.
22
2.7.
Pengubah analog ke digital (Analog to Digital Converters, ADC) Ada beberapa metode yang popular untuk mengubah atau mengkonversi
sebuah besaran analog ke dalam sebuah nilai digital. Salah satunya di antara metode tersebut adalah metode kemiringan (slope method). Tegangan analog yang akan dikonversikan diterapkan melalui sebuah saklar elektronik ke dalam sebuah rangkaian integrator atau pembangkit ramp (biasanya sebuah arus konstan yang mengisi sebuah kapasitor untuk menghasilkan sebuah tegangan ramp linier). Keluaran digital diperoleh dari sebuah pencacah yang beroperasi selama selang (interval) kemiringan positif dan negatif dari integrator. Metode konversi menghasilkan sebagai berikut. Selama sebuah selang waktu tetap (biasanya jangkauan cacah penuh dari pencacah), tegangan analog dikoneksikan integrator menimbulkan tegangan pada masukan komparator sampai beberapa level positif. Pada akhir selang waktu tetap tegangan dari integrator lebih besar untuk tegangan masukan yang lebih besar. Pada akhir selang waktu cacah tetap, cacahan diset menuju nol dan saklar elektronik mengkoneksikan integrator ke sebuah tegangan masukan tetap atau referensi. Keluaran integrator (kapasitor masukan) kemudian berkurang pada kecepatan tetap. Pencacah memajukan (advances) selama waktu ini, pada saat pengurangan keluaran integrator pada kecepatan tetap, meskipun hal ini drop di bawah tegangan referensi komparator, yang mana waktu logika kontrol menerima sinyal (keluaram komparator) untuk menghentikan pencacah. Nilai digital disimpan pada pencacah, kemudian keluaran digital dari konverter. Penggunaan detak (clok) dan integrator yang sama untuk menunjukkan performansi konversi selama selang kemiringan positif dan negatif, cenderung mengkompensasi untuk selama lentingan frekuensi detak dan pembatasan akurasi integrator. Setting nilai masukna referensi dan kecepatan detak dapat menskala keluaran pencacah seperti yang diinginkan. Pencacah dapat berupa biner, BCD, atau bentuk pencacah digital jika diinginkan.
23
2.8.
IC CA3162E IC CA3162E dan IC CA3162AE merupakan IC DIP 16 sebagai pengubah
analog ke digital yang berjenis monolitik I2R. IC ini menyediakan sebuah keluaran BCD yang dimultipleks sebanyak 3 digit. IC CA3162E dan IC CA3162AE digunakan dengan IC CA3161E yang merupakan driver atau decoder dari BCD ke tujuh ruas dan sebuah komponen eksternal yang sedikit atau minim untuk menerapkan 3 digit secara lengkap. IC CA3162E dan IC CA3162AE adalah identik, kecuali untuk jangkauan operasi temperatur secara luas. Konfigurasi kaki penyemat (pin) dan diagram blok fungsional IC CA3162 ditunjukkan seperti pada gambar 2.18 dan gambar 2.19.
Gambar 2.18. Kaki penyemat (pin) IC CA3162 [www.datasheetcatalog.com/datasheets_pdf/C/A/3/1/CA3162.shtml]
Fitur-fitur atau keistimewaan IC CA3162E adalah sebagai berikut : 1. Konversi A/D adalah Kemiringan ganda (dual-slope); 2. Tampilan BCD yang dimultipleks; 3. Referensi tegangan untuk celah pemisah pita internal sangat stabil; 4. Mampu membaca 99 mV di bawah nol (ground) dengan catu daya tunggal; 5. Memiliki masukan diferensial; 6. Menggunakan pewaktu (timer) internal dan tidak menggunakan detak (clock) eksternal;
24
7. Ada pilihan kecepatan konversi, yaitu 4 Hz (kecepatan rendah) dan 96 Hz (kecepatan tinggi); 8. Konversinya ditahan (“hold” inhibits conversion), akan tetapi menjaga tundaan; dan 9. Penunjukannya terlalu lebih (overrange indication). “ EEE ” untuk pembacaan lebih besar daripada +999 mV, “ - “untuk pembacaan lebih negatif daripada 99 mV ketika digunakan dengan CA3161E.
Gambar 2.19. Diagram blok fungsional IC CA3162E [www.datasheetcatalog.com/datasheets_pdf/C/A/3/1/CA3162.shtml]
Diagram blok fungsional IC CA3162E menunjukkan pengubah tegangan ke arus listrik (V/I converter) dan pembangkit acuan arus listrik (reference current generator) yang merupakan jantung sistem. Pengubah tegangan ke arus listrik mengubah tegangan masukan yang diterapkan di antara kaki penyemat (pin) 10 dan 11 menjadi arus listrik yang mengisi atau memuati kapasitor penyatuan (integrating capasitor) pada kaki penyemat 12 untuk penentuan awal selang waktu (predetermined time interval). Pada bagian akhir dari selang waktu pengisian, pengubah tegangan ke arus listrik diputuskan dari kapasitor penyatuan, dan sebuah acuan tetap celah pemisah pita sumber arus listrik dari polaritas yang
25
berlawanan yang dihubungkan. Jumlah dari detak mencacah yang telah lewat berlalu, sebelum muatan dikembalikan (restored) ke nilai aslinya, terukur secara langsung dengan sinyal yang diinduksikan arus listrik. Pengembalian ini diindera oleh pembanding (comparator) yang akan menghidupkan gerendel pencacah (latches counter). Pencacah kemudian dimultipleks menjadi keluaran BCD. Pewaktuan untuk IC CA3162E disuplai dari sebuah osilator cincin (ring oscillator) 786 Hz, dan masukan pada kaki penyemat 6 menentukan kecepatan cuplikan (sampling rate). Sebuah masukan 5 V menyediakan sebuah kecepatan cuplikan tinggi (high speed sampling rate) 96 Hz. Pentanahan (grounding) ataupun mengambang (floating) pada kaki penyemat 6 menyediakan sebuah kecepatan cuplikan rendah (low speed sampling rate) 4 Hz. Pada saat kaki penyemat 6 tetap berada 1,2 V (dengan cara menempatkan sebuah resistor 12 K di antara kaki penyemat 6 dan catu daya 5 V), sebuah keistimewaan menahan (hold features) tersedia. Pada saat IC CA3162E berada pada mode menahan (hold mode), kecepatan cuplikan kontinyu pada 4 Hz, akan tetapi tampilan data ditahan untuk pembacaan sebelumnya dari aplikasi 1,2 V. Penghilangan 1,2 V mengembalikan tampilan muatan secara kontinyu. Catatan bahwa, bagaimanapun juga kecepatan cuplikan masih sisa 4 Hz. Kaki penyemat nomor 8 dan 9 merupakan penyetelan nol (zero adjustment). Penyetelan perolehan (gain adjustment) dilakukan oleh kaki penyemat nomor 13. Sedangkan kaki penyemat nomor 10 dan 11 masing-masing untuk masukan rendah dan masukan tinggi. Tegangan masukan maksimal ini pada penyemat nomor 10 atau 11 terhadap ground adalah sebesar 15 V. Keluaran BCD berturut-turut pada kaki penyemat nomor 2 ( = 20 ), 1 (=21 ), 15 ( = 22 ), dan 16 ( = 23 ). Digit keluaran dipilih oleh kaki penyemat nomor 5 (LSD), 3 (NSD), dan 4 (MSD). Catu daya DC yang digunakan dikoneksikan dengan kaki penyemat nomor 7 (GND) dan 14 (V+) dan maksimal +7 V. Gambar 2.20 menunjukkan pewaktuan cuplikan dan angka memilih pulsa untuk mode kecepatan tinggi. Catatan bahwa, proses konversi dasar analog ke digital memerlukan kira-kira 5 ms untuk kedua mode tersebut.
26
Gambar 2.20. Diagram pewaktuan IC CA3162 [www.datasheetcatalog.com/datasheets_pdf/C/A/3/1/CA3162.shtml]
Gambar 2.21. Dasar sistem pembacaan digital menggunakan IC CA3162E dan IC CA3161E [www.datasheetcatalog.com/datasheets_pdf/C/A/3/1/CA3162.shtml]
Tampilan “ EEE “ atau “ --- “ menunjukkan bahwa jangkauan sistem masing-masing telah melebihi tanda positif dan negatif. Teganagn negatif sampai dengan – 99 mV ditampilkan dengan tanda minus pada MSD. Kode BCD adalah 1010 untuk di luar jangkauan negatif (---) dan 1011 untuk di luar jangkauan positif (EEE).
27
2.9.
IC CA3161E IC CA3161E merupakan IC DIP 16 berjenis monolitik yang berfungsi
untuk men-decoding BCD ke tujuh ruas dan sebagai penggerak ruas dengan arus konstan. Pada saat digunakan dengan IC pengubah analog ke digital (yaitu IC CA3162E), IC CA3161E ini menyediakan sebuah sistem pembacaan yang lengkap dengan sedikit komponen eksternal. Fitur-fitur atau keistimewaan IC CA3162E adalah sebagai berikut : 1. Kompatibel dengan masukan level logika TTL; 2. Keluaran ruas dengan arus konstan (25 mA); 3. Menggantikan keperluan resistor pembatas arus keluaran; 4. Kaki penyemat (pin) kompatibel dengan decoder standar industri yang lainnya; dan 5. Disipasi daya stanby rendah (18 mW). Konfigurasi kaki penyemat (pin), diagram blok fungsional, dan tabel kebenaran IC CA3161 IC CA3161 adalah sebagai berikut :
(a).
(b).
Gambar 2.22. (a). Konfigurasi kaki penyemat (pin) (b). Diagram blok fungsional IC CA3161 [www.datasheetcatalog.com/datasheets_pdf/C/A/3/1/CA3161.shtml]
28
Tabel 2.1. Tabel kebenaran IC CA3161 dan tampilan tujuh ruas yang dihasilkan oleh IC CA3162 [www.datasheetcatalog.com/datasheets_pdf/C/A/3/1/CA3161.shtml]
29
2.10. Tampilan Tujuh Ruas (Seven Segment Display, SSD) Peralatan keluaran yang umum digunakan untuk menampilkan bilangan desimal adalah tampilan tujuh ruas (Seven Segment Display, SSD). Ketujuh ruas dari peraga tersebut diberi label a sampai g. Pada dasarnya SSD terdiri atas 7 LED yang tersusun membentuk konfigurasi angka. Terdapat dua macam SSD, yaitu : anoda bersama (Common Anoda, CA) dan katoda bersama (Common Cathoda, CC). Pada common anoda berarti bahwa anoda dari LED tersebut dihubungkan menjadi satu dan diberi tegangan “high” untuk mengaktifkan LED tersebut. Sebaliknya common cathoda berarti katodakatoda dari LED tersebut terhubung menjadi satu dan untuk mengaktifkan LED tersebut, pada katodanya diberikan tegangan “low”. Pada rancang-bangun alat ini menggunakan SSD CA, yang mana positif dijadikan satu jalur, seperti yang terlihat pada gambar 2.23.
Gambar 2.23. Tampilan tujuh ruas [www.thelearningpit.com/lp/doc/7seg/7seg.html]
2.11. Relay Relay adalah komponen yang berguna untuk memutuskan atau menghubungkan sirkit. Relay ada dua yaitu yang bekerja dengan arus bolak-balik dan relay yang bekerja dengan arus rata. Relay dengan arus bolak-balik tidak dapat dipakai dalam proyek-proyek dengan alat-alat elektronika, karenanya untuk desain rangkaian elektronika selalu menggunakan relay yang bekerja dengan arus rata.
30
Relay DC juga terdiri dari berbagai macam antara lain: 1. Relay dengan kontak menutup jika dialiri arus 2. Relay dengan kontak terbuka jika dialiri arus 3. Relay dengan kontak dua kutub (bi-polar) 4. Relay dengan kontak-kontak lidi, dimana khusus untuk relay jenis ini dapat digunakan hanya dengan mendekatkan ke sebuah magnet batang atau membuatkan sebuah gulungan yang mengelilingi tabung kaca letak relay lidi tersebut yang nantinya dialiri arus (membangkitkan medan magnet) untuk menggerakkan kontak lidinya.
Gambar 2.24. Wujud Relay SPDT [www.controlanything.com/Relay/Device/DATASHEETS]
Pada dasarnya relay terdiri dari sebuah lilitan kawat (kumparan koil) yang terlilit pada suatu initi besi lunak. Jika kumparan dialiri arus listrik maka besi lunak itu akan menjadi sebuah magnet. Magnet ini akan menarik atau menolak suatu pegas dan pegas pun akan membuat keadaan terhubung atau kontak terputus. Kontak-kontak pada relay ada dua macam, yaitu: normal open (saat keadaan i ≠ 0 kontak putus) dan normal close (saat keadaan i ≠ 0 kontak tertutup). Relay yang digunakan pada sistem kontrol ini adalah relay dengan keadaan normal kontak putus.
2.12. Pewaktu (Timer) IC LM555 IC LM / NE / SA / RS 555 merupakan sebuah pewaktu tunggal dan sebuah pengendali dengan kemampuan kestabilan tinggi yang dapat menghasilkan pulsa pewaktuan yang akurat. Dengan sebuah operasi satu kestabilan (monostable),
31
waktu tundaan dikendalikan oleh sebuah resistor dan kapasitor eksternal. Dengan sebuah operasi tidak stabil (astable), frekuensi dan siklus tugas (duty cycle) dikendalikan secara akurat oleh dua buah resistor dan sebuah kapasitor eksternal.
(a).
(b).
Gambar 2.25. (a). Konfigurasi kaki penyemat (pin) (b). Diagram blok fungsional IC LM555. [www.datasheetcatalog.com/datasheets_pdf/L/M/5/5/LM555.shtml]
Beberapa keistimewaan atau fitur (features) dari rangkaian terpadu ini adalah memiliki kemampuan penggerak arus tinggi (200 mA), siklus tugas yang dapat diatur, stabilitas temperatur 0,005 % / C, pewaktuan dari s s.d. jam, dan waktu mati singkat (kurang dari 2 s). Sedangkan beberapa aplikasi dari rangkaian terpadu ini adalah pewaktuan yang presisi, pembangkitan pulsa, pembangkitan waktu tundaan, pewaktuan yang runtun (sekuensial).
Gambar 2.26. Rangkaian astabil menggunakan IC LM555 [www.datasheetcatalog.com/datasheets_pdf/L/M/5/5/LM555.shtml]
Pada tugas akhir ini IC LM555 menggunakan pewaktu dengan mode astabil. Bentuk gelombang keluaran mode astabil ini ditunjukkan seperti pada Gambar 2.27.
32
Gambar 2.27. Bentuk gelombang keluaran mode astabil [www.datasheetcatalog.com/datasheets_pdf/L/M/5/5/LM555.shtml]
Beberapa parameter pada mode astabil ini adalah sebagai berikut :
Tabel 2.2. Parameter pada mode astabil IC LM555 [www.datasheetcatalog.com/datasheets_pdf/L/M/5/5/LM555.shtml]
No.
Gelombang Keluaran Sifat
Keterangan *)
Rumus
1.
ton t H
0,693 C R1 R2
2.
toff t L
0,693 C R2
3.
t tH tL
0,693 C R1 2 R2
*) = satuan yang digunakan adalah Ohm, Farad, detik, dan Hertz.
Keterangan notasi parameter pada mode astabil IC LM555 adalah sebagai berikut :
ton t H toff t L
t tH tL
merupakan waktu di mana output ada pada keadaan tinggi. merupakan waktu di mana output ada pada keadaan rendah. merupakan periode bentuk gelombang keluaran.
