TUGAS 1 SISTEM INSTRUMEN ELEKTRONIKA
NAMA
: NI WAYAN PUSPITASARI RONTHI
NIM
: 08224721
FAKULTAS
: TEKNOLOGI INDUSTRI
JURUSAN
: TEKNIK ELEKTRO – TELEKOMUNIKASI
A. PENGUAT JEMBATAN UNTUK SENSOR RESISTANSI Pendahuluan Termistor adalah alat atau komponen atau sensor elektronika yang dipakai untuk mengukur suhu. Prinsip dasar dari termistor adalah perubahan nilai tahanan/resistance jika suhu atau temperatur yang mengenai termistor ini berubah. Ada dua macam termistor secara umum: Posistor atau PTC (Positive Temperature Coefficient), dan NTC (Negative Temperature Coefficien). Nilai tahanan pada NTC akan turun jika suhunya naik, sementara PTC justru kebalikannya.
Prinsip Kerja Sebuah termistor (RT) dipasang pada permukaan yang diam guna memberikan kompensasi temperatur. Setiap perubahan dalam daya hantar termal medium ini akan mengubah laju dimana panas didisipasi dari termistor pengindera, yang berarti mengubah temperaturnya. Ini menghasilkan ketidakseimbangan jembatan yang dapat dikalibrasi dalam satuan-satuan yang sesuai. Rangkaian khas jembatan dengan thermometer tahanan RT pada lengan jembatan yang tidak diketahui ditunjukkan pada gambar 4-8 yang dieksitasi oleh arus bolak-balik. Tegangan sumber (suplai) bagi jembatan adalah cukup tinggi yang merupakan tegangan hasil output dari penguat untuk menaikkan termistor tersebut diatas temperatur sekelilingnya. Tegangan tidak setimbang pada rangkaian jembatan diumpankan ke sebuah penguat AC yang keluarannya mengahasilkan tegangan setimbang. Potensiometer menghubungkan tiga tahanan yang berlainan didalam rangkaian kemudian nilainya diubah-ubah sampai indikator jembatan menunjukkan nol. Bila karakteristik temperatur tahanan dari elemen termometer adalah linear, penunjukkan galvanometer dapat di interpolasi secara linier antara nilai-nilai temperatur referensi yang distel dan temperatur skala penuh.
B. RANGKAIAN DIODA SEBAGAI SENSOR TEMPERATUR
DIODA adalah sambungan bahan p-n yang berfungsi terutama sebagai penyearah. Bahan tipe-p akan menjadi sisi anode sedangkan bahan tipe-n akan menjadi katode. Bergantung pada polaritas tegangan yang diberikan kepadanya, diode bisa berlaku sebagai sebuah saklar tertutup (apabila bagian anode mendapatkan tegangan positif sedangkan katodenya mendapatkan tegangan negatif) dan berlaku sebagi saklar terbuka (apabila bagian anode mendapatkan tegangan negatif sedangkan katode mendapatkan tegangan positif). Karakteristik diode umumnya dinyatakan dengan grafik hubungan antara tegangan pada diode versus arus yang melewatinya sehingga disebut karakteristik tegangan-arus (V-I). Secara teoritis, hubungan antara tegangan dan arus diode dinyatakan oleh persamaan:
ID = IS (e
VD/η VT
- 1)
Keterangan: ID = arus diode, positif jika di dalam diode arahnya dari anode ke katode IS = arus mundur jenuh (10-8 s.d. 10-14 A) VT= tegangan kesetaraan suhu (volt), pada T=300oK, VT =26mV dan pada T=273oK, VT = 25mV η= koefisien emisi, antara 1 sampai dengan 2 dan untuk silikon pada arus normal mendekati 2 e= bilangannatural = 2,72 Karakteristik V-I Diode Secara Teoritik Dengan menggunakan persamaan karakteristik tersebut, dapat diperoleh tabel pengaruh tegangan diode (VD) terhadap arus yang melewatinya (ID) dengan asumsi Is=10nA, η=2, dan VT=26 mA sebagai berikut
Berdasarkan tabel diatas dapat digambarkan karakteristik diode seperti gambar dibawah. Terlihat pada VD=0,6V nilai ID kira-kira 100.000 kali Is atau ID≈1mA. Jika pada diode silikon ini arus sebesar 100 mA dianggap sedang, maka pada tegangan 0,6V arus sebesar 1mA adalah 1% terhadap arus 100mA tersebut. Pada tegangan dibawah 0,6V arus ID kurang dari 1% sehingga VD=0,6V disebut tegangan ambang atau threshold atau cut-in atau offset atau break point yang diberi lambang Vγ. Definisi letak Vγ tidak pasti karena disekitar Vγ kurvanya berupa garis lengkung dan tidak ada titik patah. Biasanya Vγ untuk diode silikon sekitar 0,6V dan untuk diode germanium kira-kira 0,2V.
Pengaruh Suhu Pada Karakteristik V-I Diode Menurut persamaan karakteristik diatas, perbedaan suhu T1 dan T2 dapat memberikan karakteristik yang berbeda seperti gambar dibawah 1. Jika diode pertemuan pn diberi tegangan maju konstan, maka suhu yang semakin tinggi menyebabkan arus diode semakin tinggi berubah dari ID1 ke ID2. 2. Jika diberi arus konstan, kenaikan suhu menyebabkan tegangan turun berubah dari VD1 ke VD2. Keadaan ini menjadikan diode pertemuan pn dapat dimanfaatkan sebagai sensor suhu.
C. RANGKAIAN ALTERNATIF UNTUK MENGUBAH ARUS MENJADI TEGANGAN PADA IC SENSOR TEMPERATUR
Pendahuluan IC LM35 adalah sebagai sensor suhu yang sangat teliti terkemas dalam bentuk Integrated Circuit, dimana output tegangan keluaran sangat linier berpadanan dengan perubahan suhu. Sensor ini mempunyai koefisien sebesar 10 mV/°C yang berarti bahwa setiap kenaikan suhu 1°C maka akan terjadi kenaikan tegangan sebesar 10 mV. LM35 tidak memerlukan pengkalibrasian atau penyetilan dari luar karena ketelitiannya sampai lebih kurang seperempat derajat celcius. Pada komponen ini mempunyai jangkauan (range) pengukuran suhu yang cukup besar, dari suhu –55°C sampai 150°C, serta tingkat ketelitian pengukuran cukup tinggi. Setiap perubahan suhu 1°C tegangan keluaran berubah sebesar 0,01 volt (10 mV). Komponen ini bekerja pada arus 450 mA sampai 5 mA serta mempunyai impedansi masukan kurang dari 1 W. Prinsip Kerja Sensor Sensor ialah device yang berfungsi sebagai pengukur suatu keadaan, misal pengukur temperatur, kelembaban, jarak, kualitas udara dan sebagainya. Pengkonversi data pada elektronika ialah suatu device yang mengubah besaran sinyal dari analog ke digital atau sebaliknya. Umumnya sinyal analog berasal dari suatu sensor, sinyal dc/ac lemah yang biasanya diperkuat oleh OP-AMP dan dirubah menjadi sinyal digital oleh perangkat pengkonversi data (ADC), atau sinyal digital yang umumnya sekitar 8-32 bit yang dirubah menjadi sinyal analog (DAC) untuk tujuan tertentu. LM35 dalam sensor temperatur yang cukup presisi dan mudah dikalibrasi. Dengan impedansi yang kurang dari 1 Ohm, LM35 beroperasi pada range arus sekitar 400µA sampai dengan 5 mA, mempunyai error kurang dari 1 OC untuk range yang > 100 OC, aplikasi sensor berkisar antaara –55 OC sampai + 150 OC, Dapat dikatakan bahwa LM35 memiliki output yang linear. Di dalam LM35 terdapat sebuah sambungan dengan sebuah pegangan untuk mengatur terminal untuk melakukan kalibrasi. Ketika T adalah sebuah temperatur yang tidak diketahui dan sementara To adalah temperatur referensi, dengan kalibrasi terhadap keluaran untuk membaca satu nilai temperatur dengan benar maka keluaran pada seluruh temperature akan bernilai benar. Berkenaan dengan pengaruh cahaya dan temperatur yang membuat elektron-elektron pada pita valensi akan melakukan pergerakan. Dalam dioda, elektron bergerak dari katoda ke anoda. Pergerakan ini menimbulkan perbedaan potensial dan menimbulkan arus listrik. Tegangan dan arus listrik inilah yang menjadi informasi pada sistem untuk melakukan analisis dengan menambahkan rangkaian op-amp untuk menguatkan sinyal dari sensor dan membandingkan antara informasi yang diterima dengan referensi
pada komparator sebagai pembanding apabila sistem menggunakan komparator. Atau menggunakan mikrokontroler, informasi yang diterima akan dibandingkan melalui software sehingga antara suhu yang terdeteksi dan suhu yang disetting akan membandingkan secara akurat. D. TERMOMETER INFRAMERAH Pendahuluan Termometer inframerah dapat mengukur suhu tanpa kontak fisik antara termometer dan obyek dimana suhu diukur. Termometer ditujukan pada permukaan obyek dan secara langsung memberikan pembacaan suhu. Alat ini sangat berguna untuk pengukuran di tungku atau suhu permukaan dan lain sebagainya. Termometer infra merah dapat digunakan untuk mengukur suhu dimana sensor konvensional tidak dapat digunakan atau tidak dapat menunjukkan pembacaan yang akurat, seperti sebagai berikut: a. Bila dibutuhkan pengukuran pada respon yang cepat, seperti pengukuran pada benda yang bergerak (contoh: rol, mesin bergerak atau belt conveyor). b. Bilamana pengukuran non kontak dibutuhkan karena adanya bahan pencemaran atau berbahaya (seperti: tegangan tinggi). c. Jarak yang terlalu jauh atau tinggi. d. Suhu yang terlalu tinggi untuk termokopel atau kontak sensor lainnya. e. Obyek dalam keadaan vakum atau pada kondisi atmosfir terkontrol lainnya. f. Obyek dikekelingi oleh medan listrik (seperti induksi panas) Prinsip Kerja Pengoperasi termometer non kontak atau termometer infra merah sangat sederhana. Termometer infra merah (seperti pistol) ditujukan langsung ke permukaan dimana suhu harus diukur. Hasil pengukuran dibaca secara langsung dari panel. Termokopel (termometer kontak) terdiri dari dua logam yang tidak sama, digabung menjadi satu pada ujungnya. Bila gabungan dua logam dipanaskan atau didinginkan, tegangan akan dihasilkan yang dapat dikorelasikan kembali kepada suhu. Probe dimasukkan kedalam aliran cairan atau gas untuk mengukur suhunya, misalnya: gas buang, udara auat air panas. Probe jenis daun digunakan untuk mengukur suhu permukaan. Pada hampir semua kasus, termokopel secara langsung memberikan pembacaan pada unit yang dihendaki (derajat Celsius atau Fahrenheit pada panel digital)
Gambar 1-1. Termometer Inframerah
Prinsip dasar termometer infra merah adalah bahwa semua obyek memancarkan energi infra merah. Semakin panas suatu benda, maka molekulnya semakin aktif dan semakin banyak energi infra merah yang dipancarkan. Termometer infra merah terdiri dari sebuah lensa yang fokus mengumpulkan energi infra merah dari obyek ke alat pendeteks/detektor. Detektor akan mengkonversi energi menjadi sebuah sinyal listrik, yang menguatkan dan melemahkan dan ditampilkan dalam unit suhu setelah dikoreksi terhadap variasi suhu ambien.
Prinsip kerja rangkaian sensor infra merah menggunakan foto transistor dan led infra merah. Foto transistor akan aktif apabila terkena cahaya dari led infra merah. Antara Led dan foto transistor dipisahkan oleh jarak. Jauh dekatnya jarak mempengaruhi besar intensitas cahaya yang diterima oleh foto transistor. Apabila antara Led dan foto transistor tidak terhalang oleh benda, maka foto transistor akan aktif. Transistor BC 547 akan tidak aktif karena tidak ada arus yang mengalir ke basis transistor BC 547. Karena transistor tersebut tidak aktif, maka tidak ada arus yang mengalir dari kolektor ke emitor sehingga menyebabkan transistor BD 139 tidak aktif dan outputnya berlogik ‘1’ dan Led padam. Apabila antara Led dan foto transistor terhalang oleh benda, foto transistor akan tidak aktif, sehingga transistor BC 547 akan aktif karena ada arus mengalir ke basis transistor BC 547. Dengan transistor dalam keadaan on, maka arus mengalir dari kolektor ke emitor sehingga menyebabkan transistor BD 139 on dan outputnya berlogik ‘0’ serta Led menyala.
E. PIEZOELECTRIC Pendahuluan Piezoelektrisitas adalah sebuah fenomena yang agak mirip dengan piezoresitas. Piezoelektrisitas adalah sebuah fenomena saat sebuah gaya yang diterapkan pada suatu segment bahan menimbulkan muatan listrik pada permukaan segmen tersebut atau dengan definisi lain suatu kemampuan yang dimiliki sebagian kristal maupun bahan-bahan tertentu lainnya yang dapat menghasilkan suatu arus listrik jika mendapatkan perlakuan tekanan. Prinsip Kerja Prinsip kerja dari sensor tekanan ini adalah mengubah tegangan mekanis menjadi sinyal listrik. Ukuran ketegangan didasarkan pada prinsip bahwa tahanan pengantar berubah dengan panjang dan luas penampang. Daya yang diberikan pada kawat menyebabkan kawat bengkok sehingga menyebabkan ukuran kawat berubah dan mengubah tahanannya. Sumber feonomena ini adalah adanya distribusi muatan listrik pada sel sel kristal. Pada kristal kwarsa bila ada gaya yang diterapkan pada sepanjang sumbu X pada kristal akan menimbulkan muatan positif dan negative pada sisi sisi yang berlawanan dari kristal sepanjang sumbu Z. Regangan (strain) yang disebabkan oleh gaya tersebut cenderung menimbulkan perpindahan fisis muatan dalam satuan. Polarisasi kristal ini mengakibatkan terjadinya akumulasi muatan yang tergantung pada persamaan berikut : Q (muatan ) = d F Pada kenyataanya, gaya adalah suatu besaran vektor, dan d (konstanta regangtan piezoelektrik) adalah suatu matrik 3 x 3. Gaya sepanjang sumbu akan meenghasilkan muatan di sepanjang sumbu x, y dan z. dengan muatan sumbu x diberikan oleh koefisien d11 matrik. Muatan sepanjang sumbu y diberikan oleh koefisien d21 dan begitu seterusnya. Koefisien pizoelektrik telah ditabelkan untuk beberapa bahan (terutama dalam bahan koefisien yang besar). Nilai koefisien muatan piezoelektrik berada pada rentang 1 – 100 pico coloumb/Newton. Aplikasi sensor pizoelektrik pada alat ultrasonography Sensor yang digunakan pada alat Ultrasonografi yakni sensor pizoelektrik, yang diletakkan pada komponen receiver yang menerima pantulan (refleksi) pola energi akustik yang dinyatakan dalam frekuensi. Sensor ini akan mengubah pergeseran frekuensi gelombang suara 1 – 3 MHz yang dipancarkan melalui transmitter pada jaringan tubuh dan kemudian gelombang tersebut dipantulkan (direfleksikan) oleh jaringan dan akan diterima oleh receiver dan selanjutnya diteruskan ke prosessor. Sensor pizoelektrik terdiri dari bagian seperti housing, clip-type spring, crystal, dan seismic mass. Prinsipnya yakni ketika frekuensi energi akustikyang dipantulkan diterapkan, maka clip-type spring yang terhubung dengan seismic mass akan menekan crystal, karena energi akustik tersebut disertai oleh gaya luar sehingga crystal akan mengalami ekspansi dan kontraksi pada frekuensi tersebut. Ekspansi dan kontraksi tersebut mengakibatkan lapisan tipis antara crystal dengan housing akan bergetar. Getaran dari crystal tersebut akan menghasilkan sinyal berupa tegangan yang nantinya akan diteruskan keprosesor.
