PRAKTIKUM TEGANGAN TRANSIEN BERBASIS KOMPUTER W. Kurniawan* Jurusan Pendidikan Fisika, IKIP PGRI SEMARANG Jl. Lontar no 1 Semarang, Indonesia Tel: 081.326.010.848 ; Email:
[email protected] ABSTRAK Artikel ini berisi hasil penelitian desain rangkaian tegangan transien pada matakuliah praktikum elektronika dasar I. Dimana proses kerja rangkaian ini didasari oleh komponen kapasitor yang mampu melakukan rekombinasi muatan didalam dielektrik untuk menyimpan muatan listrik. Proses pengisian dan pengosongan muatan didalam kapasitor ini ternyata memicu terjadinya tegangan transien yang berbentuk eksponensial terhadap waktu. Tulisan ini akan membahas data tegangan transien yang dihasilkan alat praktikum ini dan data secara teori dari penurunan rumus pengisian atau pengosongan muatan didalam kapasitor. Artikel ini juga berisi skema rangkaian antarmuka sinyal analog yang dihasilkan dari proses rekombinansi muatan tersebut menjadi sinyal digital yang selanjutnya dibaca dan ditampilkan oleh komputer dalam bentuk grafik bergerak terhadap waktu. Komponen dasar pada rangkaian antarmuka menggunakan IC ADC0808 dengan resolusi 8 bit dan tegangan maksimal 5,07 Volt. Data yang didapat dari rangkaian yang dibangun akan diidentikkan dengan data dari penurunan rumus pengisian dan pengosongan muatan kapasitor. Dalam penelitian ini ternyata data praktikum dan data dari rumusan matematik ternyata identik. Kata kunci: tegangan transien; teknik antarmuka; komputer PENDAHULUAN Kurikulum 2010 pendidikan Fisika IKIP PGRI Semarang membagi matakuliah elektronika dasar I menjadi dua bagian teori dan praktek. Bagian teori mempelajari komponen – komponen pasif seperti resistor, kapasitor, transformator. Sedangkan bagian prakteknya adalah penggunaan dari komponen pasif untuk menanamkan konsep dasarnya. Pembahasan pada bab kapsitor dititik beratkan pada fungsi kapasitor sebagai penyimpan muatan. Secara teori kapasitor terbentuk dari dua keping konduktor sejajar yang ditengahnya diberi 1 dielektrik atau bahan non konduktor . Pada saat kedua plat konduktor tersebut diberi beda tegangan dan pengatur arus sehingga arus mengalir teratur mengakibatkan terjadinya proses rekombinasi muatan didalam dielektrik, efek yang ditimbulkan dari proses ini adalah tegangan yang berbentuk eksponensial terhadap waktu2 dikedua plat konduktor tersebut, efek ini biasa kita kenal dengan tegangan transien. Proses ini memakan waktu yang bergantung pada aliran arus dan beda tegangan yang diberikan pada keping plat sejajar. Permasalahan yang muncul jika ingin membuat alat praktikum tegangan transien ini adalah alat ukur yang digunakan untuk membaca data tegangan transien yang bergerak terhadap waktu. Data tegangan transien dapat terjadi sangat
cepat atau lambat tergantung arus dan beda tegangan. Oleh karena itu dalam penelitian ini kami mendesain dan membuat alat praktikum tegangan transien berbasis komputer3 yang tujuannya praktikan dapat mengukur, mengamati dan menganalisa proses rekombinasi muatan yang direpresentasikan dari efek tegangan transien yang secara real time dapat ditampilkan dalam bentuk grafik oleh komputer4.
METODE PENELITIAN Bahan dan Peralatan Tabel 1. Daftar bahan dan peralatan No 1 2 3 4 5
Bahan IC : ADC0808, 74LS157, 74LS14, 74LS393 Resistor : 10KΩ, 20 KΩ Kapsitor : 1000uF, 100uF PCB, kabel pelangi, DB25, sakelar Power
Peralatan Solder, tenol, multimeter digital, osiloscope, komputer
Eksperimental
Capasitor Charge and Discharge 6
Desain rangkaian
Penurunan rumus
5
Voltage (V)
4
3
2
Data
1
0 0
50
100
150
200
250
300
Time (second)
Grafik
Gambar 4. Data I pengisian dan pengosongan
gagal
Capasitor Charge and Discharge
Uji
6 5
Gambar 1. diagram alur pelaksanaan penelitian Penelitian ini diawali dengan membuat desain rangkaian seperti terlihat pada gambar 2 dan gambar 3. Berikutnya bagian keluaran Vc pada gambar 3 dihubungkan ke gambar 2 sebagai input analog bagi ADC0808. Pengambilan data pengisian dan pengosongan muatan listrik didalam kapasitor dilakukan dua kali dengan perbedaaan waktu isi dan waktu buang muatan. Kedua data lalu digrafikkan didalam program excel. Tahap berikutnya peneliti juga menguraikan turunan rumus dari rangkaian yang dibagun diatas menjadi sebuah persamaan yang dapat dilihat di pembahasan artikel ini. Dalam persamaan yang didapat, lalu oleh peneliti digunakan untuk pengambilan data dimana data tegangan (Vcc), resistor (R) dan kapasitas kapasitor (C) dibuat sama dengan rangkaian yang telah dibuat. Hasil kedua data lalu digrafikkan bersama dan dilihat uji chi kuadrat5 apakah berhasil dikatakan identik atau tidak. Jika data identik maka penelitian berhasil jika data tidak identik maka peneliti akan mengubah desain rangkaiannya dan melakukan alur dari awal lagi.
HASIL DAN PEMBAHASAN Data penelitian Pengambilan data dilakukan dilaboratorium elektronika IKIP PGRI Semarang dengan bantuan komputer Pentium IV dengan sistem operasi window98SE. dilakukan dua kali pengambilan data dengan melakukan fariasi waktu pengisian dan pembuangan muatan, berikut spesifikasi yang C : digunakan Vcc : 5,07 V ; R : 20,3KΩ ; 1000uF / 25V. Data kami tampilkan dalam bentuk gambar grafik berikut ini
4 3 2 1 0 0
50
100
150
200
250
300
350
Time (seco nd)
Gambar 5. Data II pengisian dan pengosongan
Rumusan pengisian muatan listrik Perhatikan gambar rangkaian yang berfungsi sebagai pengisi muatan pada kapasitor berikut ini :
Gambar 6. Rangkaian pengisian muatan listrik Pada saat pertama sakelar di koneksikan kapasitor mula – mula kosong dan mendapat aliran muatan sebesar : t
q (t ) = ∫ i dt
(1)
0
beda tegangan pada kapasitor sebesar t
Q(t ) 1 Vo (t ) = = ∫ i dt C C0
(2)
Sedangkan beda tegangan antara kedua ujung resistor R menjadi : t
Vab = E −
1 i dt = i R C ∫0
(3)
oleh karena Vo (t) terus bertambah, Vab akan terus berkurang, sehingga arus i(t) pun akan terus berkurang. Jika kita ambil deferensial terhadap waktu pada persamaan 3 kita peroleh −
t RC
(4) i = Ae . pada t = 0, kapasitor belum terisi sehingga Vo(t) = 0 dan I = E / R, sehingga persamaan 4 menjadi :
Pembahasan
t
i (t ) =
E − RC e R
(5)
Untuk menyelidikai bagaimana tegangan kapasitor bertambah dengan waktu ketika kapasitor diisi, kita gunakan persamaan berikut :
Vo(t ) = − E (e
Persamaan 6 adalan persamaan pengisian muatan pada kapasitor dan persamaan 13 adalah persamaan pengosongan muatan didalam kapasitor. Berikutnya dari persamaan 6 dan 13 peneliti merubah waktu terus menerus hingga didapatkan data – data yang ditampilkan dalam pembahasan.
−
t RC
− 1) = E (1 − e
−
t RC
Data I dari alat praktikum dan perumusan pengisian dan pengosongan muatan kami tampilkan dalam grafik bersama sebagai berikut : Capasitor Charge
) (6)
6
Rumusan pengosongan muatan listrik
5
Perhatikan gambar rangkaian yang berfungsi sebagai pengosong muatan pada kapasitor ini :
4
exsperiment
3
teo ri
2
1
0 0
20
40
60
80
100
Time (seco nd)
Gambar 8. Grafik pengisian muatan data I Gambar 7. Rangkaian pengosoangan muatan
i=
dQ dt
(8)
Subtitusikan persamaan 7
dV dC i=C +V dt dt V = i*R dV ⎞ ⎛ V = ⎜− C ⎟* R dt ⎠ ⎝ dV ⎛ t ⎞ = ⎜− ⎟dt V ⎝ RC ⎠
4
3
exsperiment teori 2
1
0 0
50
100
150
200
250
Time (sec ond)
(9) Gambar 9. Grafik pengosongan muatan data I (10) (11) (12)
Maka solusinya adalah :
⎛ t ⎞ Vo( t ) = Vo exp⎜ − ⎟ ⎝ RC ⎠
5
Voltage (V)
Dengan mengarahkan sakelar ke g maka, muataan yang berada di dalam kapasitor akan keluar melewati R hingga habis dengan memerlukan selang waktu tertentu. (7) q = C *V
Capasitor Discharge 6
(13)
Data II dari alat praktikum dan perumusan pengisian dan pengosongan muatan listrik dalam kapasitor kami tampilkan dalam grafik berikut :
Capasitor Charge 6
5
Voltage (V)
4 experiment teori
3
2
untuk pengambilan data. Dari tabel uji chi-kuadrat terlihat bahwa data – data pada alat mengalami deviasi data yang cukup tinggi pada saat proses pengosongan muatan didalam kapasitor hal ini terlihat dari uji chi-kuadrat bahwa besarnya nilai chi-kuadrat pada proses pengosongan lebih tinggi disbanding ketika proses pengisian muatan. Tetapi tingginya penyimpangan yang terjadi pada proses pengosongan masih dalam taraf wajar, hal ini terlihat dari masih diterimanya data-data itu dibawah tabel chi-kuadrat yang ada.
1
KESIMPULAN 0 0
20
40
60
80
100
120
Time (second)
Gambar 10. Grafik pengisian muatan data II Capasitor Discharge 6
5
4
Penelitian ini telah menghasilkan sebuah alat praktikum tegangan transien dimana data – data uji coba praktikum dan data – data secara teori dinyatakan identik setelah di uji Chi-kuadrat. Desain rangkaian yang dihasilkan ini dapat dimodifikasi dengan mengganti resistor (R) dan kapasitor (C), sehingga data – data yang didapat bisa berubah. UCAPAN TERIMA KASIH
exsperiment
3
teo ri
2
1
0 0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
Penelitian ini tidak dapat kami selesaikan tanpa bantuan bapak Nur Khoiri, M.Pd, M.T sebagai ketua jurusan pendidikan Fisika IKIP PGRI Semarang. Diana E.H dan Dinar Avilliani yang memberi semangat luar biasa.
Time (seco nd)
Gambar 11. Grafik pengosongan muatan data II Dari data I dan data kedua II oleh peneliti dilakukan uji Chi-Kuadrat dengan kriteria pengujiannya adalah : tolak H0 jika x2 ≥ x2(1-α) (k-1) dengan α = taraf nyata untuk pengujian5. Didalam hal lainnya H0 diterima. Setelah kami paparkan data kami memperoleh nilai Chi-Kuadrat dari kedua data yang kami tampilkan dalam tabel 2 dibawah ini. Ternyata data – data pengisian dan pengosongan terlihat identik dengan data teori yang berwarna merah. Dari tabel 2 terlihat bahwa semua nilai X2 dari experiment lebih kecil dari X2(1-α)(k-1) yang didapat dari tabel chi-kuadrat sehingga dapat dikatakan bahwa hipotesa H0 diterima atau dengan kata lain peralatan praktikum transien ini dapat digunakan
DAFTAR PUSTAKA [1] Tipler, P.A, 2001. Fisika Untuk Sains dan Teknik, edisi 3, (diterjemahkan oleh : Bambang Soegijono), Erlangga, Jakarta. [2] Halliday, D and Resnick, R, 1999. Fisika, edisi 3, (diterjemahkan oleh : Pantur silabam), Erlangga, Jakarta. [3] Kurniawan, W, 2008. Rancang Bangun Alat Praktikum Digital Basis TTL, Seminar Nasional Pendidikan Fisika, Semarang. [4] Saptaningrum, E dan Kurniawan, W. Model Labware Memanfaatkan Program Delphi Dengan Rancang Bangun Anatarmuka Berbasis PC Sebagai Model MBL, Seminar Nasional Pendidikan IPA ke-3, Bandung. [5] Sudjana, 1996. Metode Statistika, edisi 6, Tarsito, Bandung.
Tabel 2. Data uji Chi- Kuadrat data praktikum dan secara teori
Chi-kuadrat
Tabel
Chi-kuadrat
Tabel
Pengisian
Chi-kuadarat
Pengosongan
Chi-kuadrat
kapasitor
X2(1-α)(k-1)
Kapasitor
X2(1-α)(k-1)
X2 Data I
0,36
X2 113,1
40,47
α = 0,05 dk = 90
Data II
0,5
124,3
124,3 α = 0,05 dk = 169
60,5
α = 0,05 dk = 174
Gambar 2. Rangkaian antarmuka dengan komputer
Gambar 3. Rangkaian tegangan transien
124,3 α = 0,05 dk = 174
