Bab III Pelaksanaan Penelitian III.1 Alur Pelaksanaan Penelitian Secara umum alur pelaksanaan penelitian ini disajikan dalam diagram alir berikut Mulai Observasi dan studi pustaka
Y
Permasalahan Hipotesis
T Perancangan alat
Sensor
counter
display
power supply
benda uji
Penyiapan bahan dan alat
Pengambilan
Benda uji 1
Benda uji 2
Data
Benda uji 3
Benda uji 4
Pengolahan Data
Pembahasan dan Analisa Data
Y Tesis
T Selesai
Gambar III. 1. Diagram Alir Pelaksanaan Penelitian
13
Benda uji 5
III.2 Waktu dan Tempat Pelaksanan penelitian mulai dari Bulan Agustus 2008 hingga Juni 2009. Penelitian dimulai dari perancangan, pembuatan dan uji coba alat. Uji coba alat di Laboratorium físika dasar BSCA Institut Teknologi Bandung Jl. Ganesa no. 10 Bandung Jawa Barat. III.3 Desain Alat Sensor Cahaya pada Percobaan benda Jatuh Bebas Inti dari aplikasi sensor cahaya pada percobaan gesekan udara benda jatuh bebas adalah pengukuran waktu yang diperlukan benda uji untuk mencapai jarak tertentu. Sensor pada penelitian ini menggantikan fungsi stop watch sebagai pencatat waktu yang umumnya memiliki ketelitian hingga 0,1 detik dan dioperasikan secara manual menjadi otomatis dengan ketelitiannya 0,001 detik. Beberapa tahapan perancangan dan pembuatan alat secara garis besar terdiri dari dua, yakni: desain bagian elektronik dan mekanik. Berikut ini adalah diagram blok dari rancangan alat tersebut. Mekanik
Elektronik
Penjatuh Benda Trigger Acuan 1
Sensor On
Relay
Acuan 2
Rangkaian Pemancar/ Penerima
Sensor Off
Timer
Display Counter
Catu Daya
Gambar III. 2. Diagram Blok Alat Sensor Cahaya dan Bunyi
14
3.3.1. Desain Bagian Elektronik 3.3.1.1 Mendesain Rangkaian Sensor Cahaya Masalah utama dalam teknik pengukuran otomatis, yakni mengubah besaran mekanik menjadi besaran listrik yang proporsional.
Pengubah yang
melaksanakan fungsi tersebut secara umum disebut sensor. Desain Sensor cahaya yang digunakan dalam penelitian ini terdiri atas LED inframerah sebagai sumber cahaya dan phototransistor sebagai penerima. Infra merah adalah cahaya atau radiasi elektromagnetik dengan frekuensi yang rendah dengan panjang gelombang 1000 – 2000 nm, pada penelitian ini digunakan 2 buah sensor yang diletakkan terpisah untuk mulai menghitung (On) dan menghentikan hitungan (Off). Phototransistor diletakkan terpisah dan berhadapan. Saat benda jatuh melewati sensor mengakibatkan cahaya terputus sesaat dan tersambung kembali maka pencatatan waktu dimulai. Sedangkan sensor bunyi berfungsi untuk menghentikan hitungan ketika benda uji tiba pada
sensor
tersebut, sehingga waktu tercatat secara otomatis pada counter. Receiver (Phototransistor)
Transmiter (LED)
Gambar III. 3. LED sebagai Pemancar (Transmiter) dan Phototransistor sebagai penerima (Receiver) sensor Cahaya III.3.1.2 Diagram Blok Rangkaian Pemancar Sensor Cahaya (Transmiter) Rangkaian pemancar sensor cahaya ini tak lain adalah sebuah rangkaian pewaktu (timer) monostable. Prinsipnya rangkaian ini akan menghasilkan pulsa tunggal dengan lama waktu tertentu. Pada keadaan tanpa input, keluaran pin 3 adalah 0 (ground atau normally low). Transistor Q yang ada di dalam IC ini selalu ON dan 15
mencegah kapasitor eksternal C dari proses pengisisian (charging). Ketika ada sinyal trigger dari 1 ke 0 (VCC to GND) yang diumpankan ke pin 2 dan lebih kecil dari 1/3 VCC, maka serta merta komparator B men-set keluaran flip-flop. Ini pada gilirannya memicu transistor Q menjadi OFF. Jika transistor Q1 OFF akan membuka jalan bagi resistor eksternal R untuk mulai mengisi kapasitor C (charging). Pada saat yang sama output dari pin 3 menjadi high (VCC), dan terus high sampai satu saat tertentu yang diinginkan. Misalnya lamanya adalah t detik, yaitu waktu yang diperlukan untuk mengisi kapasitor C mencapai tegangan 2/3 VCC. Tegangan C ini disambungkan ke pin 6 yang tidak lain merupakan input positif comp A. Maka jika tegangan 2/3 V CC ini tercapai, komparator A akan menreset flip-flop dan serta merta transistor internal Q1 menjadi ON kembali. Pada saat yang sama keluaran pin 3 dari IC 1455 tersebut kembali menjadi 0 (GND). Hambatan luar 220 k
berfungsi menentukan tegangan kali 6. D1 adalah LED
sebagai indikator, D2 dan D3 infra red pemancar cahaya.
Capasitor untuk
meredam noise, selengkapnya bagian dalam IC 1455.
Q
Gambar III. 4. Gambar Bagian dalam IC 1455 Sebagai piranti utama rangkaian pemancar sensor cahaya hanya memerlukan sedikit komponen luar untuk bekerja, diantaranya resistor dan kapasitor luar, komponen elektronik selengkapnya yang digunakan R1 220 KΩ, C1 1KpF 50V, C2 100KpF 50V, IC MC1455, D1 LED, D2 dan D3 Infra red. rangkaian selengkapnya disajikan dalam gambar berikut,
16
TRANSMITER SENSOR CAHAYA
C1 1KpF50V
4 8
6
R 220K
2
3
(+) 9V DV C2 100KpF50V
IC MC1455 5
D1 LED 1
D2 IR D3 IR
(-)
Gambar III. 5. Bagan bagian Pemancar dan Penerima Sensor Cahaya. Sedangkan dalam wujud rangkaian jadinya seperti gambar berikut:
Gambar III. 6. Foto infra red control switch (transmiter) III.3.1.3 Diagram Blok Rangkaian Penerima Sensor Cahaya (Receiver) Phototransistor SPT sebagai fungsi transfer, menghubungkan antara besaran fisis (intensitas cahaya) menjadi karakteristik arus/tegangan listrik. Ketika terkena cahaya SPT berubah hambatanya, ketika cahaya terhalang besaran arus ini akan tersambung.
Kapasitor pertama berfungsi sebagai coupling, meneruskan arus
yang diperoleh dari perubahan SPT, semakin tinggi frekuensi, semakin kecil kapasitansi, hubungan tersebut diekspresikan sebagai Xc = 1/ c, sehingga hanya frekuensi tertentu yang dapat diloloskan. Berikut ini adalah bagian input dari rangkaian penerima phototransistor.
17
Vcc
SPT
Gambar III. 7. Transistor SPT sebagai Receiver Transistor NPN dengan emitter ditanahkan berfungsi sebagai penguat.
R2
berfungsi sebagai Feed back dan berfungsi sebagai bias serta untuk menstabilkan arus, yang menghubungkan output dan input, penggalan rangkaiannya sebagai berikut: Vcc
Vo
R
Vi
Gambar III. 8. Transistor sebagai Receiver Secara teoritis persamaan yang berlaku pada penggalan rangkaian ini adalah:
18
Secara grafis hubungan antara IC dan Vcc adalah sebagai berikut Icc
Vcc Gambar III. 9. Grafik Hubungan VCC terhadap Icc Hambatan dua berfungsi sebagai feed back untuk menstabilkan Kapasitor kedua juga berfungsi sebagai coupling, menghubungkan penguat 1 ke penguat 2, sifatnya hanya meloloskan input AC dan menahan sinyal DC. Penguat dua emitor ditanahkan. R4 dan R5 berfungsi sebagai bias, menentukan titik kerja. Penguat ada 2 dengan maksud memperoleh penguatan yang lebih besar. Penguat 1 untuk penstabil karena ada feed back dan penguat 2 untuk penguatan. Kapasitor ke tiga fungsinya sama dengan kapasitor 1 dan 2 yakni sebagai coupling. Rangkaian C dan R sebagai by pass filter, frekuensi tinggi diloloskan yakni frekuensi rendah disaring, spesifikasi kapasitornya 33 KpF, 50 V. dengan hubungan
= 1/RC.
Masuk ke Transistor (TR3) yakni kolektor ditanahkan (common colektor) penguatannya satu, fungsinya sebagai buffer karena rangkaian sebelumnya sudah di filter, supaya tegangan tidak turun. Rangkaian T transistor 4 (TR4) sebagai penguat inverting dengan input. Kapasitor empat sebagai by pass, arus langsung ditanahkan lewat C4.
R8 dan R9 sebagai pembagi tegangan.
Led sebagai
indicator, jika arus besar maka nyalanya terang, arus yang masuk tergantung pada R10. Dioda D1 sebagai indikator sedangkan D2 dan D3 adalah infra red. Kapasitor C1 berfungsi untuk meredam noise. Spesifikasi teknik beberapa komponen elektronika yang digunakan untuk menyusun blok ini serta gambar rangkaiannya sebagai berikut: Bentuk diagram Blok tampak pada gambar berikut: 19
(+) 6V-9V DC
R10 C4
R4
R3
C2
D2
R4 R1
D1
C3
Relay 6V DC
D2 TR2
R2
D2 TR2
C1
TR2 R8
D2
C4
D2
TR1
VR R7 R5
TR5
R9
SPT C5 R11
(-)
R1.10 R2 R3 R4.7 R5.9.11 R6 R8 VR TR 1-4 TR5
: : : : : : : : : :
1K 470K 3,9K 180K 47K 22K 470 10K CS9014 CS9013
C1 : 4,7KpF50V C2 : 10KpF50V C3 : 33KpF50V C4 : 10 F16V C5.6 : 100 F16V D1 : LED D 2-6 : 1N4148 Relay : 6V DC SPT(Photo Transistor) : CL138M-2
Gambar III. 10. Diagram Rangkaian Penerima (Receiver) Sedangkan setelah menjadi rangkaian sebenarnya bentuknya ditampilkan dalam gambar berikut:
Gambar III. 11. Bagan bagian penerima (receiver) III.4 Desain Alat Sensor Bunyi pada Percobaan benda Jatuh Bebas Penggunaan
sensor
bunyi
pada
penelitian
ini
sebenarnya
merupakan
pengembangan perangkat sensor yang semula pada Tesis I tidak direncanakan. Penyebabnya adalah ketika praktek, lintasan benda uji yang dijatuhkan dari 2 m lintasan benda uji tidak lurus, sehingga tidak tepat melewati sensor off, karena benda terlalu ringan. Kondisi ini sangat menyulitkan peneliti mengambil data. Setelah digunakan sensor bunyi, meskipun benda uji tidak begitu lurus masih dapat tepat dideteksi sensor. 20
Sensor Bunyi terdiri atas Komponen mic kondensor yang digabungkan dengan transisitor sebagai penguat dan transistor saklar. Mic berfungsi untuk merspon perubahan dalam bentuk bunyi dari linkungannya yang kemudian akan mengalami penguatan dan selajutnya komponen transistor lainnya bertindak sebagai saklar elektronik untuk sistem ON /OFF.
Di bawah ini merupakan gambar rangkaian sensor bunyi yang akan dirakit untuk keperluan penghenti saklar otomatis ketika benda uji menyentuh titik acuan bawah. SOUND CONTROL SWITCH D4 + 12V DC R2
C3
R4
C8
SW
R6
D3
R9 TR2
RL
C4
C1
4 1
TR1
IC
VR 11
TR3
R1
D1
R3 C2
R5
D2
13
TR4 R10
R7
R8 C5
C6
C7
MIC -
R1.8 R2 R3 R4 R5 R6 R7 R9
: 100K : 10K : 100 : 3,9K : 680 : 33K : 470 : 560
R10 VR
: 1K : 100k
C1.3 C2.6 C4.5 C7 C8
: 2,2KpF50V : 1 F50V : 10KpF50V : 10 F50V : 47 F50V
D1.2 D3.4 TR1.2.3 TR4 Relay Mic IC
: 1N4148 : 1N4002 : CS9014 : CS9013 : 12 V : Condenser Mic : SN7473
Gambar III. 12. Skematik Sensor Bunyi Pada rangkaian sensor suara ini di gunakan mic condenser untuk mendeteksi adanya bunyi. Posisi dari sensor diatur sedemikian rupa sehingga hanya dapat menerima bunyi yang disebabkan oleh benda uji yang jatuh. Prinsip utama dari sensor ini adalah pada waktu bunyi direspon oleh mic kondenser maka akan melewatkan arus dari sumber ke kutub negatif sumber. Karena pada transistor pertama pada basis tidak terdapat arus, maka arus sumber dari kolektor tidak bisa menuju emitor (negatif sumber). Pada kolektor transistor pertama arus tidak bisa lewat ke kolektor, maka arus akan masuk pada basis transistor ke dua sehingga akan melewatkan arus sumber dari kolektor ke emitor, sedangkan basis dari transistor ketiga tidak ada arus yang lewat. Ini menyebabkan arus sumber dari 21
kolektor tidak bisa menuju ke emiter sehingga arus tersebut akan keluar. Transistor keempat berfungsi menguatkan sinyal listrik yang diterima dan menghasilkan arus yang cukup untuk masuk kebagian relay yang dapat mengahasilkan induksi magnit. Perubahan arus yang terjadi pada relay ini akan mampu membuka dan menutup saklar. Fungsi kapasitor pada rangkaian ini adalah untuk meredam naik turunnya arus yang disebabkan oleh pembacaan sensor terhadap kuat intensitas bunyi. Berikut ini adalah bentuk jadi sensor bunyi yang ditempatkan pada kotak
Gambar III. 13. Sensor bunyi pada papan PCB III.1.1 Diagram Blok Rangkaian Timer counter Timer counter adalah alat yang berfungsi mencatat besaran waktu yang dihasilkan oleh pergerakan benda mulai saat dilepaskan dari acuan atas
sampai benda
menyentuh acuan bawah. Alat timer counter ini dapat bekerja atas beberapa bagian yaitu : III.1.1 Trigger. Trigger adalah bagian pemicu sinyal yang dihasilkan oleh IC 555 sebagai input oleh komponen pencacah . Memiliki dua kondisi yakni stabil dan tidak stabil.
22
Pada operasi ini, pengatur waktu berfungsi sebagai satu tingkat keluaran (one shot). Disebut sebagai multivibrator monostable apabila satu tingkat tegangan keluarannya adalah stabil sedangkan tingkat tegangan keluaran yang lain adalah quasistable. Rangkaian tersebut akan beristirahat pada saat tingkat tegangan keluarannya dalam keadaan stabil sampai dipicu menjadi keadaan quasistable. Keadaan quasistable dibentuk oleh rangkaian multivibrator untuk suatu periode T1 yang telah ditentukan sebelum berubah kembali ke keadaan stabil. Sebagai catatan bahwa selama periode T 1 adalah tetap, waktu antara pulsa-pulsa tersebut tergantung pada pemicu. Tegangan keluaran multivibrator ini. Kapasitor eksternal pada awalnya diisi dan kemudian dikosongkan kembali oleh suatu transistor yang berada di dalam IC 555. Pada aplikasi, suatu pulsa picu negatif kurang dari 1/3 VCC di pin 2, flip-flop di set untuk menghubung-singkatkan agar terjadi pelepasan kapasitor dan menggerakan keluaran menjadi tinggi. Dengan 1/3 tegangan catu daya dikenakan pada terminal masukan dari pembanding/comparator (COMP1) dan 2/3 tegangan dikenakan pada terminal negative dari comparator (COMP2). Ketika tegangan pada terminal trigger (TRIGGER) kurang dari 1/3 dari tegangan catu daya, terminal S dari the flip-flop (FF) menjadi level tinggi
(H)dan FF adalah set
(berada pada nilai yg diharapkan). Ketika tegangan tertinggi-sentuh (threshold) terminal lebih 2/3 dari tegangan catu daya, terminal R dari sebuah FF menjadi level H dan si FF berada reset. Gambar skematik rangkaian trigger disajikan berikut ini: TRIGGER
Push on
+ 3-15V
R3
C4
R1
4
8 3
7
C1
IC 555
R2
2
1
C3 D1
C2
R1.2 R3 R4
pulsa output
R4 5
6
: 470 K : 100 : 680
C1.4 C2.3 D1
: 47 F : 10nF : lead
0V
Gambar III. 14. Skematik rangkaian trigger 23
Sedangkan wujud dari rangkaian tersebut dalam PCB ditunjukkan seperti gambar berikut:
B Gambar III. 15. Foto Rangkaian Trigger pada PCB 1,44 Keluaran rangkaian diatas dihitung dengan rumusan : f ( R1 R2 )C Komponen yang digunakan pada rangkaian ini; R =1KΩ R = 21,318 KΩ C 1
2
=33nF. untuk mendapatkan nilai pembangkit pulsa dengan frekuensi 1000 Hz yang nantinya menghasilkan periode waktu 0,001 sekon maka R1 = 1K, R2 = 21,318 K
dan C= 33nF
III.1.2. Bagian Pencacah
Pencacah (counter) merupakan piranti yang penting fungsinya dalam suatu sistem rangkaian digital. Suatu pencacah akan menghitung jumlah daur yang dilewati oleh pulsa clock pemicunya. Rangkaian ini tersusun dari beberapa buah Flip-Flop (FF) JK yang terpicu pada pinggiran positif atau negatif, dengan fungsifungsi set dan clear-nya.
Gambar III. 16. Pencacah 4 bit Pencacah 4 bit disusun dari 4 buah FF JK dengan keluaran dari setiap FF akan memicu FF yang ada di belakangnya (gambar 3.9). Suatu sinyal tegangan segi empat sebagai sinyal clock memicu FF A pada saat pinggiran negatif (belakang) 24
pulsa itu tiba. Selanjutnya keluaran FF A akan memicu FF B, dengan keluaran FF B memicu FF C, yang pada akhirnya keluaran FF C akan memicu FF D. Dari gambar 3.9 tampak bahwa dua masukan J dan K pada masing-masing FF itu pada keadaan tinggi, sehingga keempat FF itu ada dalam keadaan "toggle", artinya keluaran tiap FF itu akan berpindah keadaan jika pinggiran negatif dari pulsa yang memicunya tiba. III.1.3. Bagian Pemecah Sandi Decoder ( IC CD 4033 B) Komponen utama dari bagian pemecah sandi ini adalah IC CD 4033B, dimana pemecah sandi (decoder) merupakan suatu rangkaian logika terintegrasi yang berfungsi untuk menampilkan kode-kode biner menjadi tanda-tanda yang dapat ditanggapi secara visual. Sesuai dengan ragam cara penyandian, maka dapat dijumpai beragam tipe dekoder, yang salah satu diantaranya dekoder BCD ke dasar. Dekoder ini mempunyai 4 saluran masukan, dan 7 saluran keluaran. Sinyal keluaran 0 dari dekoder ini akan mengaktifkan salah satu ruas LED pada peraga 7 segment. Untuk menyatakan bilangan desimal dalam peraga seven segment, maka tabel 2. kebenarannya ditunjukkan pada tabel berikut Tabel II. 2.
Tabel kebenaran pembuka 4 bit ke 7 LED
25
Berdasarkan tabel tersebut dapat ditentukan fungsi logika masing-masing ruas. Pada percobaan ini, fungsi tersebut dikembangkan sehingga hanya diperlukan gerbang AND, OR dan NOR masing- masing satu IC untuk menyusun rangkaian logika tiap ruas. Sebelum pulsa ini sampai kebagian seven segmen , maka akan melalui resistor terlebih dahulu. Fungsi dari resistor ini adalah sebagai penahan arus yang masuk ke seven segmen. IC CD 4033 ini terdiri dari dua bagian yaitu: 1. Bagian pertama memiliki 4 input yaitu pin 1,2,3,dan 15 yang berfungsi sebagai pencacah bilangan biner dari counter tipe IC CD 4033B. 2. Bagian kedua terdiri dari 7 output yaitu pin 6,7,9,10,11,12,13 yang berfungsi untuk menghidupkan LED pada 7 segmen yang bersesuaian dengan kode input yang diterima seperti pada gambar. Counter 4 digit
DISPAY 1
DISPAY 2
DISPAY 3
DISPAY 4
C5 f
g d a e b c
f
g d a e b c
f
C4
6 7 9 10 11 12 13 1 CLOCK S1
IC 1
f
C3
6 7 9 10 11 12 13 5
g d a e b c
1
IC 2
C2
6 7 9 10 11 12 13 5
g d a e b c
1
IC 3
-
6 7 9 10 11 12 13 5
1
IC 4
6V DV
15 RESET S2
2 8 14 C6
3 16
15
2 8 14
3 16
15
2 8 14
3 16
15
2 8 14
C1
3 16 R1
R2
C7
Selanjutnya gambar rangkaian trigger dan bentuk rangkaiannya di PCB adalah Gambar III. 17. Rangkaian counter 4 digit
26
+
Gambar III. 18. Bentuk Rangkaian counter 4 digit Pada PCB III.5 Desain Bagian Mekanik Desain bagian mekanik ini terdiri dari statif 2 meter dan 2 dudukan sensor Bahan :
- Pipa kotak panjang 2 m - Kaki statif - Dudukan sensor - Dudukan benda coba - Meteran
Prosedur Membuat (lihat gambar di bawah): -
Las dudukan sensor dua buah
-
Buat klem agar dudukan dapat diubah-ubah posisinya(naik/turun)
-
Las dudukan benda coba kurang lebih 20 cm
-
Las kaki statif
-
Lem meteran besi pada dinding statif Dudukan benda Dudukan sensor
klem
Kaki statif Gambar III. 19.
Desain Statif
III.6 Desain Modul Gerak Jatuh Bebas Modul percobaan memuat judul, tujuan, cara kerja, tabel hasil pengamatan, kesimpulan dan daftar pustaka, selengkapnya ada di lampiran B. 27
