![Sistem Pengendali Elektronika [PDF]](https://pdfs.asia/img/200x200/sistem-pengendali-elektronika.jpg)
7 0 5 MB
KATA PENGANTAR
Buku bahan ajar program studi teknik elektronika indutri ini disusun untuk memenuhi salah satu tagihan Program Profesi Guru (PPG) Prajabatan 2017. Keseluruhan isi materi yang termuat dalam buku ini disesuaikan dengan Kompetensi Dasar (KD) untuk program studi teknik elektronika industri pada kurikulum 2013. Materi yang dibahas dalam buku ini memuat kompetensi dasar, indikator pencapaian kompetensi, tujuan pembelajaran, materi seputar kompetensi dasar, dan soal latihan untuk memberi tantangan bagi para pembaca untuk menguji tingkat pemahaman seputar materi yang telah dipelajari Penulis menyadari bahwa masih terdapat beberapa kekurangan dalam buku ini, namun demikian penulis berharap saran dan kritik yang membangun untuk perbaikan kedepannya mengenai bahan ajar terkhusus pada bahan ajar teknik elektronika.
Gowa, 23 Januari 2018
Penulis
ii
DAFTAR ISI HALAMAN JUDUL ........................................................................ KATA PENGANTAR ....................................................................... DAFTAR ISI ................................................................................... DAFTAR GAMBAR ........................................................................ BAB I TEKNIK KONTROL ............................................................... A. Defenisi Teknik Kontrol ................................................... B. Istilah Dalam Teknik Kontrol ........................................... C. Aksi Kontrol Dasar ........................................................... D. Jenis Teknik Kontrol ........................................................ E. Teknik Kontrol Terbuka (Open Loop) .............................. F. Teknik Kontrol Tertutup (Close Loop) ............................. G. Soal Latihan ..................................................................... H. Rangkuman ..................................................................... BAB 2 PENGATURAN PROPORSIONAL ........................................ A. Operational Amplifier (Op-Amp)..................................... B. Pengaturan P (Proportion) .............................................. C. Rangkaian Pengatur P (Proportion) ................................ D. Soal Latihan ..................................................................... E. Rangkuman ..................................................................... BAB 3 PENGATURAN INTEGRATION............................................ A. Pengatur Jenis I (Integration) .......................................... B. Rangkaian Pengatur Integration ..................................... C. Soal Latihan ..................................................................... D. Rangkuman ..................................................................... BAB 4 PENGATURAN DEFFERENSIAL ........................................... A. Pengatur Jenis D (Differensial) ........................................ B. Rangkaian Pengatur Differensial ..................................... C. Soal Latihan ..................................................................... D. Rangkuman ..................................................................... BAB 5 PENGATURAN PROPORSIONAL INTEGRATION ................. A. Pengaturan PI (Proportional Integration) ....................... B. Rangkaian Pengatur PI (Proportional Integration) ......... C. Soal Latihan ..................................................................... D. Rangkuman .....................................................................
i ii iii ix 1 2 3 4 4 7 9 10 10 11 12 15 16 22 22 24 25 26 32 32 33 34 35 41 42 43 44 45 47 47 iii
BAB 6 PENGATURAN PROPORSIONAL DIFERENTIAL ................... 48 A. Pengatur P D (Proportional Deferential)......................... 49 B. Aplikasi Pengatur P D (Proportional Deferential) ........... 50 C. Soal Latihan ..................................................................... 51 D. Rangkuman ..................................................................... 51 BAB 7 OPERATIONAL AMPLIFIER (OP-AMP) SEBAGAI PENGATUR PID ............................................................................................... 52 A. Pengertian Operasional Amplifier (Op-Amp) .................. 53 B. Simbol Operasional Amplifier (Op-Amp) ........................ 54 C. Rangkaian Dasar Operasional Amplifier (Op-Amp) Penguat Diferensial ......................................................... 54 D. Soal Latihan ..................................................................... 56 BAB 8 OP-AMP SEBAGAI PENGONTROL SUHU .......................... 57 A. Pengertian Sensor dan Transduser ................................. 58 B. Rangkaian Pembanding................................................... 58 C. Gerbang Logika................................................................ 60 D. Rangkaian Dimmer .......................................................... 60 E. Rangkaian Power Supplay ............................................... 61 F. Soal Latihan ..................................................................... 62 BAB 9 OP-AMP SEBAGAI PENGATUR KECEPATAN PUTARAN MOTOR DC .................................................................................. 63 A. Driver Motor DC PWM Daya Besar (High Current PWM Driver) ............................................................................. 64 B. Fungsi Tiap Bagian Driver Motor DC PWM Daya Besar (High PWM Driver) .......................................................... 64 C. Soal Latihan ..................................................................... 66 BAB 10 OPERATIONAL AMPLIFIER PADA RANGKAIAN PROTEKSI BEBAN LEBIH ............................................................................... 67 A. Pengertian Overload Motor Proteksi .............................. 68 B. Jenis Overload Motor Proteksi ........................................ 70 C. Pengaman Beban Lebih Catu Daya ................................. 71 D. Soal Latihan ..................................................................... 73 E. Rangkuman ..................................................................... 73 BAB 11 OPERATIONAL AMPLIFIER (OP-AMP) SEBAGAI PEMBANGKIT GELOMBANG ........................................................ 74
iv
A. Dimmer Lampu................................................................ 75 B. Prinsip Kerja Dimmer Lampu .......................................... 76 C. Soal Latihan ..................................................................... 77 D. Rangkuman ..................................................................... 77 BAB 12 OPERATIONAL AMPLIFIER (OP-AMP) SEBAGAI PEMBANGKIT PULSA WITDH MODULATION .............................. 78 A. Defenisi Pulsa Witdh Modulation (PWM) ....................... 79 B. Konsep Dasar Pulsa Witdh Modulation (PWM) .............. 79 C. Prinsip Kerja Pulsa Witdh Modulation (PWM) ................ 81 D. Soal Latiahn ..................................................................... 84 E. Rangkuman ..................................................................... 84 BAB 13 OP-AMP SEBAGAI PENGATUR KECEPATAN MOTOR AC . 85 A. Rangkaian Schmitt Trigger .............................................. 86 B. Rangkaian Single Driver Mosfet ...................................... 89 C. Pengatur Kecepatan Motor/PWM (Pulse Widht Modulation) .................................................................... 91 D. Motor AC sinkron ............................................................ 92 E. Cara Kerja Rangkaian Op-Amp Sebagai Pengatur Kecepatan Motor/PWM .................................................. 94 F. Rangkuman ..................................................................... 96 BAB 14 KONVERTER ADC KE DAC ................................................ 98 A. Rangkaian ADC ................................................................ 99 B. Jenis Rangkaian ADC ...................................................... 100 C. Karakteristik IC 0804 ...................................................... 104 D. Diagram Blok Proses ADC ............................................... 106 E. Rangkaian DAC ............................................................... 109 F. Jenis-jenis DAC ............................................................... 110 G. Karakteristik IC 0808 ...................................................... 113 H. Diagram Blok Proses DAC............................................... 115 I. Soal Latihan .................................................................... 118 J. Rangkuman .................................................................... 119 BAB 15 RANGKAIAN ADC MENGGUNAKAN JARINGAN RESISTOR .................................................................................... 121 A. Komponen Rangkaian ADC Dengan Menggunakan Jaringan Resistor ............................................................ 122
v
B. Diagram Blok Dari Rangkaian ADC Dengan Menggunakan Jaringan Resistor .................................... C. Cara Kerja Rangkaian ADC Dengan Menggunakan Jaringan Resistor ............................................................ D. Soal Latihan .................................................................... E. Rangkuman .................................................................... BAB 16 RANGKAIAN ADC MENGGUNAKAN OP-AMP ................ A. Komponen Rangkaian ADC Dengan Menggunakan Op-Amp .......................................................................... B. Jaringan resistor ............................................................. C. Operational Amplifier (Op-amp) .................................... D. Encoder .......................................................................... E. Cara Kerja Rangkaian ADC Dengan Menggunakan Op-Amp .......................................................................... F. Soal Latihan .................................................................... G. Rangkuman .................................................................... BAB 17 RANGKAIAN ADC MENGGUNAKAN COUNTER .............. A. Komponen Rangkaian ADC Dengan Menggunakan Counter Yang Diumpan Balikkan.................................... B. Operational Amplifier (Op-amp) .................................... C. Counter .......................................................................... D. D Flip-Flop ...................................................................... E. Cara Kerja Rangkaian ADC Dengan Menggunakan Counter Yang Diumpan Balikkan.................................... F. Soal Latihan .................................................................... G. Rangkuman .................................................................... BAB 18 RANGKAIAN SISTEM TERBUKA SECARA DIGIT ............... A. Sistem Kendali ................................................................ B. Sistem Pengendali Digital ............................................... C. Istilah-istilah Dalam Sistem Kendali digital .................... D. Cara Kerja Sistem Kendali Digital ................................... E. Diagram Blok Sistem Kendali Digital .............................. F. Soal Latihan .................................................................... G. Rangkuman .................................................................... BAB 19 LOOP TERBUKA DAN LOOP TERTUTUP ..........................
vi
126 126 128 128 130 131 131 132 135 138 139 139 141 142 142 144 147 149 151 151 153 154 156 157 159 160 161 161 162
A. Diagram Blok .................................................................. B. Sistem Kontrol ................................................................ C. Soal Latihan .................................................................... D. Rangkuman .................................................................... BAB 20 RANGKAIAN KONTROL................................................... A. Rangkaian Kontrol .......................................................... B. Cara Membuat Rangkaian Kontrol ................................. C. Cara Kerja Rangkaian Kontrol ........................................ D. Soal Latiha ...................................................................... E. Rangkuman .................................................................... BAB 21 PENGENDALI SECARA SISTEM DIGITAL .......................... A. Sistem Kendali Digital ..................................................... B. Soal Latihan .................................................................... C. Rangkuman .................................................................... BAB 22 PENGENDALI NUMERIK ................................................. A. Kendali Numerik ............................................................. B. Prinsip Dasar Kendali Numerik....................................... C. Soal Latihan .................................................................... D. Rangkuman .................................................................... BAB 23 DIAGRAM BLOK TEKNIK KONTROL ................................ A. Diagram Blok .................................................................. B. Sistem Kontrol ................................................................ C. Soal Latihan .................................................................... BAB 24 RANGKAIAN KONTROL................................................... A. Pengertian Rangkaian Kontrol ....................................... B. Cara Kerja Rangkaian Kontrol ........................................ C. Soal Latihan .................................................................... BAB 26 KOMUNIKASI DATA ........................................................ A. Sistem Komunikasi Data ................................................. B. Tujuan Komunikasi Data ................................................ C. Model Komunikasi Data ................................................. D. Jaringan Komputer ......................................................... E. Topologi Jaringan Komputer .......................................... F. Perangkat Komunikasi Data ........................................... G. Manfaat Jaringan Komunikasi Data ...............................
163 164 167 167 168 169 171 172 179 179 180 181 183 183 185 186 187 189 189 190 191 203 216 217 218 225 227 228 229 231 232 233 237 241 242
vii
H. Soal Latihan .................................................................... BAB 27 RANGKAIAN KONTROL DENGAN RELAY ........................ A. Pengenalan Relay Elektronik .......................................... B. Konstruksi Relai Elektro Mekanik Posisi NC (Normally Close) .............................................................................. C. Konstruksi Relai Elektro Mekanik Posisi NO (Normally Open).............................................................................. D. Prinsip Kerja Elektro Mekanis Magnetik (Dasar NO dan NC) ........................................................................... E. Gambar Bentuk dan Simbol Relay ................................. F. Soal Latihan .................................................................... G. Rangkuman ....................................................................
viii
243 245 246 248 249 251 254 259 259
DAFTAR GAMBAR Gambar Halaman 1.1 Diagram blok teknik kontrol.............................................. 3 1.2 Diagram Blok Teknik Kontrol terbuka (open loop)............ 7 1.3 Diagram Blok Teknik Kontrol loop tertutup (close loop) .. 9 2.1 Simbol operational amplifier ............................................ 12 2.2 bentuk fisik operational amplifier ..................................... 13 2.3 aplikasi kontrol proporsional ............................................ 15 2.4 respon kontrol proporsional ............................................ 16 2.5 rangkaian Op-Amp ........................................................... 17 2.6 rangkaian Op-Amp sebagai pengatur proporsional .......... 20 2.7 grafik respon pengatur proporsional ................................ 21 2.8 diagram blok respon pengatur proporsional .................... 22 3.1 contoh aplikasi kontroler Integration ............................... 26 3.2 rangkaian Op-Amp sebagai kontrol I (integrator) ............. 27 3.3 grafik respon sistem terhadap input tegangan ................. 28 3.4 blok diagram pengatur integration ................................... 31 4.1 contoh aplikasi pengatur differensial ............................... 35 4.2 rangkaian Op-Amp sebagai pengatur differensial ............ 36 4.3 grafik respon sistem terhadap input tegangan ................. 38 4.4 blok diagram pengatur differensia.................................... 41 5.1 contoh aplikasi pengatur proportional integration .......... 44 5.2 rangkaian Op-Amp sebagai pengatur proportional integration .............................................................................. 45 5.3 grafik respon sistem proportional integration terhadap input tegangan.................................................................................. 46 5.4 blok diagram pengatur proportional integration ............. 47 6.1 respon kontroler terhadap input ...................................... 49 6.2 contoh aplikasi kontrol proportional deferential ............. 50 6.3 blok diagram pengatur proportional deferential.............. 52 7.1 Simbol Operasional Amplifier (Op-Amp) .......................... 53 7.2 rangkaian dasar operasional amplifier.............................. 54 8.1 Rangkaian Power Supplay ................................................. 61 9.1 High Current PWM Driver ................................................. 64 10.1 Pengaman beban lebih catu daya ................................... 71 ix
11.1 prinsip kerja dimmer lampu ............................................ 12.1 Pulse width mudulation .................................................. 12.2 konsep dasar pulse width mudulation ............................ 12.3 kondisi 1 .......................................................................... 13.1 Data Sheet LM 324 .......................................................... 13.2 Rangkaian Schmiit Trigger ............................................... 13.3 Simbol dan Bentuk Mosfet Kanal N ................................ 13.4 Gelombang Kotak Pada PWM ......................................... 13.5 Konsep Pembentukan Tegangan PWM........................... 13.6 Motor AC Sinkron ............................................................ 913.7 Motor AC Sinkron .......................................................... 13.8 Gambar Rangkaian PWM dengan menggunakan Op-Amp ................................................................................... 14.1 Kecepatan Sampling ADC ................................................ 14.2 Rangkaian ADC Simultan ................................................. 14.3 Rangkaian Counter Ramp ADC ........................................ 14.4 Rangkaian SAR ADC ......................................................... 14.5 Timing Diagram Urutan Trace SAR ADC .......................... 14.6 Konstruksi pin IC 0804 ..................................................... 14.7 Diagram Blok Proses Rangkaian ADC .............................. 14.8 Proses Penculikan Pada Rangkaian ADC ......................... 14.9 Proses Pengkuantitasan Pada Rangkaian ADC ................ 14.10 Proses Pengkodean Pada Rangkaian ADC ..................... 14.11 Rangkaian DAC Menggunakan Inverting ...................... 14.12 Konveter DAC Menggunakan Resistor Dan Op-Amp .... 14.13 Konveter DAC Menggunakan R/2R Ladder ................... 14.14 Rangkaian Ekivalen Konveter DAC Menggunakan R/2R Ladder ..................................................................................... 14.15 Konfigurasi Pin IC 0808 ................................................. 14.16 Diagram Blok Proses DAC.............................................. 14. 17 Proses Pengkodean Rangkaian DAC............................. 14.18 Proses kerja dari pengkalkulasian dan pengkuantitasan pada DAC ................................................................................. 15.1 Data Sheet LM 324 .......................................................... 15.2 Rangkaian Komparator Sederhana .................................
x
75 79 80 81 86 88 90 91 92 93 94 96 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 116 117 118 124 125
15.3 Diagram blok ADC dengan menggunakan jaringan resistor .................................................................................... 15.4 Konveter DAC Menggunakan R/2R Ladder ..................... 15.5 Rangkaian Ekivalen Konveter DAC Menggunakan R/2R Ladder ..................................................................................... 16.1 Data Sheet LM 324 .......................................................... 16.2 Rangkaian Komparator Sederhana ................................. 16.3 Konfigurasi in IC 74147 ................................................... 16.4 kebenaran encoder gambar tabel................................... 16.5 Gambar Rangkaian Flash ADC ......................................... 17.1 Data Sheet LM 324 .......................................................... 17.2 Rangkaian Komparator Sederhana ................................. 17.3 Susunan Kaki IC 74LS90 ................................................... 17.4 Dasar D Flip-Flop ............................................................. 17.5 D Flip-Flop Dengan Enable .............................................. 17.6 Rangkaian Rangkaian ADC Dengan Menggunakan Counter Yang Diumpan Balikkan............................................. 18.1 Sistem Pengendalian Lup Terbuka .................................. 18.2 Sistem Pengendalian Lup Tertutup ................................. 18.3 Sistem Pengendalian Digital............................................ 19.1 Sistem Kontrol Loop Tertutup ......................................... 19.2 Setrika Listrik Otomatis ................................................... 19.3 Blok Diagram Sistem Kontrol Loop Tertutup Pada Setrika Listrik Otomatis ........................................................... 21.1 Diagram blok dari sistim kendali digital ikal tertutup. .... 22.1 Prinsip Dasar Kendali Numerik Mesin Frais .................... 23.1 Diagram blok sistem kontrol ........................................... 19.2 Sistem kontrol lingkar terbuka ........................................ 23.2 Sistem kontrol lingkar tertutup ....................................... 23.3 Keterangan diagram blok ................................................ 23.5 Titik lepas landas dan tidak melihat arah ...................... 23.6 Hubungan input dan output ........................................... 23.7 Sensing (error detector) ................................................. 23.8 Detail ranai kontrol ......................................................... 23.9 Ilustrasi beberapa contoh hardware pada aliran sinyal .
126 127 127 133 134 136 137 139 143 144 146 147 148 149 155 155 160 163 165 166 182 188 192 193 193 194 195 196 196 197 197
xi
23.10 Tata letak dan rangkaian pneumatik ............................ 23.11 Pembagian kontrol menurut DIN 19226 ....................... 23.12 Kontrol Waktu ............................................................... 23.13 Kontrol berurutan ......................................................... 2.14 Kontrol hubungan logika ................................................. 23.15 Pembedaan berdasar pemrograman ............................ 23.16 Kontrol Level Manual Cairan dalam Tangki .................. 23.17 Kontrol level otomatis cairan dalam tangki .................. 23.18 Instrumentasi untuk kontrol level otomatis ................. 23.19 Sistem Kontrol Lingkar Terbuka .................................... 23.20 Operasi Mesin Cuci ....................................................... 23.21 Sistem Loop Tertutup .................................................... 23.22 Proses Umpan Balik Pendingin Udara ........................... 24.1 Proses Umpan Balik Pendingin Udara ............................. 24.2 Rangkaian Kontrol ........................................................... 24.3 Kendali Pertama (a) dan Kendali Kedua (b) .................... 25.1 Proses komunikasi data .................................................. 25.2 Local Area Network (LAN) ............................................... 25.3 Metropolitan area network (MAN) ................................. 25.4 Wide Area Network ......................................................... 25.5 Global Area Network ....................................................... 26.1 Relay Elektro mekanik ..................................................... 26.2 Konstruksi relay elektro mekanik posisi NC (Normally Close) ....................................................................................... 26.3 Konstruksi relay elektro mekanik posisi NO (Normally Open)....................................................................................... 26.4 Relay dan Kontaktor ........................................................ 26.5 Tombol relay dan kontaktor ........................................... 26.7 Kontak internal pada relay .............................................. 26.8 Gambar Rangkaian Kontaktor ......................................... 26.9 Gambar bentuk relay dan simbol Relay .......................... 26.10 Struktur sederhana relay .............................................. 26.11 Jenis relay berdasarkan pole dan throw .......................
xii
198 199 200 201 201 202 205 206 207 208 209 211 214 218 220 224 232 234 235 236 237 247 248 249 251 252 253 254 254 255 258
BAB I
TEKNIK KONTROL
Kompetensi Dasar 3.1 Menerapkan lingkup teknik kontrol berdasakan gambar blok diagram Indikator Pencapaian Kompetensi 3.1.1 Menjelaskan defenisi teknik kontrol 3.1.2 Mengklasifikasikan teknik kontrol 3.1.3 Menyebutkan jenis aksi kontrol dasar 3.1.4 Menentukan jenis teknik kontrol berdsarkan gambar blok diagram Tujuan Pembelajaran 1. Menjelaskan defenisi teknik kontrol 2. Mengklasifikasikan jenis teknik kontrol 3. Menyebutkan jenis-jenis aksi kontrol dasar 4. Menentukan jenis teknik kontrol berdasarkan gambar blok diagram
1
A. Defenisi Teknik Kontrol Tidak bisa dipungkiri bahwa kehadiran teknik kontrol dan kontrol otomatis di masyarakat industri sangat dibutuhkan. Tanpa disiplin ilmu ini, teknologi pada hari ini dan hari-hari mendatang sulit dijelaskan. Sistem kontrol dibutuhkan pada semua cabang teknik. Pengembangan yang terus-menerus dibidang ini menjadi kebutuhan yang utama. Untuk memungkinkan adanya kolaborasi pada skala yang lebih luas, maka keseragaman bahasa sangat penting, meliputi ketepatan definisi suatu istilah harus dijelaskan dan secara universal sesuai dengan prinsip-prinsip dasar teknik kontrol. Teknik
kontrol
berkaitan
dengan
pemahaman
dan
pengontrolan bahan dan kekuatan alam untuk kepentingan umat manusia. Tujuan pemahaman dan kontrolan saling melengkapi karena teknik kontrol yang efektif mensyaratkan bahwa sistem dapat dipahami dan dimodelkan. Selain itu, teknik kontrol harus mempertimbangkan sistem yang sulit dipahami seperti sistem proses kimia. Tantangan saat ini untuk pengontrolan adalah pemodelan dan pengontrolan modern, kompleks, sistem yang saling terkait seperti sistem kontrol lalu lintas, proses kimia, dan sistem robot.
2
Masukan
Keluaran Proses/Plan Gambar 1.1 Diagram blok teknik kontrol
Secara sederhana penjabaran teknik kontrol dilihat melalui gambar diagram 1.1 di atas. Teknik kontrol didasarkan pada dasardasar teori umpan balik dan analisis sistem linear, dan mengintegrasikan
konsep-konsep
teori
jaringan
dan
teori
komunikasi. Oleh karena itu teknik kontrol tidak terbatas pada disiplin ilmu saja tapi berlaku juga untuk teknik aeronautika, kimia, mekanik, lingkungan, sipil, dan listrik. Sebuah sistem kontrol adalah sebuah interkoneksi dari komponen membentuk konfigurasi sistem yang akan memberikan respon sistem yang diinginkan. Dasar analisis sistem adalah dasar yang disediakan oleh teori sistem linear, yang mengasumsikan hubungan sebab-akibat untuk komponen sistem. B. Istilah-istilah Dalam Teknik Kontrol Terdapat beberap istilah yang dapat ditemui pada teknik kontrol, istilah-istilah tersebut antara lain: 1. Masukan atau input adalah rangsangan dari luar yang diterapkan ke sebuah sistem kendali untuk memperoleh tanggapan tertentu dari sistem pengaturan. 2. Keluaran atau output adalah tanggapan sebenarnya yang didapatkan dari suatu sistem kendali. 3
3. Plant adalah seperangkat peralatan yang bekerja untuk melakukan suatu operasi tertentu. 4. Proses yaitu berlangsungnya operasi pengendalian suatu variabel proses, misalnya proses kimiawi, fisika, biologi, ekonomi, dan sebagainya. 5. Diagram blok yaitu bentuk kotak persegi panjang yang digunakan untuk mempresentasikan model matematika dari sistem fisik. 6. Fungsi alih yaitu perbandingan antara keluaran (output) terhadap masukan (input) suatu sistem pengendalian. C. Aksi Kontrol Dasar Terdapat beberapa macam aksi dalam sebuah proses kontrol, baik dalam kontrol loop terbuka maupun kontrol loop tertutup antara lain: 1. Proportional 2. Integral 3. Proportional Integral 4. Proportional Derivative 5. Proportional plus Integral plus Derivative D. Jenis Teknik Kontrol Secara umum teknik kontrol terbagai menjadi beberapa jenis, adapun pembagian jenis teknik kontrol tersebut sebagai berikut:
4
1. Dengan operator (manual) dan otomatik. Teknik kontrol manual adalah pengontrolan yang dilakukan oleh manusia yang bertindak sebagai operator. Contoh teknik kontrol manual dalam kehidupan sehri-hari seperti pada pengaturan suara radio, televisi, cahaya layer televisi, pengaturan aliran air melalui keran, pengendalian kecepatan kendaraan, dan lain-lain. Sedangkan sistem kontrol otomatik adalah pengontrolan yang dilakukan oleh peralatan yang bekerja secara otomatis dan operasinya
dibawah
pengawasan
manusia
dimana
pengaplikasiannya banyak ditemui dalam proses industri (baik industri proses kimia dan proses otomotif), pengendalian pesawat, pembangkit tenaga listrik dan lain-lain. 2. Teknik kontrol tertutup (closed-loop) dan teknik kontrol terbuka (open-loop). Teknik kontrol terbuka (Open Loop) adalah pengontrolan di mana besaran keluaran tidak memberikan efek terhadap besaran masukan,
sehingga
variable
yang
dikontrol
tidak
dapat
dibandingkan terhadap harga yang diinginkan. Sedangkan teknik kontrol jaringan tertutup (Closed Loop) adalah sistem pengontrolan dimana besaran keluaran memberikan efek terhadap besaran masukan, sehingga besaran yang dikontrol dapat dibandingkan terhadap harga yang diinginkan. Selanjutnya, perbedaan harga yang terjadi antara besaran yang dikontrol dengan harga yang
5
diinginkan digunakan sebagai koreksi yang merupakan sasaran pengontrolan. 3. Kontinu (analog) dan diskontinu (digital, diskrit). a. Kontinu (analog)
Pengendalian jenis analog ini dapat dibagi menjadi: a. Kesebandingan (proportional)(P), yaitu sistem kendali yang mempunyai keluaran sebanding dengan penyimpangan (deviasi), contoh: pengendalian uap melalui katup, transmitter tekanan, dan lain-lain. b. Integral (I), yaitu sistem kendali yang keluarannya selalu berubah selama terjadi penyimpangan, dan kecepatan perubahan keluaran tersebut sebanding dengan penyimpangan (proportional speed floating control), contoh: aras cairan di dalam tangki, sistem tekanan gas. c. Diferensial (D). d. Kombinasi P, I, dan D. b. Diskontinu (digital).
Pengendalian ini dilakukan oleh komponen-komponen diskrit dan dapat dibagi atas: a. Pengendalian dengan dua posisi (bang-bang control), misalnya: rele, saklar On-Off, termostat, dan lain-lain, pengendalian jenis ini bersifat osilasi. b. Posisi ganda, misalnya saklar pemilih (selector switching). Keuntungannya mengurangi osilasi. c. Floating: pada posisi yang relatif tidak terbatas. Pada jenis ini pemindahan energi dapat dilakukan melalui salah satu dari beberapa kemungkinan yang ada
6
4. Servo dan regulator. Sebuah regulator adalah bentuk lain dari pada servo, perbedaan utama antara servo dengan regulator adalah pada regulator diberi sinyal tambahan (sinyal gangguan, u) sehingga akan menghasilkan keluaran yang berbeda dengan servo. E. Teknik Kontrol terbuka (open loop) 1. Pengertian Teknik Kontrol terbuka (open loop) Teknik kontrol loop terbuka (open loop) adalah teknik kontrol yang sinyal keluarannya tidak berpengaruh terhadap aksi pengendaliannya. Dalam hal ini sinyal keluaran tidak diukur atau diumpanbalikan untuk dibandingkan dengan sinyal masukannya. Contoh dari kontrol loop terbuka adalah operasi mesin cuci. Penggilingan pakaian, pemberian sabun, dan pengeringan yang bekerja sebagai operasi mesin cuci tidak akan berubah (hanya sesuai dengan yang diinginkan seperti semula) walaupun tingkat kebersihan pakaian (sebagai keluaran sistem) kurang baik akibat adanya faktor-faktor yang kemungkinan tidak diprediksikan sebelumnya.
Gambar 1.2 Diagram Blok Teknik Kontrol terbuka (open loop)
7
Keluaran pada teknik kontrol terbuka tidak dapat dibandingkan dengan masukan acuan. Jadi, untuk setiap masukan acuan berhubungan dengan operasi tertentu, sebagai akibat ketetapan dari sistem tergantung kalibrasi. Dengan adanya gangguan, sistem kontrol terbuka tidak dapat melaksanakan tugas yang sesuai diharapkan. Sistem kontrol terbuka dapat digunakan hanya jika hubungan antara masukan dan keluaran diketahui dan tidak terdapat gangguan internal maupun eksternal. Contoh pengaplikasian teknik kontrol terbuka antara lain dispenser. 2. Ciri-ciri Teknik Kontrol terbuka (open loop) 1) Sederhana 2) Harganya murah 3) Dapat dipercaya 4) Kurang akurat karena tidak terdapat koreksi terhadap kesalahan 5) Berbasis waktu
8
F. Teknik Kontrol tertutup (close loop) 1. Pengertian Teknik Kontrol tertutup (close loop) Teknik kontrol loop tertutup (closed-loop) adalah teknik kontrol yang sinyal keluarannya mempunyai pengaruh langsung terhadap aksi pengendaliannya. Dengan kata lain, teknik kontrol loop tertutup adalah teknik kontrol berumpan-balik.
Gambar 1.3 Diagram Blok Teknik Kontrol loop tertutup (close loop)
Gambar 1.3 diatas menunjukan hubungan masukan dan keluaran dari sistem kontrol loop tertutup. Jika dalam hal ini manusia bekerja sebagai operator, maka manusia ini akan menjaga sistem agar tetap pada keadaan yang diinginkan, ketika terjadi perubahan pada sistem maka manusia akan melakukan langkahlangkah awal pengaturan sehingga sistem kembali bekerja pada keadaan yang diinginkan. Control penerapan teknik kontrol kontrol loop tertutup (closed-loop) adalah AC. 2. Cici-ciri Teknik Kontrol tertutup (close loop) Dibandingkan dengan teknik kontrol loop terbuka, teknik kontrol loop tertutup memang lebih rumit, mahal dan sulit dalam desain. Akan tetapi, tingkat kestabilannya yang relatif konstan dan tingkat kesalahannya yang kecil bila terdapat gangguan dari luar.
9
G. Soal Latihan 1. Jelaskan defenisi teknik kontrol! 2. Sebutkan 5 aksi kontrol dasar! 3. Klasifikasikan jenis teknik kontrol 4. Tentukan 3 contoh pengaplikasian dari teknik kontrol berdasarkan blok diagram di bawah:
5. Tentukan 3 contoh pengaplikasian dari teknik kontrol berdasarkan blok diagram di bawah:
H. Rangkuman 1. Teknik kontrol berkaitan dengan pemahaman dan pengontrolan bahan dan kekuatan alam untuk kepentingan umat manusia. Tujuan pemahaman dan kontrolan saling melengkapi karena teknik kontrol yang efektif mensyaratkan bahwa sistem dapat dipahami dan dimodelkan. 2. Teknik kontrol dapat dibedakan menjadi teknik kontrol tertutup (closed-loop) dan teknik kontrol terbuka (open-loop).
10
BAB 2
PENGATUR PROPORSIONAL
Kompetensi Dasar KD 3.2 Menerapkan operational amplifier (Op-Amp) sebagai pengatur P (proportion) Indikator Pencapaian Kompetensi 3.2.1 Menyebutkan karakteristik operational amplifier (Op-Amp) 3.2.2 Menjelaskan prinsip kerja pengaturan P (proportion) 3.2.3 Menggambarkan diagram blok pengatur P (proportion) 3.2.4 Menghitung tegangan keluaran rangkian operational amplifier (Op-Amp) sebagai pengatur P (proportion)
Tujuan Pembelajaran Setelah siswa telah mempelajari materi 1. Menyebutkan karakteristik operational amplifier (Op-Amp) 2. Menjelaskan prinsip kerja pengaturan P (proportion) 3. Menggambarkan diagram blok pengatur P (proportion) dengan rapi 4. Menggunakan operarational amplifier sebagai pengatur P (proportion)
11
A. Operational Amplifier (Op-Amp) 1. Pengertian Operational mplifier (OP-Amp) Penguat Operasional atau Operational Amplifier (biasa dikenal dengan Op-Amp) merupakan sebuah komponen elektronika yang tersusun dari resistor, diode, dan transistor. Penyusunan dari Op-Amp tersebut disusun dalam sebuah rangkaian yang terintegrasi atau yang biasa dikenal dengan Integrated Circuit (IC). Op-Amp dalam aplikasinya biasa digunakan sebagai penguat. Pada rangkaian, Op-Amp biasa dilambangkan seperti pada gambar 2.1. Pada gambar 2.1 dapat dilihat bahwa terdapat dua buah input, yaitu input inverting dan noninverting. Pada gambar 2.1 tersebut, terdapat pula dua sumber masukan sebagai sumber daya dari OpAmp tersebut, yaitu tegangan positif (+Vcc) dan tegangan negative (- Vee).
Gambar 2.1 Simbol operational amplifier
12
Secara fisik, rangkaian operatiol amplifier dapat di lihat pada gambar 2.2 yang ada di bawah:
Gambar 2.2 bentuk fisik operational amplifier
Operatiol amplifier dalam praktiknya dirangkai dengan konfigurasi yang bermacam-macam dan dalam kondisi “closed loop” mempunyai penguatan yang sangat tinggi (very high) dan hanya untuk sinyal yang lebih kecil (dalam orde mikrovolt atau lebih kecil lagi) dengan frekuensi yang sangat rendah dikuatkan secara akurat tanpa distorsi. Untuk sinyal-sinyal yang sekecil ini sangat mudah terkena noise dan tak mungkin didapatkan pada suatu laboratorium. Disisi lain penguatan tegangannya selain besar, juga tidak
konstan.
Penguatan
tegangannya
bervariasi
dengan
perubahan suhu dan sumber daya (sumber tegangan). Variasi penguatan tegangan ini relatif besar untuk kondisi “open loop”, sehingga untuk penggunaan atau aplikasi rangkaian linier tak mungkin. Hal ini disebabkan kebanyakan aplikasi linier outputnya proporsional terhadap inputnya dari tipe OP-AMP yang sama.
13
Untuk dapat memahami sistem kerja dari Op-Amp, maka perlu diketahui terlebih dahulu beberapa sifat-sifat Op-Amp ideal, yaitu : a. Perbedaan tegangan input (Vdm) = 0 b. Arus input Op-Amp (ia) = 0 c. Penguat lingkar terbuka (AVOL) tak berhingga. d. Hambatan keluaran lingkar terbuka (Ro,ol) nol. e. Hambatan masukan lingkar terbuka (Ri,ol) tak berhingga. f. Lebar pita (bandwidth) tak berhingga atau ∆f tak berhingga g. Common Mode Rejection Ratio (CMRR) tak berhingga. 2. Fungsi Operational Amplifier (OP-Amp) Penguat operasional atau sering disebut OpAmp merupakan komponen elektronika yang berfungsi untuk memperkuat sinyal arus searah (DC) maupun arus bolak-balik (AC). Penguat operasional terdiri atas transistor, resistor dan kapasitor yang dirangkai dan dikemas dalam rangkaian terpadu (Intregated Circuit). Dalam penggunaannya Op-Amp dibagi menjadi dua jenis yaitu penguat linier dan penguat tidak linier. Penguat linier merupakan penguat yang tetap mempertahankan bentuk sinyal masukan, yang termasuk dalam penguat ini antara lain penguat non inverting, penguat inverting, penjumlah diferensial dan penguat instrumentasi. Sedangkan penguat tidak linier merupakan penguat yang bentuk sinyal keluarannya tidak sama dengan bentuk sinyal
14
masukannya, diantaranya komparator, integrator, diferensiator, pengubah bentuk gelombang dan pembangkit gelombang. B. Pengatur P (proportion) Kontroler Proporsional memiliki karakteristik bahwa outputnya berupa variabel yang dikontrol berubah sebanding (Proporsional) dengan inputnya yang berupa variabel selisih (error) antara masukan acuan (reference) dengan variabel termanipulasi atau output nyata dari plant. Aplikasi kontroler proporsional misalnya pada pengaturan tinggi permukaan air seperti pada gambar 2.2. Buka tutup katup akan sebanding dengan posisi pelampung yang mengukur selisih antara tinggi permukaan air yang diinginkan (referensi) dengan tinggi air sesungguhnya (x). Apabila tinggi air sesungguhnya sangat rendah maka katup akan membuka lebar-lebar, sebaliknya apabila tinggi
air
sesungguhnya
melebihi
tinggi
air
acuan
maka katup akan menutup sekecil mungkin.
Gambar 2.3 aplikasi kontrol proporsional
15
Respon sistem kontrol dengan kontroler proporsional diperlihatkan pada gambar 2.4. Hubungan antara variabel yang dikontrol y dengan error e dinyatakan dengan bentuk persamaan linier dengan konstanta kesebandingan (proporsional) KRP.
Gambar 2.4 respon kontrol proporsional Dimana:
C. Rangkaian operarational amplifier sebagai pengatur P (proportion) Sifat dari pengatur P yaitu bahwa sinyal output pada rangkaian pengatur P ini adalah berbanding lurus dengan sinyal inputnya, sehingga secara matematis dapat ditulis: 𝐸𝑜𝑢𝑡 = 𝐴𝑣 . 𝐸𝑖𝑛 𝐴𝑣 =
𝐸𝑜𝑢𝑡 𝐸𝑖𝑛
Dimana 𝐴𝑣 ini adalah factor penguatan dari pengatur ini, artinya apabila tegangan input berubah secara linier maka tegangan outputnya akan berubah secara linier pula. Perhatikan 16
rangkaian pengatur P seperti yang diperlihatkan pada gambar berikut ini. R2
R3 If
R1 + I in
_
E in
E Out
1.1 Op-Amp GambarGambar 2.5 rangkaian
Dari rangkaian di atas dapat diperoleh turunan sebagai berikut:
𝐸𝑖𝑛 = 𝐼𝑖𝑛 . 𝑅1 …………………………………… 𝐼𝑖𝑛 =
𝐸𝑖𝑛 𝑅1 𝐸𝑜𝑢𝑡
𝐸𝑜𝑢𝑡 = 𝐼𝑓 (𝑅2 + 𝑅3 ) …………………………… 𝐼𝑓 = 𝑅
2 + 𝑅3
Selanjutnya karena 𝐼𝑖𝑛 = 𝐼𝑓 maka: 𝐸𝑖𝑛 𝑅1
𝐸𝑜𝑢𝑡
=𝑅
2 + 𝑅3
Sehingga:
17
𝐸𝑜𝑢𝑡 𝐸𝑖𝑛
=
𝑅2 + 𝑅3 𝑅1
Kemudian karena: 𝐸𝑜𝑢𝑡 𝐸𝑖𝑛
= 𝐴𝑣
Maka 𝐴𝑣 =
𝑅2 + 𝑅3 𝑅1 Besarnya 𝐴𝑣 atau faktor penguatan ini pada sistem
pengaturan disebut dengan koefisien kerja proporsi dengan singkatan 𝐾𝑝 sehinga dalam hal ini
𝐾𝑝 =
𝑅2 + 𝑅3 𝑅1
Selanjutnya dalam sistem pengaturan yang memakai rangkaian pengatur P akan selalu ada selisih statis, dimana selisih statis ini tidak dapat dihilangkan sebab sistem pengaturannya dikendalikan oleh selisih ini. Namun selisih statis ini akan semakin kecil jika koefisien kerja proporsi atau penguatnnya semakin besar. Selisih statis ini pada sistem penguatan dikenal sebagai deviasi dari sistem tersebut yang disingkat dengan e, dimana:
18
e = tegangan input – tegangan feedback
sehingga 𝑒 = 𝑤 − 𝑋𝑟 dimana: 𝑒
= Deviasi
𝑤
= Tegangan input
𝑋𝑟
= Tegangan feedback
𝑤
= −𝐸1
𝑋𝑟
= 𝐸2
Selanjutnya karena
Maka 𝑒 = −𝐸1 − 𝐸2
Selanjutnya perhatikan rangkaian dibawah ini:
19
R2=100 k
R1= 10 k +
V in
_ V Out V ref
Gambar 1.2
Gambar 2.6 rangkaian Op-Amp sebagai pengatur proporsional
Besarnya tegangan output, seperti yang sudah dijelaskan di atas ditentukan oleh besarnya tahanan feedback, sehingga oleh karena itu pada terminal inverting (-) dan terminal non inverting (+) terdapat tegangan yang hamper sama. Selanjutnya karena R1 = 10 K, R2 = 100 K dengan tegangan Vref = 2 Volt, maka pada outputnya akan timbul tegangan yang cukup besar sehingga pada terminal inverting (-) terdapat tegangan kira-kira sebesar 2 Volt. Kemudian jika Vin = 1,8 Volt maka pada R1 akan terdapat turun tegangan (Drop tegangan) sebesar 0,2 Volt. Selanjutnya karena R 2 = 10 x R1 , maka pada R2 akan terdapat pula turun tegangan sebesar 2 Volt. Arus yang mengalir lewat R1 dan R 2 mempunyai arah dari kanan ke kiri sehingga terminal sebelah kana pada R2 adalah positif. Besarnya tegangan output Vout adalah penjumlahan dari tegangan pada R 2 dan tegangan pada pada terminal inverting, sehinggan Vout = 2 + 2 = 4 Volt. Rangkaian di atas akan lebih nyata apabila kita buat semacam table dengan kondisi sebagai berikut:
20
Kalau
Vin = 1,9 Volt
maka
Vout = 3
Vin = 2 Volt
maka
Vout = 2
Vin = 2,1 Volt
maka
Vout = 1
Vin = 2,2 Volt
maka
Vout = 0
Vin = 2,3 Volt
maka
Vout = -
Volt
Volt
Volt
Volt
1 Volt
Dari harga Vin dan Vout di atas apabila dibuat grafiknya maka hasilnya adalah seperti yang digambarkan di bawah ini: V Out 4 3
2
1 2,3 V in 1,9
2
2,1
2,2
-1
Gambar 1.3
Gambar 2.7 grafik respon pengatur proporsional
Dari grafik di atas ternyata bahwa perubahan tegangan output adalah berbanding lurus dengan perubahan pada tegangan
21
inputnya, karena itu rangkaian seperti diatas disebut sebagai rangkaian pengatur proporsi (Pengatur P). Y X
Y X
Gambar 2.8 diagramGambar blok respon1.4 pengatur proporsional
D. Soal Latihan 1. Sebutkan fungsi dari operational amplifier (Op-Amp)! 2. Gambarkan diagram blok pengaturan P (proportion)! 3. Jelaskan prinsip kerja pengaturan P (proportion)!
4. Hitung besarnya tegangan output jika pada penguat inverting diketahui besarnya tegangn input sebesar 0,5 Volt dengan tahanan inputnya sebesar 20 KΩ dan tahanan feedback sebesar 100 KΩ! E. Rangkuman 1. Op-Amp merupakan komponen elektronika yang berfungsi untuk memperkuat sinyal arus searah (DC) maupun arus bolakbalik (AC). 2. Kontrol proporsional dapat digambarkan dalam diagram blok seperti pada gambar di bawah: Y X
Y X
Gambar 1.4
22
3. Kontroler Proporsional memiliki karakteristik bahwa outputnya berupa
variabel
yang
dikontrol
berubah
sebanding
(Proporsional) dengan inputnya yang berupa variabel selisih (error) antara masukan acuan (reference) dengan variabel termanipulasi atau output nyata dari plant.
23
BAB 3
PENGATUR INTEGRATION
Kompetensi Dasar KD 3.3 Menerapkan operational amplifier (Op-Amp) sebagai pengatur I (Integration) Indikator Pencapaian Kompetensi 3.3.1 Menjelaskan karakteristik pengatur jenis I (Integration) 3.3.2 Menggambarkan diagram blok pengatur jenis I (Integration) 3.3.3 Menghitung tegangan output pada rangkaian pengatur D (Differensial)
Tujuan Pembelajaran 1. Menjelaskan karakteristik pengatur jenis I (Integration) 2. Menggambarkan diagram blok pengatur jenis I (Integration) dengan rapi 3. Menggunakan
operational amplifier (Op-Amp) sebagai
pengatur I (Integration)
24
A. Pengatur Jenis I (Integration) Laju perubahan (kecepatan) nilai output dari kontroler integral sebanding dengan nilai inputnya. Input sistem berupa variabel selisih (error) antara masukan acuan (referensi) dengan variabel termanipulasi atau output nyata dari plant. Jadi, jika selisih acuan dengan output nyata besar maka perubahan nilai output juga besar, artinya aktuator akan “mengejar” selisih tersebut, sehingga diharapkan selisihnya semakin kecil. Dibandingkan dengan kontroler proporsional, pemakaian kontroler Integration relatif lebih baik dalam hal memperkecil selisih antara masukan acuan dengan output nyata. Dengan demikian, kontroler Integration akan mendorong sistem yang dikontrol (plant) untuk mencapai output yang diinginkan, sehingga selisih (error) nya semakin kecil. Aplikasi kontroler Integration ini misalnya pada pengaturan level permukaan air yang melibatkan motor sebagai komponen aktuatornya, seperti diperlihatkan pada gambar 3.1 di bawah.
25
Gambar 3.1 contoh aplikasi kontroler Integration Dalam sistem tersebut, operasi buka tutup katup dilakukan oleh motor listrik. Torsi motor yang dihasilkan bergantung kepada nilai selisih antara acuan (yh) dengan output nyata (y) yang diukur melalui pelampung. Semakin besar selisih tersebut, yaitu apabila kecepatan
berkurangnya
air
semakin
besar
(misalnya
saat pemakaian air yang banyak), maka torsi motor akan semakin besar dan mempercepat buka katup, sehingga air akan semakin banyak mengalir. Dengan demikian diharapkan tangki air akan terisi air lagi secara cepat sampai ketinggian yang diinginkan. B. Rangkaian operational amplifier (Op-Amp) sebagai pengatur I (Integration) Rangkaian
operational
amplifier
sebagai
pengatur
integration dapat dilihar pada gambar rangkaian 3.2 di bawah:
26
C
R -
V in
+ V Out V ref
2.1 kontrol I (integrator) Gambar Gambar 3.2 rangkaian Op-Amp sebagai
Apabila sinyal inputnya berupa gelombang segiempat (square wave) maka pada outputnya akan berubah secara linier. Arus akan mengalir melalui R hanya apabila Vin tidak sama dengan Vref dimana arus ini akan mengisi muatan pada kondensator C. Selanjutnya apabila tegangan pada R adalah tetap atau konstan maka arus pengisian muatan pada kondensator juga akan konstan karena itu tegangan pada kondensator akan berubah secara linier pula. Untuk lebih jelasnya perhatikan gambar 3.3 di bawah ini:
27
V in 4 3 2 1 0
0.2
1.0
t
V in 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0
0.2
1.0
t
Gambar 3.3 grafik respon sistem Gambar 2.2 terhadap input tegangan
Dari rangkaian di atas, apabila R = 100 K, C = 1 µF, dan Vin = 3 Volt serta Vref = +3 Volt dengan kondisi kondensator dianggap masih kosong, maka prinsip kerja dari rangkaian tersebut adalah sebagai berikut: a. Mula-mula Vin = Vref sehingga pada rangkaian tersebut tidak mengalir arus, karena itu kondensator belum ada pengisian muatan. Karena Vc = 0 maka Vout = Vin = Vref = 3 Volt. b. Pada saat T0 , Vin = 4 Volt dan tetap selama 0,2 detik. Selama 0,2 detik ini besarnya arus yang mengalir pada R adalah: 28
𝐼=
𝑉𝑖𝑛 − 𝑉𝑟𝑒𝑓 4−3 = = 10µ𝐴 𝑅 100 𝐾
Arus ini adalah tetap atau konstan serta akan mengisi muatan pada kondensator, sehingga terminal sebelah kiri dari kondensator ini menjadi bermuatan positif dan terminal sebelah kanannya berpolaritas negatif. c. Selama 0,2 detik tersebut banyaknya muatan yang terdapat pada kondensator adalah: Q=I.t = 10 µA . 0,2 detik = 10 . 10−6 x 0,2 = 2 µ Coloumb Karena itu besarnya tegangan pada kondensator adalah:
𝑉𝑐 =
𝑄 𝐶
=
2.10−6 1.10−6
= 2 Volt
d. Selanjutnya pada saat t = 0,2 detik, berlaku: Vout = Vref − 𝑉𝑐 =3−2 = 1 Volt dimana pada saat ini ( saat t = 0,2 detik), Vin menjadi sebesar 2 Volt, sehingga arus yang mengalir pada R adalah:
29
𝑉𝑖𝑛 − 𝑉𝑟𝑒𝑓 2−3 = = −10µ𝐴 𝑅 100 𝐾
𝐼=
Dari perhitungan di atas ternyata besarnya arus ini adalah negatif. Ini berarti bahwa arah arusnya sekarang jadi berlawanan dengan arus semula. Karena itu kondensator ini diisi muatantetapi dengan polaritasnya yang berlawanan, tentunya setelah kondensator melepas muatannya.
e. Selama waktu t = 0,2 sampai t = 1 detik pada kondensator terdapat muatan sebesar: Q = -10 . 10−6 x (1 - 0,2 det) = -8 µ Coloumb Sehingga besarnya tegangn pada kondensatorsekarang adalah: 𝑉𝑐 =
𝑄 𝐶
=
8.10−6 1.10−6
= −8 Volt
f. Sehingga besarnya tegangan pada kondensator pada saat t = 1 detik ini adalah: 𝑉𝑐 = 2 – 8 = - 6 Volt
Sementara itu bagian sebelah kiri dari kondensator berpolaritas negatif dan sebelah kanannya berpolarotas positif. Pada saat t = 1 detik ini, besarnya tegangan output adalah: Vout = Vref - Vc = 3 – (-6) = 9 Volt 30
g. Pada saat t = 1 detik ini terjadi kembali Vin = Vref yaitu sebesar 3 Volt, namun karena kondensatornya masih berisi muatan listrik maka besarnya tegangan pada output (Vout) tetap sebesar 9 Volt. Sehingga apabila rangkaian di atas digunakan sebagai rangkaian pengatur, maka tegangan outputnya akan berubah terus yaitu selama masih adanya selisih antara tegangan acuan (Vref ) dengan tegangan inputnya (Vin ). Selanjutnya pada rangkaian ini tidak menghasilkan selisih statis. Kemudian karena tegangan outputnya tergantung pada konstanta waktu R dan C maka pengatur jenis ini bukanlah merupakan pengatur yang cepat. Rangkaian blok dari pengatur I dapat diperlihatkan pada gambar berikut:
Y X
Y X
Gambar 3.4 blokGambar diagram pengatur integration 2.3 Dimana grafik yang terdapat di dalam blok itu menunjukkan bagaimana reaksi atau respon dari output terhadap inputnya.
31
C. Soal Latihan 1. Jelaskan karakteristik pengatur Integration! 2. Hitung besarnya tegangan output dari rangkaian pengatur integrator apabila diketahui R input = 100 KΩ, C = 0,01 µF dengan sinyal input berupa gelombang sinus yang mempunyai tegangan puncak 2 Volt! D. Rangkuman Pengaturan integration memiliki karakteristik dimana laju perubahan (kecepatan) nilai output dari kontroler integral sebanding dengan nilai inputnya. Input sistem berupa variabel selisih (error) antara masukan acuan (referensi) dengan variabel termanipulasi atau output nyata dari plant.
32
BAB 4
PENGATUR DIFFERENSIAL
Kompetensi Dasar 3.4 Menerapkan operational amplifier (Op-Amp) sebagai pengatur D (Differensial) Indikator Pencapaian Kompetensi 3.4.1 Menjelaskan karakteristik pengatur jenis D (Differensial) 3.4.2 Menggambarkan diagram blok pengatur D (Differensial) 3.4.3 Menghitung tegangan output pada rangkaian pengatur D (Differensial) Tujuan Pembelajaran 1. Menjelaskan karakteristik pengatur jenis D (Differensial) dengan jelas 2. Menggambarkan diagram blok pengatur D (Differensial) dengan rapi 3. Menghitung tegangan output pada rangkaian oprational amplifier sebagai pengatur D (Differensial) dengan tepat
33
A. Pengatur Jenis D (Differensial) Penggunaan kontroler P saja dalam sistem kontrol kadangkadang menyebabkan respon sistem melebihi input acuannya. Misalnya level air dalam tangki melebihi dari tinggi yang diinginkan. Keadaan
ini
menghindari
disebut kondisi
derivatif/differensial.
overshoot. ini
maka
Input
ke
Untuk
mengurangi
digunakan kontroler
kontroler derivatif
atau tipe
berupa
perubahan selisih antara output nyata dan masukan acuannya atau kecepatan error, sehingga apabila selisih antara output nyata dan masukan acuannya semakin besar maka kontroler mengirimkan sinyal ke aktuator yang semakin besar pula. Dengan demikian, nilai ouput yang melebihi nilai acuannya ditekan sekecil mungkin. Aplikasi kontroler ini diperlihatkan pada gambar 4.1. Pada sistem ini, buka tutup katup bergantung kepada perubahan nilai selisih antara tinggi air nyata yang diukur melalui pelampung (y) dan tinggi air yang diinginkan (yh).
34
Gambar 4.1 contoh aplikasi pengatur differensial
Dalam keadaan tangki kosong artinya selisihnya besar, maka katup akan membuka dengan cepat sehingga laju air masuk ke tangki semakin besar. Apabila keadaan air mendekati penuh, maka nilai selisihnya kecil, sehingga katup akan memperkecil volume air yang masuk ke dalam tangki. B. Rangkaian Operarational Amplifier Sebagai Pengatur D (Differensial) Seperti rangkaian pengatur integrator yang telah dibahas pada percobaan sebelumnya bahwa output dari rangkaian pengatur integrator ini merupakan fungsi integral dari sinyal inputnya, demikian pula untuk rangkaian pengatur differentiator dimana sinyal outputnya merupakan fungsi differential dari sinyal inputnya. Rangkaian operational amplifier sebagai pengatur differensial dapat dilihar pada gambar rangkaian 4.2 di bawah:
35
R I0
C Ii
+
V In
V Out
Gambar 4.2 rangkaian Op-Amp Gambar 3.1 sebagai pengatur differensial Rangkaian Differentiator Ii = Io Vi/Zi = - Vo/Zo Vi/(1/wC) = - Vo/R Vo = - wRCVi
Sehingga apabila tegangan outpunya merupakan fungsi dari waktu maka persamaan di atas dapat dinyatakan menjadi sebagai berikut : Vo(t) = -RC dVi(t)/dt
Berarti dari persamaan di atas ternyata bahwa sinyal output merupakan turunan dari tegangan input serta dengan polaritas yang berlawanan. Rangkaian seperti ini yang dikenal sebagai
36
rangkaian pengatur differentiator. Apabila sinyal inputnya berupa tegangan sinus, maka tegangan outputnya adalah sebagai berikut :
Vi = Vi sin ωt Vo(t) = -RC dVi(t)/dt = -RC d[Vi sin (ωt)]/dt = - wRCVi cos (ωt)
Sebagai contoh untuk R = 100 KΩ, C = 0,01 µF dengan sinyal input Vi(t) = 5 sin 628t, maka besarnya sinyal output adalah :
Vo(t) = - wRCVi cos ωt = -628 (100 x 103)(0,01 x 10-6)(5) cos ωt = -0,628 (5) cos ωt = -3,12 cos ωt
Tegangan sinus 5 sin 628t mempunyai tegangan puncak sebesar 5 Volt dengan frekuensinya 100 Hz sehingga ω = 2πf = 6,28 x 100 = 628 radian per detik.
37
V in 5 3 1 50
1 (ms)
100
1
1 (ms) -1 -2
13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0
0.2
1.0
1 (ms)
-2
3.2 sistem terhadap input Gambar 4.3 Gambar grafik respon
tegangan
38
Bentuk gelombang sinyal input dan sinyal output pada rangkaian pengatur differetiator. Perhatikan gambar 4.3 di atas. 1. Selama t = 0 s sampai dengan t = 50 ms, besarnya tegangan input (Vin) adalah 3 Volt. Karena besarnya tegangan acuan V ref juga sebesar 3 Volt maka dalam hal ini arus tidak mengalir. Berarti juga kondensator tidak diberi muatan akibatnya pada Rfeedback pun tidak terdapat arus sehingga besarnya tegangan output yaitu sama sebesar 3 Volt. 2. Pada saat t = 50 ms, besarnya tegangan input berubah menjadi 5 Volt. Sehingga sekarang antara terminal-terminal pada kondensator terdapat tegangan 2 Volt. Jadi sekarang kondensator diisi muatan listrik dengan bagian sebelah kiri berpolaritas postif sedangkan bagian sebelah kiri berpolaritas negatif. Pada saat t sebesar 50 ms ini mengalir arus sebesar: 𝐼=
𝑉𝑖𝑛−𝑉𝑟𝑒𝑓 𝑅𝑑
+
5−3 2𝐾
= 1 𝑚𝐴
3. Setelah melewati 5 x RC yaitu 5 (2.103)(5.10-6) = 50 ms kondensator mencapai pengisian secara penuh sehingga arus pengisian pun berhenti. Akan tetapi sebelum itu terjadi arus sebesar 1 mA inipun mengalir pada R 2 dan akan menghasilkan turun tegangan sebesar: VR2 = I . R2 = 1 mA . 5K = 5 Volt Karena itu besarnya tegangan output adalah
39
Vout = Vreff – VR2 =3–5 = - 2 Volt Selanjutnya tegangan output ini selalu ditentukan oleh tegangan yang terdapat pada R2. Karena itu setelah 50 ms tegangan output akan kembali ke harga lamanya yaitu sebesar 3 Volt. 4. Pada saat t = 100 ms, tegangan inputnya berubah dari 5 Volt menjadi
1
Volt.
Perubahan
tegangan
ini
juga
akan
mempengaruhi tegangan pada R d karena itu pada saat t = 100 ms ini akan mengalir arus sebesar 2 mA dengan arah yang berlawanan. Dengan adanya arus ini akan mengasilkan turun tegangan pada R2 yaitu sebesar : VR2 = I . R2 = 2 mA . 5K = 10 Volt
Sehingga besarnya tegangan output sekarang adalah : Vout = Vref + VR2 = 3 + 10 = 13 Volt
Selanjutnya setelah 50 ms, tegangan outputnya akan kembali ke harga semula yaitu sebesar 3 Volt. 40
Dari uraian diatas ternyata bahwa apabila terdapat perubahan pada tegangan input akan menyebabkan adanya perubahan pula pada outputnya tetapi dengan perubahan yang cukup mencolok yang selanjutnya akan kembali ke harga semula. Kondisi seperti ini jelas bertentangan dengan persyaratan yang diperlukan pada system pengaturan. Karena itu pengatur D ini jarang dipakai apabila digabungkan dengan pengatur lainnya misalnya pengatur P dan pengatur I. Sehingga akan dijumpai nantinya pengatur PID. Skema blok dari rangkaian pengatur D, diperlihatkan pada gambar berikut :
Y X
Y X
Gambar 4.4 blokGambar diagram 3.3 pengatur differensia Dimana grafik yang ada di dalam blok itu menunjukkan bagaimana bentuknya respon output terhadap fungsi inputnya. C. Soal Latihan 1. Jelaskan karakteristik pengatur D (Differensial)! 2. Hitung besarnya tegangan output pada rangkaian differentiator jika diketahui besarnya kapasitor input adalah 0,05 µF, tahanan 41
feedback sebesar 500 KΩ dengan sinyal input berupa gelombang sinus yang mempunyai tegangan puncak sebesar 1 Volt. D. Rangkuman Rangkaian pengatur differentiator dimana sinyal outputnya merupakan fungsi differential dari sinyal inputnya. Input ke kontroler derivatif berupa perubahan selisih antara output nyata dan masukan acuannya atau kecepatan error, sehingga apabila selisih antara output nyata dan masukan acuannya semakin besar maka kontroler mengirimkan sinyal ke aktuator yang semakin besar pula.
42
BAB 5
PENGATUR PROPORSIONAL INTEGRATION Kompetensi Dasar 3.5 Menerapkan operational amplifier (Op-Amp) sebagai pengatur PI (Proportional Integration) Indikator Pencapaian Kompetensi 3.5.1 Menjelaskan karakteristik pengaturan PI (Proportional Integration) 3.5.2 Menggambarkan diagram blok pengatur PI (Proportional Integration) 3.5.3 Menghitung tegangan output pada rangkaian operational amplifier (Op-Amp) sebagai pengatur PI (Proportional Integration) Tujuan Pembelajaran 1. Menjelaskan
karakteristik
pengaturan
PI
(Proportional
Integration) dengan jelas 2. Menggambarkan diagram blok pengatur PI (Proportional Integration) dengan rapi 3. Menghitung tegangan output pada rangkaian operational amplifier
(Op-Amp)
sebagai
pengatur
PI
(Proportional
Integration) dengan tepat 43
A. Pengaturan PI (Proportional Integration) Kontroler proportional integration
merupakan gabungan
fungsi dari kontroler Proporsional dan Integral. Penggabungan ini untuk menutupi kekurangan kontroler P yang relatif lambat responnya, sementara kontroler P digunakan untuk mempertahankan agar kontroler masih merespon meskipun untuk nilai selisih yang kecil. Aplikasi tipe kontroler ini diperlihatkan pada gambar 5.1. Pada sistem ini, buka tutup katup berlangsung atas dasar data output nyata yang diukur melalui pelampung dan torsi motor. Torsi motor berubah berdasarkan nilai selisih antara ketinggian air nyata (y) dan tinggi air yang diinginkan (yh). Kombinasi dua mode pengontrolan ini menghasilkan operasi katup yang efektif, karena buka tutupnya menyesuaikan dengan kondisi air yang ada dalam tangki.
Gambar 5.1 contoh aplikasi pengatur proportional integration
44
B. Rangkaian Operarational Amplifier Sebagai Pengatur PI (Proportional Integration) Rangkaian operational amplifier sebagai pengatur differensial dapat dilihar pada gambar rangkaian 5.2 di bawah:
Gambar 5.2 rangkaian Op-Amp sebagai pengatur proportional integration Fungsi alih dari rangkaian proporsional integral (PI) dapat dicari dengan menggunakan persamaan berikut
45
Keluaran dari rangkaian proportional integration dapat diketahui dengan persamaan transformasi balik berikut :
Berikut adalah grafik keluaran dari rangkaian proportional integration jika masukannya adalah berupa fungsi step :
Gambar 5.3 grafik respon sistem proportional integration terhadap input tegangan
Untuk mencari nilai-nilai komponen yang digunakan dalam membuat rangkaian PI, maka dapat digunakan persamaan berikut :
46
Gambar 5.4 blok diagram pengatur proportional integration
Dimana grafik yang ada di dalam blok itu menunjukkan bagaimana bentuknya respon output terhadap fungsi inputnya. C. Soal Latihan 1. Jelaskan karakteristik pengaturan proporsional integration! 2. Gambarkan diagram blok pengaturan proporsional integration! 3. Gambarkan rangkain pengaturan proporsional integration menggunakan Op-Amp! D. Rangkuman Kontroler proportional integration merupakan gabungan fungsi dari kontroler Proporsional dan Integral. Penggabungan ini untuk menutupi kekurangan kontroler P yang relatif lambat responnya,
sementara
kontroler
P
digunakan
untuk
mempertahankan agar kontroler masih merespon meskipun untuk nilai selisih yang kecil.
47
BAB 6
PENGATUR PROPORSIONAL DIFFERENTIAL Kompetensi Dasar 3.6 Menerapkan operational amplifier (Op-Amp) sebagai pengatur P D (Proportional Deferential) Indikator Pencapaian Kompetensi 3.6.1 Menjelaskan pengatur P D (Proportional Deferential) 3.6.2 Menghitung tegangan output pada rangkaian operational amplifier (Op-Amp) sebagai pengatur P D (Proportional Deferential) Tujuan Pembelajaran 1. Menjelaskan pengatur P D (Proportional Deferential) dengan jelas 2. Menghitung tegangan output pada rangkaian operational amplifier (Op-Amp) sebagai pengatur P D (Proportional Deferential) dengan tepat
48
A. Pengatur P D (Proportional Deferential) Karena kontroler derivatif mampu mengurangi overshoot yang terjadi dalam sistem kontrol, maka penggabungan dua tipe kontroler P dan D cukup efektif untuk mendapatkan respon sistem yang baik. Kontroler PD memadukan fungsi kontroler P dan D. Respon kontroler terhadap input lereng (ramp) dan diagram blok kontroler ini diperlihatkan pada gambar 6.1 di bawah.
Gambar 6.1 respon kontroler terhadap input Dimana:
49
B. Aplikasi Pengatur P D (Proportional Deferential) Apabila kontroler PD diterapkan pada pengaturan tinggi air maka buka tutup katupnya berdasarkan data selisih dan laju perubahan selisih antara tinggi air nyata (y) dengan tinggi air yang diinginkan (yh), seperti diperlihatkan pada gambar 6.2 di bawah.
Gambar 6.2 contoh aplikasi kontrol proportional deferential Ketika pengisian air dalam tangki penampung mencukupi maka pelampung akan bergerak keatas dan menggerakkan dua tuas. Tuas atas menggerakkan piston dalam silinder yang akan meutup katup aliran air. Tuas bawah mengimbangi gerakan oleh tekanan pegas akibat dorongan piston.
50
Gambar 6.3 blok diagram pengatur proportional deferential Dimana grafik yang ada di dalam blok itu menunjukkan bagaimana bentuknya respon output terhadap fungsi inputnya. C. Soal Latihan 1. Jelaskan karakteristik pengaturan proporsional differential! 2. Gambarkan blok diagram pengaturan proporsional differential! 3. Gambarkan contoh pengaplikasian pengaturan proporsional differential! D. Rangkuman Kombinasi pengaturan proporsional differential merupakan salah satu aksi kontrol yang baik karena kontroler derivatif mampu mengurangi overshoot yang terjadi dalam sistem kontrol, maka penggabungan dua tipe kontroler P dan D cukup efektif untuk mendapatkan respon sistem yang baik.
51
BAB 7
OPERATIONAL AMPLIFIER (OP-AMP) SEBAGAI PENGATUR PID Kompetensi Dasar 3.7 Menerapkan operational amplifier (op-amp) sebagai pengatur PID (Proportional Integration Deferential) Indikator Pencapaian Kompetensi 3.7.1 Menjelaskan perational Amplifier (Op-Amp) 3.7.2 Menjelaska fungsi Operational Amplifier (Op-Amp) 3.7.3 Mendemostrasikan Op-Amp Sebagai PID (Proportional Integration Deferential) Controller Tujuan Pembelajaran 1.
Peserta didik dapat menjelaskan operational Amplifier (Op Amp)
2.
Peserta didik dapat menjelaskan fungsi Operational Amplifier (Op-Amp)
3.
Peserta didik dapat menjelaskan Op-Amp Sebagai PID (Proportional Integration Deferential) Controller
52
A. Pengertian Operasional Amplifier (Op-Amp) Operational Amplifier adalah suatu penguat berpenguatan tinggi yang terintegrasi dalam sebuah chip IC yang memiliki dua input inverting dan non-inverting dengan sebuah terminal output, dimana rangkaian umpan balik dapat ditambahkan untuk mengendalikan
karakteristik
tanggapan
keseluruhan
pada operasional amplifier (Op-Amp). Pada dasarnya operasional amplifier (Op-Amp) merupakan suatu penguat diferensial yang memiliki 2 input dan 1 output. Op-amp ini digunakan untuk membentuk fungsi-fungsi linier yang bermacam-mcam atau dapat juga digunakan untuk operasioperasi tak linier, dan seringkali disebut sebagai rangkaian terpadu linier dasar. Penguat operasional (Op-Amp) merupakan komponen elektronika analog yang berfungsi sebagai amplifier multiguna dalam bentuk IC dan memiliki simbol sebagai berikut :
Gambar 7.1 Simbol Operasional Amplifier (Op-Amp)
53
B. Simbol Operasional Amplifier (Op-Amp) Prinsip kerja sebuah operasional Amplifier (Op-Amp) adalah membandingkan nilai kedua input (input inverting dan input noninverting), apabila kedua input bernilai sama maka output Opamp tidak ada (nol) dan apabila terdapat perbedaan nilai input keduanya maka output Op-amp akan memberikan tegangan output. Operasional amplifier (Op-Amp) dibuat dari penguat diferensial dengan 2 input. C. Rangkaian Dasar Operasional Amplifier (Op-Amp) Penguat Diferensial
Gambar 7.2 rangkaian dasar operasional amplifier
Pada penguat diferensial diatas terdapat dua sinyal masukan (input) yaitu V1 dan V2. Dalam kondisi ideal, apabila kedua masukan identik (Vid = 0), maka keluaran Vod = 0. Hal ini disebabkan karena IB1 = IB2 sehingga IC1 = IC2 dan IE1 = IE2. Karena itu tegangan keluaran (VC1 dan VC2) harganya sama sehingga Vod
54
= 0. Apabila terdapat perbedaan antara sinyal V1 dan V2, maka Vid = V1 – V2. Hal ini akan menyebabkan terjadinya perbedaan antara IB1 dan IB2. Dengan begitu harga IC1 berbeda dengan IC2, sehingga harga Vod meningkat sesuai sesuai dengan besar penguatan Transistor. Untuk memperbesar penguatan dapat digunakan dua tingkat penguat diferensial (cascade). Keluaran penguat diferensial dihubungkan dengan masukan penguat diferensial tingkatan berikutnya. Dengan begitu besar penguatan total (Ad) adalah hasil kali antara penguatan penguat diferensial pertama (Vd1) dan penguatan penguat diferensial kedua (Vd2).
55
D. Soal Latihan 1. Jelaskan perational Amplifier (Op-Amp) 2. Jelaska fungsi Operational Amplifier (Op-Amp) 3. Menguraikan Op-Amp Sebagai PID (Proportional Integration Deferential) Controller
56
BAB 8
OPERATIONAL AMPLIFIER (OP-AMP) SEBAGAI PENGATUR SUHU Kompetensi Dasar 3.8 Menerapkan
operational
amplifier
(op-amp)
sebagai
pengontrol suhu Indikator Pencapaian Kompetensi 3.8.1 Menjelaskan sensor dan tranduser 3.8.2 Menjelaskan Rangkaian pembanding 3.8.3 Menjelaskan gerbang logika 3.8.4 Menjelaskan rangkaian dimmer 3.8.5 Mengkonsepkan rangkaian power supplay Tujuan Pembelajaran 1. Peserta didik dapat menjelaskan sensor dan tranduser 2. Peserta didik dapat menjelaskan Rangkaian pembanding 3. Peserta didik dapat menjelaskan gerbang logika 4. Peserta didik dapat menjelaskan rangkaian dimmer 5. Peserta didik dapat mengkonsepkan rangkaian power supplay
57
A. Pengertian Sensor Dan Tranduser Transduser itu adalah suatu alat yang fungsinya itu mengubah suatu energi ke energi lain, salah satu contohnya adalah sensor. Transduser juga dibagi dua yaitu: 1.
Transduser aktif adalah transduser yang dapat bekerja meskipun tidak energi dari luar.
2.
Transduser pasif adalah transduser yang bekerja apabila ada energi dari luar . Sensor itu merupakan jenis transduser yang mengubah
energi panas, suhu, sinar dll menjadi energi listrik. Secara karakteristik sensor di bagi menjadi dua, yaitu: 1. Sensor aktif merupakan sensor yang mendeteksi pantulan atau emisi radiasi elektromagenetik dari sumber energi buatan yang biasanya dirancang dalam rangkaian yang memakai sensor. 2. Sensor pasif merupakan sensor yang mendeteksi respon radiasi elektromagnetik dari obyek yang dipancarkan dari sumber alami. B. Rangkaian Pembanding Rangkaian Pembanding (compare circuit) komparator merupakan rangkaian elektronik yang akan membandingkan suatu input dengan referensi tertentu untuk menghasilkan output berupa dua nilai (high dan low). Suatu komparator mempunyai dua masukan yang terdiri dari tegangan acuan (Vreference) dan tegangan masukan (Vinput) serta satu tegangan ouput (Voutput). 58
Dalam operasinya Op-Amp akan mempunyai sebuah keluaran konstan yang bernilai"low" saat Vin lebih besar dari Vrefferensi dan "high" saat Vin lebih kecil dari Vrefferensi atau sebaliknya. Nilai low dan high tersebut akan ditentukan oleh desain dari komparator itu sendiri. Keadaan output ini disebut sebagai karakteristik output komparator, dengan kata lain Sebuah pembanding adalah rangkaian dengan dua tegangan masuk dan satu tegangan keluaran. Bila tegangan positif lebih besar dari tegangan negatif, pembanding menghasilkan tegangan keluaran yang tinggi. Bila masukan tegangan positif lebih kecil dari masukan tegangan negatif maka tegangan keluarannya rendah. Kerja dari komparator hanya membandingkan Vin dengan Vref-nya maka dengan mengatur Vref, kita sudah mengatur kepekaan sensor terhadap perubahan tingkat intensitas cahaya yang terjadi. Dimana semakin rendah Vref semakin sensitif komparator terhadap perubahan tegangan Vin yang diakibatkan oleh perubahan intensitas cahaya IC LM324 merupakan komponen elektronik yang berfungsi sebagai penguat tegangan atau penguat signal atau sebagai amplifier. IC LM324 umumnya dikenal dengan Op-Amp (Operational Amplifier). Op-Amp mempunyai dua kaki input yaitu inverting input (simbol negative) dan non inverting input (simbol positive). Sinyal dari kedua kaki input Op-Amp ini bisa diolah menjadi data output yang berbeda-beda sesuai dengan fungsi Op-Amp yang dijalankan. 59
Salah satu fungsi Op Amp adalah sebagai komparator. Komparator difungsikan untuk membandingkan tegangan yang masuk pada kedua kaki input Op-Amp. Untuk membandingkan kedua kaki input pada Op-Amp salah satu kaki input bisa diberi tegangan referensi dan kaki lainnya diberi tegangan pembanding. Jika tegangan pada kaki non inverting input (+) lebih besar atau sama dengan tegangan pada kaki inverting input (-) maka output akan berharga high (1). Jika tegangan pada kaki non inverting input (+) lebih kecil daripada tegangan pada kaki inverting input (-) maka kaki output akan berharga low (0). Salah satu keunggulan LM324 adalah dapat beroperasi pada voltase 3.0 V sampai 32.0 V. C. Gerbang Logika Gerbang-gerbang
dasar
logika
merupakan
elemen
rangkaian digital dan rangkaian digital merupakan kesatuan dari gerbang-gerbang logika dasar yang membentuk fungsi pemrosesan sinyal digital. Gerbang dasar logika terdiri dari 3 gerbang utama, yaitu AND Gate, OR Gate, dan NOT Gate. Gerbang lainnya seperti NAND Gate, NOR Gate, EXOR Gate dan EX-NOR Gate merupakan kombinasi dari 3 gerbang logika utama tersebut. D. Rangkaian Dimmer Rangkaian dimmer merupakan rangkaian yang sudah umum digunakan antara lain untuk mengatur terang-redup lampu bolam. Pada kesempatan kali ini akan dijabarkan mengenai cara kerja rangkaian dimmer. Rangkaian dimmer ini mampu mengatur beban 60
pada tegangan 220VAC dengan daya sampai 900W tiap kanal dengan beban yang mulai dari lampu bolam sampai kebeban induktif seperti motor AC. E. Rangkaian Power Supply Catu daya atau power supply merupakan suatu rangkaian elektronik yang mengubah arus listrik bolak-balik menjadi arus listrik searah. Hampir semua peralatan elektronik membutuhkan catu daya agar dapat berfungsi.
Gambar 8.1 Rangkaian Power Supplay
Catu daya atau power supply adalah rangkaian yang berfungsi untuk menyediakan daya pada peralatan elektronik. Power supply berfungsi untuk memberikan daya serta tegangan kepada alat elektronik yang anda gunakan. Ada banyak rangkaian catu daya yang bisa anda temui di pasaran. Dan ada 2 jenis catu daya yang bisa anda temukan. Yaitu :
61
1. Catu daya tetap adalah rangkaian yang memiliki nilai tegangan yang tidak bisa diatur. Dan nilainya sudah ditetapkan oleh rangkaian tersebut. 2. Catu daya variabel adalah rangkaian catu daya variabel ini nilai tegangannya bisa diubah-ubah. F. Soal Latihan 1. Jelaskan apa yang di maksud dengan PLD! 2. Jelaskan jenis-jenis PLD!
62
BAB 9
OPERATIONAL AMPLIFIER SEBAGAI PENGATUR KECEPATAN MOTOR DC Kompetensi Dasar 3.9.
Menerapkan operational amplifier (op-amp) sebagai pengatur kecepatan putaran motor dc
Indikator Pencapaian Kompetensi 3.9.1. Driver motor DC pwm daya besar 3.9.2. Fungsi bagian driver motor DC pwm daya besar Tujuan Pembelajaran 1.
Peserta didik dapat menjelaskan driver motor DC pwm daya besar
2.
Peserta didik dapat Menguraikan fungsi bagian diriver motor DC pwm daya besar
63
A. Driver Motor DC PWM Daya Besar (High Current PWM Driver) Merupakan rangkaian yang dapat digunakan untuk mengendalikan kecepatan dan arah putaran motor dc dengan daya besar. Driver motor DC daya besar atau High Current driver ini menerapkan sistem Pulse Widht Modulation (PWM) untuk mengatur kecepatan motor DC. Rangkaian dalam artikel “Driver Motor DC PWM Daya Besar (High Current PWM Driver)” ini mampu mengontrol Motor DC dengan arus maksimal sampai 49A. Power driver motor pada rangkaian Driver Motor DC PWM Daya Besar (High Current PWM Driver) ini menggunakan MOSFET IRFZ44 (Max 49A) dan IRF 4905 (Max 74A) yang dirangkai secara bridge seperti telihat pada gambar berikut.
Gambar 9.1 High Current PWM Driver
64
B. Fungsi Tiap Bagian Driver Motor DC PWM Daya Besar (High Current PWM Driver) Bagian power driver MOSFET hanya akan bekerja satu pasang saja. MOSFET Q3 dan Q6 berfungsi untuk mengatur kecepatan putaran motor DC satu arah saja kemudian untuk mengatur arah putaran sebaliknya menggunakan MOSFET Q4 dan Q5. Kondisi Q3,Q6 dan Q4,Q5 tersebut dikendalikan oleh IC 1C dan IC 1D. IC 1C dan IC 1D berfungsi sebagai komparator tegangan yang mendapat referensi tegangan dari rangkaian pembagi tegangan R6, R7 dan R8.Dengan konfigurasi rangkaian seperti gambar diatas maka IC 1D akan mendapat triger apabila sinyal input lebih besar dari tegangan referensi dimana IC1C sebaliknya. Op Amp IC 1B berfungsi sebagai pembangkit gelombang segitiga. Dengan besarnya frequensi tetap dan ditentukan oleh nilai R5 dan C1 yaitu 270Hz. mengurangi nilai R5 dan C1 akan menaikan frekuensi outputnya. Tegangan Offset dikendalikan oleh potensiometer P1 melalui IC 1A. Dengan konfigurasi IC 1A sebagai follower tegangan maka akan memberikan pengaruh kepada IC 1B yang akan mempengaruhi level tegangan output gelombang segitiga yang dihasilkan
IC
1B.
Besar
kecilnya
tegangan
Offset
akan membuat kecepatan motor berubah dan selanjutnya berbalik arah putarnya. 65
C. Soal Latihan 1. Jelaskan apa yang di maksud dengan Driver Motor DC PWM... 2. Uraikan fungsi dari Fungsi Tiap Bagian Driver Motor DC PWM... D. Rangkuman 1. Merupakan
rangkaian
yang
dapat
digunakan
untuk
mengendalikan kecepatan dan arah putaran motor dc dengan daya besar. Driver motor DC daya besar atau High Current driver ini menerapkan sistem Pulse Widht Modulation (PWM) untuk mengatur kecepatan motor DC. Rangkaian dalam artikel “Driver Motor DC PWM Daya Besar (High Current PWM Driver)” ini mampu mengontrol Motor DC dengan arus maksimal sampai 49A 2. Op Amp IC 1B berfungsi sebagai pembangkit gelombang segitiga. Dengan besarnya frequensi tetap dan ditentukan oleh nilai R5 dan C1 yaitu 270Hz. mengurangi nilai R5 dan C1 akan menaikan frekuensi outputnya.
66
BAB 10
OPERATIONAL AMPLIFIER PADA RANGKAIAN PROTEKSI BEBAN LEBIH Kompetensi Dasar 3.10
Menerapkan operational amplifier (op-amp) pada rangkaian proteksi beban lebih (over load protection)
Indikator Pencapaian Kompetensi 3.10.1 Pengertian overload motor protection 3.10.2 Jenis-jenis overload motor protection 3.10.3 Pengaman beban lebih catu daya (overload protector) Tujuan Pembelajaran 1. Peserta didik dapat menjelaskan Pengertian overload motor protection 2. Peserta didik dapat Menguraikan Jenis-jenis overload motor protection 3. Peserta didik dapat menjelaskan Pengaman beban lebih catu daya (overload protector)
67
A. Pengertian Overload Motor Protection Overload Motor Protection, yang dimaksud motor ini adalah electric motor yang oleh orang awam disebut dinamo. Dan disini dikhususkan yang terjadi pada motor AC 3 phase. Fungsi dari motor ini adalah sebagai penggerak atau untuk mengkonversi energi listrik menjadi mekanik/ gerak seperti lift, conveyor, blower, crusher dll. Dalam dunia industri saat ini peran yang dilakukan motor ini sangat vital. Untuk itu proteksi sangat diperlukan untuk menjaga kelancaran suatu proses.Sistem proteksi motor ini sudah lama dikenal dan berkembang seiring kemajuan teknologi. Mulai dari penggunaan eutic relay, thermal, sampai elektronik. Secara umum sistem kerja alat tersebut dapat dibagi menjadi dua yaitu dengan thermal dan elektronik. Sesuai dengan namanya proteksi motor ini menggunakan panas sebagai pembatas arus pada motor. Alat ini sangat banyak dipergunakan saat ini. Biasanya disebut TOR, Thermis atau overload relay. Cara kerja alat ini adalah dengan menkonversi arus yang mengalir menjadi panas untuk mempengaruhi bimetal. Nah , bimetal inilah yang menggerakkan tuas untuk menghentikan aliran listrik pada motor melalui suatu control motor starter (baca motor starter). Pembatasan dilakukan dengan mengatur besaran arus pada dial di alat tersebut. Jadi alat tersebut memiliki range adjustment misal TOR dengan range 1 ~ 3,2 Amp disetting 2,5 Amp. Artinya, kita membatasi arus dengan TOR pada level 2,5 Amp saja. 68
Bagaimana bila terjadi kelebihan arus/ overload pada motor starter? Seperti contoh di atas, TOR di setting 2,5 Amp dan semisal arus telah mencapai 3 ampere, apa yang kita harapkan ? Starter shut down/ Trip ! Benar, hanya kapan akan trip?? Secepatnya ?? Ini sangat tidak mungkin bila kita menggunakan Thermal Overload/ TOR. Nah…,terus seberapa cepat TOR itu akan trip ?? Dengan menggunakan bimetal sebagai pembatas tentu tidak dapat bereaksi secara cepat terhadap kenaikan arus. Perlu diketahui, TOR di pasaran memiliki beberapa type yang disebut Class. Jadi dengan memilih class yang berbeda maka kecepatan trip TOR akan berbeda pula. Saat ini terdapat TOR dengan Class 10, Class 15, Class 20 dll. Class ini menunjukkan kecepatan trip saat TOR dialiri arus sebesar 6X setting. Semisal, digunakan TOR class 20 dengan setting 10 Amp, saat arus mencapai 60 Amp alat ini akan trip setelah mencapai waktu 20 DETIK !! 6X setting dalam 20 DETIK !! Bagaimana jika kelebihan arus hanya pada 13 Amp saja? Kita bisa menunggu ber jam jam agar trip. Untuk lebih jelasnya mintalah kurva trip seperti pada gambar saat membeli TOR dan hitung kecepatan tripnya. Perlu diketahui kurva TOR adalah logaritmik bukan linier. So, kita tidak perlu lagi menyalahkan keakuratan TOR yang selama ini dipakai.
69
B. Jenis-jensi Overload Motor Protection Overload electronic ini mempunya 2 karakteristik trip, INVERSE dan DEFINITE. Inverse, ia akan bekerja seperti thermal overload. Perbedaannya adalah kemampuannya untuk menggeser kurva trip. Jadi overload ini selain mempunyai setting arus juga kecepatan trip atau class adjustment. Selain itu dengan menggunakan rangkaian elektronik ia akan tidak mudah dipengaruhi suhu sekitar serta akurasi lebih terjaga. Definite, bekerja dengan pembatasan yang ketat. Dengan karakteristik ini, berapapun besar kelebihan beban ia akan trip setelah mencapai waktu yang ditentukan. Misal seting overload pada 10 amp dengan waktu trip 4 detik. Jika terjadi kelebihan beban lebih dari 10 amp selama lebih dari 4 detik dia akan trip. Kecepatan trip ini tidak tergantung besar arus overload (baik kecil atau besar sama saja). Dengan menggunakan rangkaian elektronik biasanya alat ini dilengkapi dengan fasilitas proteksi lain seperti phaseloss protection, Lock Rotor Protection, Short Circuit Protection dll. Dengan gambaran tersebut di atas, maka kita bisa menentukan kebutuhan overload protection yang diperlukan. Dan perlu di ingat bahwa, terbakarnya motor tidak hanya karena terjadinya overload. Overload hanyalah salah satu dari beberapa fakor penyebab terbakarnya motor. Seberapa tinggi tingkat proteksi motor yang kita perlukan tergantung dengan prioritas kita.
70
Tetapi, overload protection tetaplah mutlak diperlukan dalam sebuah suatu sistem motor starter C. Pengaman Beban Lebih Catu Daya (Overload Protector) Rangkaian Pengaman Beban Lebih Catu Daya (Overload Protector). Semua komponen elektronika tidak dapat dilewati oleh arus yang terlalu besar, yang melebihi kemampuan penanganan arusnya. Namun, karena suatu hal, batas arus maksimum ini dapat terlampaui. Akibatnya, komponen pasti akan rusak. Berikut ini saya share rangkaian pengaman beban lebih atau yang lebih dikenal dengan nama overload protector. Dengan rangkaian ini kita dapat mengatur dan memantau arus keluaran catu daya, apakah arus yang diambil oleh beban berlebihan atau tidak, atau kita memanfaatkannya sebagai sekering elektronik.
Gambar 10.1 Pengaman beban lebih catu daya
Prinsip kerja rangkaian pengaman beban lebih atau overload protector catu daya di atas didasarkan pada komparator 71
IC LM741. Komparator akan membandingkan tegangan yang terdapat pada resistor R2 dengan tegangan referensi pada potensiometer VR2 dengan titik A sebagai acuannya. Jika tegangan jatuh pada R2 lebih besar dari tegangan pada VR2, LED padam. Ini berarti arus yang ditarik oleh beban belum melebihi batas yang ditetapkan. Jika tegangan pada R2 lebih kecil dari tegangan di VR2, LED akan menyala yang menandakan bahwa arus beban berlebih. Penetapan batas arus keluaran dilakukan dengan mengatur potensio-meter VR2. Untuk mengetahui nilai arus tersebut maka, perlu dilakukan pengukuran tegangan di VR2, yaitu antara titik A (+) dan titik B (-), dimana :
VVR2 = Imaks x R2
Misal, jika diinginkan arus maksimal sebesar 0,25 A, dengan nilai R2 seperti pada daftar komponen tersebut, maka potensiometer VR2 harus diatur sehingga tegangan antara titik A dan B sebesar :
0,25 A x 2 Ohm = 0,5 Volt
Selanjutnya VR1 sehingga LED padam ketika VR2 pada kedudukan minimum (catu daya tanpa beban). Selanjutnya VR1 dapat diganti dengan nilai resistor yang sesuai. Dalam keadaan 72
normal, S1 tertutup, sehingga untuk me-reset SCR setelah terjadi pembebanan berlebih, sakelar S1 harus dibuka sesaat. Fungsi sakelar ini dapat digantikan dengan cara mematikan catu daya sesaat,
sehingga
S1
dapat
dihilangkan
dengan
langsung
menghubung katoda SCR ke ground. Nilai dari dioda zener harus dipilih nilai lebih kecil dari tegangan keluaran catu daya supaya rangkaian pengaman beban lebih dapat melakukan pengendalian arus yang stabil. Anda dapat menggunakan nilai 3/4 dari tegangan keluaran catu daya. Resistor R2 yang bernilai 2 Ohm / 5 Watt dapat digantikan dengan beberapa buah resistor secara paralel sehingga mendapatkan nilai yang sama. D. Soal Latihan 1. Jelaskan pengertian overload motor protectio! 2. Uraikan jenis-jenis overload motor protection! 3. Jelaskan proses pengaman beban lebih catu daya (overload protector)! E.
Rangkuman Overload proteksi motor menggunakan panas sebagai
pembatas arus pada motor. Overload electronic ini mempunya 2 karakteristik trip, INVERSE dan DEFINITE.
73
BAB 11
OPERATIONAL AMPLIFIER SEBAGAI PEMBANGKIT GELOMBANG Kompetensi Dasar 3.11
Menerapkan operational amplifier (op-amp) sebagai pembangkit gelombang.
Indikator Pencapaian Kompetensi 3.11.1 Menjelaskan pengertian dimmer lampu 3.11.2 Mengkonsepkan Prinsip kerja dimmer lampu Tujuan Pembelajaran 1.
Peserta didik mampu menjelaskan pengertian dimmer lampu
2.
Peserta didik mampu mengkonsepkan Prinsip kerja dimmer lampu
74
A. Dimmer lampu Rangkaian Pengaman Beban Lebih Catu Daya (Overload Protector). Semua komponen elektronika tidak dapat dilewati oleh arus yang terlalu besar, yang melebihi kemampuan penanganan arusnya. Namun, karena suatu hal, batas arus maksimum ini dapat terlampaui. Akibatnya, komponen pasti akan rusak. Berikut ini rangkaian pengaman beban lebih atau yang lebih dikenal dengan nama overload protector. Dengan rangkaian ini kita dapat mengatur dan memantau arus keluaran catu daya, apakah arus yang diambil oleh beban berlebihan atau tidak, atau kita memanfaatkannya sebagai sekering elektronik.
Gambar 11.1 prinsip kerja dimmer lampu
75
B. Prinsip kerja dimmer lampu Prinsip kerja rangkaian pengaman beban lebih atau overload protector catu daya di atas didasarkan pada komparator IC LM741. Komparator akan membandingkan tegangan yang terdapat pada resistor R2 dengan tegangan referensi pada potensiometer VR2 dengan titik A sebagai acuannya. Jika tegangan jatuh pada R2 lebih besar dari tegangan pada VR2, LED padam. Ini berarti arus yang ditarik oleh beban belum melebihi batas yang ditetapkan. Jika tegangan pada R2 lebih kecil dari tegangan di VR2, LED akan menyala yang menandakan bahwa arus beban berlebih. Penetapan batas arus keluaran dilakukan dengan mengatur potensio-meter VR2. Untuk mengetahui nilai arus tersebut maka, perlu dilakukan pengukuran tegangan di VR2, yaitu antara titik A (+) dan titik B (-), dimana :
VVR2 = Imaks x R2
Misal, jika diinginkan arus maksimal sebesar 0,25 A, dengan nilai R2 seperti pada daftar komponen tersebut, maka potensiometer VR2 harus diatur sehingga tegangan antara titik A dan B sebesar :
0,25 A x 2 Ohm = 0,5 Volt
76
Selanjutnya VR1 sehingga LED padam ketika VR2 pada kedudukan minimum (catu daya tanpa beban). Selanjutnya VR1 dapat diganti dengan nilai resistor yang sesuai. Dalam keadaan normal, S1 tertutup, sehingga untuk me-reset SCR setelah terjadi pembebanan berlebih, sakelar S1 harus dibuka sesaat. Fungsi sakelar ini dapat digantikan dengan cara mematikan catu daya sesaat,
sehingga
S1
dapat
dihilangkan
dengan
langsung
menghubung katoda SCR ke ground.
Nilai dari dioda zener harus dipilih nilai lebih kecil dari tegangan keluaran catu daya supaya rangkaian pengaman beban lebih dapat melakukan pengendalian arus yang stabil. Anda dapat menggunakan nilai 3/4 dari tegangan keluaran catu daya. Resistor R2 yang bernilai 2 Ohm / 5 Watt dapat digantikan dengan beberapa buah resistor secara paralel sehingga mendapatkan nilai yang sama. C. Soal Latihan 1. Jelaskan pengertian dimmer lampu 2. Mengkonsepkan Prinsip kerja dimmer lampu D. Rangkuman Prinsip kerja rangkaian pengaman beban lebih atau overload protector catu daya di atas didasarkan pada komparator IC LM741. Komparator akan membandingkan tegangan yang terdapat pada resistor R2 dengan tegangan referensi pada potensiometer VR2 dengan titik A sebagai acuannya. 77
BAB 12
OP-AMO SEBAGAI PEMBANGKIT PULSA WIDTH MODULATION Kompetensi Dasar 3.12
Menerapkan operational amplifier (op-amp) sebagai pembangkit pulsa witdh modulation (PWM)
Indikator Pencapaian Kompetensi 3.12.1 Menjelaskan pulse width modulation (PWM) 3.12.2 Menjelaskan konsep dasar pulse width modulation (PWM) 3.12.3 Mengkonsepkan prinsip kerja pulse width modulation (PWM) Tujuan Pembelajaran 1. Peserta didik dapat menjelaskan pulse width modulation (PWM) 2. Peserta didik dapat menjelaskan konsep dasar pulse width modulation (PWM) 3. Peserta didik dapat mengkonsepkan prinsip kerja pulse width modulation (PWM)
78
A. Definisi Pulse Width Modulation (PWM) Pulse Width Modulation (PWM) secara umum adalah sebuah cara memanipulasi lebar sinyal yang dinyatakan dengan pulsa dalam satu periode, untuk mendapatkan tegangan rata-rata yang
berbeda.
Bebarapa
contoh
aplikasi
PWM
adalah
pemodulasian data untuk telekomunikasi, pengontrolan daya atau tegangan yang masuk ke beban, regulator tegangan, audio effect dan penguatan, serta aplikasi-aplikasi lainnya.
Gambar 12.1 Pulse width mudulation Aplikasi PWM berbasis mikrokontroller biasanya berupa pengendalian kecepatan motor DC, pengendalian motor servo, dan pengaturan nyala terang LED. Oleh karena itu diperlukan pemahaman terhadap konsep PWM itu sendiri. B. Konsep Dasar Pulse Width Modulation (PWM) Sinyal PWM pada umumnya memiliki amplitude dan frekuensi dasar yang tetap, namun memiliki lebar pulsa yang bervariasi. Lebar 79
pulsa PWM berbanding lurus dengan amplitude sinyal asli yang belum termodulasi. Artinya, sinyal PWM memiliki frekuensi gelombang yang tetap namun duty cycle bervariasi antara 0% hingga 100%.
Gambar 12.2 konsep dasar pulse width mudulation PWM merupakan salah satu teknik untuk mendapatkan sinyal analog dari sebuah piranti digital. Sebenarnya sinyal PWM dapat dibangkitkan dengan banyak cara, secara analog menggunakan IC op-amp atau secara digital. Secara analog setiap perubahan PWM-nya sangat halus, sedangkan secara digital setiap perubahan PWM dipengaruhi oleh resolusi PWM itu sendiri. Resolusi adalah jumlah variasi perubahan nilai dalam PWM tersebut. Misalkan suatu PWM memiliki resolusi 8 bit, berarti PWM ini memiliki variasi perubahan nilai 80
sebanyak
256 variasi mulai dari 0 – 225 perubahan nilai yang
mewakili duty cycle 0% – 100% dari keluaran PWM tersebut. C. Prinsip Kerja Pulse Width Modulation (PWM) Untuk
menjelaskan
prinsip
kerja
rangkaian
dapat
diasumsikan, dimana keadaan penguat operasional dalam kondisi ideal dan penguat operasional menggunakan catu daya DC tunggal (single ended DC supply). Terminal positip dari penguat operasional dihubungkan ke terminal positip VB sumber tegangan dan terminal negatip penguat operasional dihubungkan ke massa 0V. 1. Kondisi 1 Pada saat kondisi tegangan referensi VREF>0 dan tegangan masukan gergaji VIN=0 dengan posisi level tegangan referensi VREF lebih besar dari tegangan masukan VIN, dihasilkan tegangan keluaran VOUT =0 seperti yang diperlihatkan Gambar di bawah ini.
Gambar 12.3 kondisi 1
81
Pada saat kondisi tegangan referensi VREF>0V dan tegangan masukan gergaji VIN>0V dengan posisi level tegangan referensi VREF lebih besar dari tegangan masukan VIN, dihasilkan tegangan keluaran VOUT = 0V (tegangan DC membentuk garis lurus arah horisontal). Pada saat kondisi tegangan referensi VREF>0V dan tegangan masukan gergaji VIN>0V dengan posisi level tegangan referensi VREF sama dengan tegangan masukan VIN, dihasilkan tegangan keluaran VOUT > 0V (tegangan DC mengayun ke arah positif). Pada saat kondisi tegangan referensi VREF>0V dan tegangan masukan gergaji VIN>0V dengan posisi level tegangan referensi VREF lebih kecil dari tegangan masukan VIN, dihasilkan tegangan keluaran VOUT > 0V (tegangan DC pulsa positif). Pada saat kondisi tegangan referensi VREF>0V dan tegangan masukan gergaji VIN>0V dengan posisi level tegangan referensi VREF sama dengan tegangan masukan VIN, dihasilkan tegangan keluaran VOUT > 0V (tegangan DC pulsa positif) . Pada saat kondisi tegangan referensi VREF>0V dan tegangan masukan gergaji VIN>0V dengan posisi level tegangan referensi VREF lebih besar dari tegangan masukan VIN, dihasilkan tegangan keluaran VOUT > 0V (tegangan DC pulsa positif) Pada saat kondisi tegangan referensi VREF>0V dan tegangan masukan gergaji VIN>0V dengan posisi level tegangan referensi
82
VREF lebih besar dari tegangan masukan VIN, dihasilkan tegangan keluaran VOUT > 0V (tegangan DC pulsa positif. Pada saat kondisi tegangan referensi VREF>0V dan tegangan masukan gergaji VIN>0V dengan posisi level tegangan referensi VREF sama dengan tegangan masukan VIN, dihasilkan tegangan keluaran VOUT > 0V (tegangan DC pulsa positif) . Pada saat kondisi tegangan referensi VREF>0V dan tegangan masukan gergaji VIN>0V dengan posisi level tegangan referensi VREF lebih kecil tegangan masukan VIN, dihasilkan tegangan keluaran VOUT > 0V (tegangan DC pulsa positif). 2. Kondisi-2 Pada saat kondisi tegangan referensi VREF>0 (potensiometer diatur sehingga tegangan referensi dibuat lebih kecil dari kondisi-1) dan tegangan masukan gergaji VIN=0 dihasilkan tegangan keluaran VOUT =0. Pada saat kondisi tegangan referensi VREF>0V dan tegangan masukan gergaji VIN>0V dengan posisi level tegangan referensi VREF sama dengan tegangan masukan VIN, dihasilkan tegangan keluaran VOUT > 0V (tegangan DC pulsa positif). Pada saat kondisi tegangan referensi VREF>0V dan tegangan masukan gergaji VIN>0V dengan posisi level tegangan referensi VREF sama dengan tegangan masukan VIN, dihasilkan tegangan keluaran VOUT > 0V (tegangan DC pulsa positif).
83
Pada saat kondisi tegangan referensi VREF>0V dan tegangan masukan gergaji VIN>0V dengan posisi level tegangan referensi VREF lebih kecil tegangan masukan VIN, dihasilkan tegangan keluaran VOUT > 0V (tegangan DC pulsa positif). D. Soal Latihan 1. Jelaskan pengertian pulse width modulation (PWM) 2. Jelaskan konsep dasar pulse width modulation (PWM 3. Uraikan prinsip kerja pulse width modulation (PWM) E. Rangkuman 1. Pulse Width Modulation (PWM) secara umum adalah sebuah cara memanipulasi lebar sinyal yang dinyatakan dengan pulsa dalam satu periode, untuk mendapatkan tegangan rata-rata yang berbeda. 2. Sinyal PWM pada umumnya memiliki amplitude dan frekuensi dasar yang tetap, namun memiliki lebar pulsa yang bervariasi. Lebar pulsa PWM berbanding lurus dengan amplitude sinyal asli yang belum termodulasi. 3. Untuk menjelaskan prinsip kerja rangkaian dapat diasumsikan, dimana keadaan penguat operasional dalam kondisi ideal dan penguat operasional menggunakan catu daya DC tunggal (single ended DC supply).
84
BAB 13
OP-AMO SEBAGAI PENGATURAN MOTOR AC Kompetensi Dasar 3.13
Menerapkan rangkaian pembangkit gelombang pulsa witdh mudolation (pwm) dengan menggunakan penguat operasional (operational amplifier), untuk pengontrol kecepatan motor ac. Indikator Pencapaian Kompetensi 3.13.1 Mengidentifikasi komponen-komponen penyusun rangkaian op-amp sebagai pengatur kecepatan (PWM) motor AC. 3.13.2 Menerapkan rangkaian single driver mosfet. 3.13.3 Memproseskan cara kerja PWM. 3.13.4 Memproseskan cara kerja motor AC sinkron. 3.13.5 Menguraikan cara kerja dari rangkaian op-amp sebagai pengatur kecepatan motor AC. Tujuan Pembelajaran 1. Mengidentifikasi komponen-komponen penyusun rangkaian op-amp sebagai pengatur kecepatan (PWM) motor AC. 2. Menerapkan rangkaian single driver mosfet. 3. Memproseskan cara kerja PWM dengan op-amp. 4. Memproseskan cara kerja motor AC sinkron. 5. Menguraikan cara kerja dari rangkaian op-amp sebagai pengatur kecepatan motor AC.
85
A. Rangkaian Schmitt Trigger Operational Amplifier atau di singkat op-amp merupakan salah satu komponen analog yang popular digunakan dalam berbagai aplikasi rangkaian elektronika. Aplikasi op-amp popular yang paling sering dibuat antara lain adalah rangkaian inverter, non-inverter, integrator dan differensiator. Pada pokok bahasan kali ini akan dipaparkan salah satu aplikasi op-amp sebagai pengatur kecepatan motor AC. Pada aplikasi tersebut, rangkaian op-amp yang digunakan adalah rangkaian schmitt trigger, integrator, dan komparator. Jenis IC yang digunakan dalam rangkaian op-amp sebagai pengatur kecepatan motor AC adalah IC LM324. Bentuk dan data sheet dari LM 32 dapat dilihat pada gambar 13.1.
Gambar 13.1 Data Sheet LM 324 (Sumber: http://elektronika-dasar.web.id/schmit-trigger-penguatoperasional-op-amp/)
86
Schmit Trigger merupakan komparator regeneratif yang berfungsi sebagai pembanding dengan umpan balik positif. Untuk mengubah tegangan masuk yang perubahannya sangat lambat kedalam keluaran yang berubah tajam bentuk gelombangnya (hampir tiodak kontinu) dan timbul tepat pada harga tertentu dari tegangan masuk diperlukan rangkaian pemicu schmit dimana sinyal masuk dapat diambil sembarang selama bentuk gelombangnya periodik dengan amplitudo cukup besar untuk melewati titik perpindahan atau batas jangkauan histerissis (VH) sehingga menghasilkan keluaran gelombang persegi. Schimitt triger pada dasarnya adalah komparator dengan 2 nilai pembanding (upper trip point/UTP dan lower trip point/LTP). Bekerjanya sebagai berikut. Misalkan sinyal digital dimasukan ke schmitt triger. Pada saat sinyal berada di logika 1, maka output schmitt trigger harus 1 juga (tergantung jenis, apabila digital buffer input dan output sama, tapi untuk inverter, outputnya kebalikan input). Apabila sinyal tersebut mendapat gangguan noise sehingga level menjadi turun, maka selama levelnya masih diatas LTP, output akan tetap. Kebalikannya jika sinyal berada di logika rendah, pada saat sinyal mendapat noise dan level jadi naik, maka selama level tidak melebihi UTP, output akan tetap. Jadi schmitt triger akan menghilangkan pengaruh noise tersebut. Pada dasarnya rangkaian pemicu schmit op-amp seperti terlihat pada gambar dibawah, dimana adanya pembagian 87
tegangan seghingga diperoleh umpan balik positif. Bila tegangan keluaran mengalami kejenuhan positif, maka tehamgam positif diumpamakan kembali ke masukan tak membalik, masukan positif ini menjaga keluaran pada keadaan tinggi. Sebaliknya, bila tegangan masuk mengalami kejenuhan negatif diumpamakan kembali kemasukan tak membalik dan keluaran pada keadaan rendah. Bentuk dari rangkaian Schmitt trigger dengan menggunakan IC LM324 dapat dilihat pada gambar 13.2.
Gambar 13.2 Rangkaian Schmiit Trigger (Sumber: http://elektronika-dasar.web.id/schmit-trigger-penguatoperasional-op-amp/)
88
Rangkaian pada gambar 1.2 dapat dilihat bahwa umpan balik positif memperkuat keadaan keluaran yang ada, jadi faktor umpan balik adalah B = R2 : (R1-R2). Bila keluaran mengalami kejenuhan positif, tegangan referensi yang diterapkan pada masukan tak membalik adalah V ref = +B * V jen. Bila keluarannya mengalami kejenuhan negatif, tegangan referensi adalah V ref = -B * V jen. Seperti yang ditunjukkan diatas, tegangan-tegangan referensi ini sama dengan titik perpindahan atas (Uper Trip Point, UTP) atau +B.vjen dan titik perpindahan bawah (Lower Trip Point, LTP) atau -B.vjen. Hal ini dapat dilihat pada gambar berikut sebagai rangkaian dasar pemicu schmitt. B. Rangkaian Single Driver Mosfet Mosfet (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) merupakan salah satu jenis transistor yang memiliki impedansi mauskan (gate) sangat tinggi (Hampir tak berhingga) sehingga dengn
menggunakan
mosfet
sebagai
saklar
elektronik,
memungkinkan untuk menghubungkannya dengan semua jenis gerbang logika. Dengan menjadikan mosfet sebagai saklar, maka dapat digunakan untuk mengendalikan beban dengan arus yang tinggi dan biaya yang lebih murah daripada menggunakan transistor bipolar. Untuk membuat mosfet sebgai saklar maka hanya menggunakan mosfet pada kondisi saturasi (ON) dan kondisi cut-off (OFF).
89
Pada daerah cut-off mosfet tidak mendapatkan tegangan input (Vin = 0V) sehingga tidak ada arus drain Id yang mengalir. Kondisi ini akan membuat tegangan Vds = Vdd. Dengan beberapa kondisi diatas maka pada daerah cut-off ini mosfet dikatakan OFF (Full-Off).
Kondisi
cut-off
ini
dapat
diperoleh
dengan
menghubungkan jalur input (gate) ke ground, sehingga tidaka ada tegangan input yang masuk ke rangkaian saklar mosfet. Pada rangkaian pengatur kecepatan motor AC ini, menggunakan single mosfet dengan jenis mosfet kanal N. Untuk menambah kekuatan daya skema rangkaian speed controller pada gambar di atas bisa dikerjakan dngn ganti mosfet IRF521 dngn mosfet yg mempunyai kekuatan mengalirkan arus yg semakin besar. Simbol dan bentuk fisik dari mosfet bisa dilihat pada gambar 13.3.
Gambar 13.3 Simbol dan Bentuk Mosfet Kanal N (Sumber: http://elektronika-dasar.web.id/mosfet-sebagai-saklar/)
90
C. Pengatur Kecepatan Motor/PWM (Pulse Widht Modulation) Modulasi lebar pulsa (PWM) dicapai/diperoleh dengan bantuan sebuah gelombang kotak yang mana siklus kerja (duty cycle) gelombang dapat diubah-ubah untuk mendapatkan sebuah tegangan keluaran yang bervariasi yang merupakan nilai rata-rata dari gelombang tersebut. Gambar gelombang kotak pada PWM dapat dilihat pada gambar 13.4.
Gambar 13.4 Gelombang Kotak Pada PWM (Sumber: http://www.vedcmalang.com/pppptkboemlg/index.php/menuutama/listr ik-electro/1066-jos2)
Lebar dutycycle PWM ditentukan oleh level pengaturan tegangan referensi VREF dan tegangan keluaran segitiga rangkaian integrator. Level pengaturan tegangan referensi V REF ditetapkan diantara nilai dari level tegangan keluaran segitiga rangkaian integrator yang diberikan pada rangkaian komparator. Tegangan keluaran dari komparator berbentuk segitiga dengan durasi tergantung pada tegangan referensi VREF seperti yang ditunjukkan pada gambar 9.8. Semakin rendah nilai dari tegangan referensi VREF,
91
maka akan semakin lebar durasi waktu pulsa positif dari tegangan keluaran VOB. Gambar konsep pembentukan tegangan PWM dapat dilihat pada gambar 13.5.
Gambar 13.5 Konsep Pembentukan Tegangan PWM (Sumber: http://www.vedcmalang.com/pppptkboemlg/index.php/menuutama/listr ik-electro/1066-jos2)
D. Motor AC sinkron Motor AC adalah jenis motor listrik yang bekerja menggunakan tegangan AC (Alternating Current). Motor AC memiliki dua buah bagian utama yaitu “stator” dan “rotor”. Stator merupakan komponen motor AC yang statis. Rotor merupakan komponen motor AC yang berputar. Motor AC dapat dilengkapi dengan penggerak frekuensi variabel untuk mengendalikan kecepatan sekaligus menurunkan konsumsi dayanya. Motor AC dibedakan menjadi dua, yaitu motor AC sinkron dan motor AC
92
induksi. Pada rangkaian pengatur kecepatan motor AC ini, jenis motor AC yang akan digunakan adalah motor AC sinkron. Motor sinkron adalah motor AC, bekerja pada kecepatan tetap pada sistim frekuensi tertentu. Motor ini memerlukan arus searah (DC) untuk pembangkitan daya dan memiliki torque awal yang rendah, dan oleh karena itu motor sinkron cocok untuk penggunaan awal dengan beban rendah, seperti kompresor udara, perubahan frekuensi dan generator motor. Motor sinkron mampu untuk memperbaiki faktor daya sistim, sehingga sering digunakan pada sistim yang menggunakan banyak listrik. Bentuk motor AC sinkron dapat dilihat pada gambar 13.6 dan 13.7.
Gambar 13.6 Motor AC Sinkron (Sumber: http://zonaelektro.net/motor-ac/)
93
Gambar 913.7 Motor AC Sinkron (Sumber: http://zonaelektro.net/motor-ac/)
Komponen utama motor AC sinkron adalah rotor, perbedaan utama antara motor sinkron dengan motor induksi adalah bahwa rotor mesin sinkron berjalan pada kecepatan yang sama dengan perputaran medan magnet. Hal ini memungkinkan sebab medan magnit rotor tidak lagi terinduksi. Rotor memiliki magnet permanen atau arus DC-excited, yang dipaksa untuk mengunci pada posisi tertentu bila dihadapkan dengan medan magnet lainnya. Komponen yang lain adalah stator, stator menghasilkan medan magnet berputar yang sebanding dengan frekuensi yang dipasok. E. Cara Kerja Rangkaian Op-Amp Sebagai Pengatur Kecepatan Motor/PWM Secara umum bagian-bagian dari rangkaian PWM dengan menggunakan Op-Amp terdiri dari rangkaian schimitt trigger, integrator, komparator dan driver motor. Schmit trigger merupakan komparator regeneratif yang berfungsi sebagai pembanding dengan umpan balik positif, sehingga rangkaian schmit
94
trigger akan menghasilkan gelombang kotak yang dibutuhkan oleh rangkaian intregator sebagai input. Rangkaian integrator aktif dengan op-amp ini juga berasal dari rangkaian penguat inverting dengan tahanan umpan baliknya diganti dengan kapasitor seperti yang dilihat pada gambar 9.3. rangkaian intergator ini akan menghasilkan sinyal keluaran segitiga/gergaji. Yang kemudian hasil dari rangkaian integrator akan dimasukkan ke rangkaian komparator. Pada rangkaian komparator ini bekerja dengan cara membandingkan masukan tegangan referensi yang diatur dengan potensiometer dan output dari rangkaian inegrator. Hasil perbandingan ini akan menghasilkan sinyal PWM. Besarnya frekuensi tegangan gigi gergaji tergantung dari besanya nilai dari resistor R dan kapasitor rangkaian integrator. Untuk mendapatkan tegangan kotak dengan lebar pulsa berubah (PWM-Pulse Width Modulation), tegangan keluaran segitiga integrator dibandingkan dengan tegangan referensi DC pada rangkaian komparator. Dan untuk pengaturan putaran motor dibantu dengan komponen Mosfet kanal N. Rangkaian PWM dengan menggunakan Op-Amp untuk mengatur kcepatan motor AC dapat dilihat pada gambar 13.8.
95
Gambar 13.8 Gambar Rangkaian PWM dengan menggunakan Op-Amp (Sumber: Pribadi)
F. Rangkuman 1. Schmit Trigger merupakan komparator regeneratif yang berfungsi sebagai pembanding dengan umpan balik positif dan menghasilkan sinyal kotak. 2. Rangkaian integrator aktif dengan op-amp ini juga berasal dari rangkaian penguat inverting dengan tahanan umpan baliknya diganti dengan kapasitor dan menghasilkan sinyal segitiga. Besarnya frekuensi tegangan gigi gergaji tergantung dari besanya nilai dari resistor R dan kapasitor rangkaian integrator. 3. Rangkaian
komparator
ini
bekerja
dengan
cara
membandingkan masukan tegangan referensi yang diatur dengan potensiometer dan output dari rangkaian inegrator.
96
4. Penggunaan mosfet sebagai saklar elektronik, maka dapat digunakan untuk mengendalikan beban dengan arus yang tinggi dan biaya yang lebih murah daripada menggunakan transistor bipolar. 5. Motor sinkron adalah motor AC, bekerja pada kecepatan tetap pada sistim frekuensi tertentu. Motor ini memerlukan arus searah (DC) untuk pembangkitan daya dan memiliki torque awal yang rendah. Soal Latihan 1. Sebutkan komponen-komponen yang digunakan dalam pembuatan PWM dengan op-amp untuk mengatur kecepatan putaran motor AC! 2. Bagaimana cara kerja PWM menggunakan op-amp? 3. Bagaimana cara kerja motor AC sinkron? 4. Bagaimana cara kerja dari single driver mosfet? 5. Proseskan cara keja dari rangkaian op-amp sebagai pengatur kecepatan motor AC !
97
BAB 14
KONVERTER ADC TO DAC
Kompetensi Dasar 3.14.1 Menganalisis prinsip kerja konvertor A/D (Analog to Digital) dan D/A (Digital to Analog). Indikator Pencapaian Kompetensi 3.14.1 Menjelaskan rangkaian ADC. 3.14.2 Mengklasifikasikan jenis-jenis rangkaian ADC. 3.14.3 Menentukan karakteistik IC 0804 sebagai komponen ADC. 3.14.4 Mendiagramkan proses kerja rangkaian ADC. 3.14.5 Menjelaskan rangkaian DAC 3.14.6 Mengklasifikasikan jenis-Jenis rangkaian DAC. Tujuan Pembelajaran 1. Menjelaskan rangkaian ADC. 2. Mengklasifikasikan jenis-jenis rangkaian ADC. 3. Menentukan karakteistik IC 0804 sebagai komponen ADC. 4. Mendiagramkan proses kerja rangkaian ADC. 5. Menjelaskan rangkaian DAC 6. Mengklasifikasikan jenis-Jenis rangkaian DAC.
98
A. Rangkaian ADC Konveter adalah alat bantu digital yang paling penting untuk teknologi kontrol proses adalah yang menerjemahkan informasi digital ke bentuk analog dan juga sebaliknya. Sebagian besar pengukuran variabel-variabel dinamik dilakukan oleh piranti ini yang menerjemahkan informasi mengenai vaiabel ke bentuk sinyal listrik analog. Untuk menghubungkan sinyal ini dengan sebuah komputer atau rangkaian logika digital, sangat perlu untuk terlebih dahulu melakukan konversi analog ke digital (A/D). Hal-hal mengenai konversi ini harus diketahui sehingga ada keunikan, hubungan khusus antara sinyal analog dan digital. Berdasar dari sedikit uraian materi diatas, maka dapat dikatakan bahwa Analog To Digital Converter (ADC) adalah pengubah input analog menjadi kode – kode digital. ADC banyak digunakan sebagai Pengatur proses industri, komunikasi digital dan rangkaian pengukuran/ pengujian. Umumnya ADC digunakan sebagai perantara antara sensor yang kebanyakan analog dengan sistim komputer seperti sensor suhu, cahaya, tekanan/ berat, aliran dan sebagainya kemudian diukur dengan menggunakan sistim digital (komputer). ADC memiliki 2 karakter prinsip, yaitu kecepatan sampling dan resolusi. Kecepatan sampling suatu ADC bisa dikatakan “seberapa sering sinyal analog dikonversikan ke bentuk sinyal digital pada selang waktu tertentu”. Kecepatan sampling biasanya 99
dinyatakan dalam sample per second (SPS). Ilustrasi dari kecepatan sampling ADC dapat dilihat pada gambar 14.1.
Gambar 14.1 Kecepatan Sampling ADC (Sumber: http://zonaelektro.net/adc-analog-to-digital-converter/)
Sedangkan untuk Resolusi ADC menentukan “ketelitian nilai hasil konversi ADC”. Sebagai contoh: ADC 8 bit akan memiliki output 8 bit data digital, ini berarti sinyal input dapat dinyatakan dalam 255 (2n – 1) nilai diskrit. ADC 12 bit memiliki 12 bit output data digital, ini berarti sinyal input dapat dinyatakan dalam 4096 nilai diskrit. Dari contoh diatas ADC 12 bit akan memberikan ketelitian nilai hasil konversi yang jauh lebih baik daripada ADC 8 bit. B. Jenis-jenis Rangkaian ADC 1. ADC Simultan ADC Simultan atau biasa disebut flash converter atau parallel converter. Input analog Vi yang akan diubah ke bentuk digital diberikan secara simultan pada sisi + pada komparator tersebut, dan input pada sisi – tergantung pada ukuran bit converter. Ketika Vi melebihi tegangan input – dari suatu komparator, maka output komparator adalah high,
100
sebaliknya akan memberikan output low. Bentuk dari ADC simultan dapat dilihat pada gambar 14.2.
Gambar 14.2 Rangkaian ADC Simultan (Sumber: http://zonaelektro.net/adc-analog-to-digital-converter/)
2. Counter Ramp ADC Counter Ramp ADC didalamnya terdapat DAC yang diberi masukan dari counter, masukan counter dari sumber Clock dimana sumber Clock dikontrol dengan cara meng AND kan dengan keluaran Comparator. Comparator membandingkan antara tegangan masukan analog dengan tegangan keluaran DAC, apabila tegangan masukan yang akan dikonversi belum sama dengan tegangan keluaran dari DAC maka keluaran comparator = 1 sehingga Clock dapat memberi masukan counter dan hitungan counter naik. Bentuk dari rangkaian counter ramp ADC dapat dilihat pada gambar 10.3. Misal akan dikonversi tegangan analog 2 volt, dengan mengasumsikan counter reset, sehingga keluaran pada DAC juga 0 volt. Apabila konversi dimulai maka counter akan naik dari
101
0000 ke 0001 karena mendapatkan pulsa masuk dari Clock oscillator dimana saat itu keluaran Comparator = 1, karena mendapatkan kombinasi biner dari counter 0001 maka tegangan keluaran DAC naik dan dibandingkan lagi dengan tegangan masukan demikian seterusnya nilai counter naik dan keluaran tegangan DAC juga naik hingga suatu saat tegangan masukan dan tegangan keluaran DAC sama yang mengakibatkan keluaran komparator = 0 dan Clock tidak dapat masuk. Nilai counter saat itulah yang merupakan hasil konversi dari analog yang dimasukkan. Kelemahan dari counter tersebut adalah lama, karena harus melakukan trace mulai dari 0000 hingga mencapai tegangan yang sama sehingga butuh waktu.
Gambar 14.3 Rangkaian Counter Ramp ADC (Sumber: http://zonaelektro.net/adc-analog-to-digital-converter/)
102
3. SAR ADC Pada gambar diatas ditunjukkan diagram ADC jenis SAR, Yaitu dengan memakai konvigurasi yang hampir sama dengan counter ramp tetapi dalam melakukan trace dengan cara tracking dengan mengeluarkan kombinasi bit MSB = 1 ==> 1000 0000. Apabila belum sama (kurang dari tegangan analog input maka bit MSB berikutnya = 1 ==>1100 0000) dan apabila tegangan analog input ternyata lebih kecil dari tegangan yang dihasilkan DAC maka langkah berikutnya menurunkan kombinasi bit ==> 10100000. Bentuk dari rangkaian SAR ADC dapat dilihat pada gambar 14.4.
Gambar 14.4 Rangkaian SAR ADC (Sumber: http://zonaelektro.net/adc-analog-to-digital-converter/)
103
Untuk mempermudah pengertian dari metode ini diberikan contoh seperti pada timing diagram gambar dibawah Misal diberi tegangan analog input sebesar 6,84 volt dan tegangan referensi ADC 10 volt sehingga dapat dilihat pada gambar 14.5.
Gambar 14.5 Timing Diagram Urutan Trace SAR ADC (Sumber: http://zonaelektro.net/adc-analog-to-digital-converter/)
Setelah diberikan sinyal start maka konversi dimulai dengan memberikan kombinasi 1000 0000 ternyata menghasilakan tegangan 5 volt dimana masih kurang dari tegangan input 6,84 volt, kombinasi berubah menjadi 1100 0000 sehingga Vout=7,5 volt dan ternyata lebih besar dari 6,84 sehingga kombinasi menjadi 1010 0000 tegangan Vout = 6,25 volt kombinasi naik lagi 1011 0000 demikian seterusnya hingga mencapai tegangan 6,8359 volt dan membutuhkan hanya 8 clock.
C. Karakteristik IC 0804 ADC 0804 merupakan salah satu Analog to Digital Converter yang banyak digunakan untuk menghasilkan data 8 bit. Dengan metode pengukur aras tegangan sampling dan mengubahnya ke dalam sandi biner menggunakan metode pengubahan dengan tipe
104
pembanding langsung atau successive approximation. Konstruksi pin IC 0804 dapat dilihat pada gambar 10.6.
Gambar 14.6 Konstruksi pin IC 0804 (Sumber: http://elektronika-dasar.web.id/adc-analog-to-digitalconvertion-ic-0804/)
IC ADC 0804 mempunyai dua input analog, Vin(+) dan Vin(), sehingga dapat menerima input diferensial. Input analog sebenarnya (Vin) sama dengan selisih antara tegangan-tegangan yang dihubungkan dengan ke dua pin input yaitu Vin = Vin(+) – Vin(). Apabila input analog berupa tegangan tunggal, tegangan ini harus dihubungkan dengan Vin(+), sedangkan Vin(-) digroundkan. Untuk operasi normal, ADC 0804 menggunakan Vcc = +5 Volt sebagai tegangan referensi. Dalam hal ini jangkauan input analog mulai dari 0 Volt sampai 5 Volt (skala penuh). ADC ini relatif cepat dan mempunyai ukuran kecil. Keuntungan tambahan adalah setiap sampling diubah dalam selang 105
waktu yang sama tidak tergantung pada arus masukan dan secara keseluruhan ditentukan oleh frekuensi yang mengendalikan clock dan resolusi dari pengubah. Sebagai contoh, pengubah 8 bit digunakan untuk menentukan arus logika setiap bit secara berurutan mulai dari bit signifikan terbesar jika frekuensi clock 10 KHz, waktu pengubahan 8 x periode clock = 8 x 0,1 mdetik. Jika frekuensi clock dinaikkan menjadi 1 MHz, waktu pengubahan akan berkurang menjadi 8 detik. Kekurangan pengubahan jenis ini adalah mempunyai kekebalan rendah terhadap noise dan diperlukan adanya pengubah digital ke analog yang tepat dan pembanding dengan unjuk kerja yang tinggi. IC ADC 0804 adalah sebuah CMOS 8bit dan IC ADC ini bekerja dibawah 100 us.
D. Diagram Blok Proses ADC Proses yang terjadi dalam rangkaian ADC meliputi pencuplikan, pengkuantitasan, pengkodean. Untuk lebih jelasnya bias dilihat pada gambar 14.7 tentang diagram blok proses rangkaian ADC.
Gambar 14.7 Diagram Blok Proses Rangkaian ADC (Sumber: https://depokinstruments.com/2011/07/20/adc-analog-todigital-converter/)
106
Pencuplikan adalah proses mengambil suatu nilai pasti (diskrit) dalam suatu data kontinu dalam satu titik waktu tertentu dengan periode yang tetap.Semakin besar frekuensi pen-cuplik-an, berarti semakin banyak data diskrit yang didapatkan, maka semakin cepat ADC tersebut memproses suatu data analog menjadi data digital. Proses pencuplikan pada rangkaian ADC dapat dilihat pada gambar 14.8.
Gambar 14.8 Proses Penculikan Pada Rangkaian ADC (Sumber: https://depokinstruments.com/2011/07/20/adc-analog-todigital-converter/)
Pengkuantitasan adalah proses pengelompokan data diskrit yang didapatkan pada proses pertama ke dalam kelompokkelompok data. Kuantisasi, dalam matematika dan pemrosesan sinyal digital, adalah proses pemetaan nilai input seperti pembulatan nilai.Semakin banyak kelompok-kelompok dalam proses kuantisasi, berarti semakin kecil selisih data diskrit yang didapatkan dari data analog, maka semakin teliti ADC tersebut 107
memproses suatu data analog menjadi data digital. Proses pengkuantitasan pada rangkaian ADC dapat dilihat pada gambar 14.9.
Gambar 14.9 Proses Pengkuantitasan Pada Rangkaian ADC (Sumber: https://depokinstruments.com/2011/07/20/adc-analog-todigital-converter/)
Pengkodean adalah mengkode data hasil kuantisasi ke dalam bentuk digital (0/1) atau dalam suatu nilai biner. Secara matematis, proses ADC dapat dinyatakan dalam persamaan Data_ADC = (Vin/Vref) x Maksimal_Data. Dengan Vref adalah jenjang tiap kelompok dalam proses kuantisasi, kemudian Maksimal_Data berkaitan proses ke-3 (pengkodean). Sedangkan proses ke-1 adalah seberapa cepat data ADC dihasilkan dalam satu kali proses. Proses pengkodean pada rangkaian ADC dapat dilihat pada gambar 14.10.
108
Gambar 14.10 Proses Pengkodean Pada Rangkaian ADC (Sumber: https://depokinstruments.com/2011/07/20/adc-analog-todigital-converter/)
E. Rangkaian DAC DAC (Digital To Analog Converter) DAC (Digital To Analog Converter) adalah perangkat elektronika yang berfungsi untuk mengubah sinyal digital (diskrit) menjadi sinyal analog (kontinyu). Aplikasi DAC (Digital To Analog Converter) adalah sebagai antarmuka (interface) antara perangkat yang bekerja dengan sistem digital dan perangkat pemroses sinyal analog. Perangkat DAC (Digital To Analog Converter) dapat berupa rangkaian elektronika dan chip IC DAC. Pada dasarnya rangkaian penjumlah op-amp (summing amplifier) dapat digunakan untuk menyusun suatu konverter D/A (DAC “Digital To Analog Converter)” dengan memakai sejumlah hambatan masukan yang diberi bobot dalam deret biner. Penguat penjumlah memiliki ciri khusus yaitu sinyal keluaran merupakan hasil penguatan dari penjumlahan sinyal masukannya. Pada bagian 109
ini dicontohkan penguat penjumlah berdasarkan rangkaian penguat inverting. Sehingga sinyal keluaran adalah berbeda fasa sebesar 180o. Rangkaian penguat penjumlah merupakan konsep dasar dari rangkaian DAC (Digital To Analog Converter). Penguatan dari rangkaian ini dihitung menggunakan persamaan Vout = (Vin1(R5/R1))+(-Vin2(R5/R2))+(-Vin3(R5/R3)). Gambar dari rangkaian DAC menggunakan inverting dapat dilihat pada gambar 14.11.
Gambar 14.11 Rangkaian DAC Menggunakan Inverting (Sumber: http://elektronika-dasar.web.id/dac-digital-to-analogconvertion/)
F. Jenis-jenis DAC 1. Binary Weighted DAC Binary weighted adalah salah satu dari rangkaian konverter digital ke analog yang
disusun dari beberapa resistor dan
operational amplifier (op-amp) seperti pada gambar 14.12.
110
Gambar 14.12 Konveter DAC Menggunakan Resistor Dan Op-Amp (Sumber: http://elektronika-dasar.web.id/dac-digital-to-analogconvertion/)
Secara prinsip rangkaian DAC diatas dapat dijelaskan sebagai berikut. Resistor 20 kΩ menjumlahkan arus yang dihasilkan dari penutupan switch-switch D0 sampai D3. Resistor-resistor ini diberi skala nilai sedemikian rupa sehingga memenuhi bobot biner (binary-weighted) dari arus yang selanjutnya akan dijumlahkan oleh resistor 20 kΩ. Dengan menutup D0 menyebabkan arus 50 μA mengalir melalui resistor 20 kΩ, menghasilkan tegangan -1 V pada Vout. Penutupan masing-masing switch menyebabkan penggandaan nilai arus yang dihasilkan dari switch sebelumnya. 2. R/2R Ladder DAC Metode lain dari konversi Digital to Analog adalah R/2R Ladder. Metode ini banyak digunakan dalam IC-IC DAC. Pada rangkaian R/2R Ladder, hanya dua nilai resistor yang diperlukan,
111
yang dapat diaplikasikan untuk IC DAC dengan resolusi 8,10 atau 12 bit. Rangkaian R/2R Ladder ditunjukkan pada gambar 14.13.
Gambar 14.13 Konveter DAC Menggunakan R/2R Ladder (Sumber: http://elektronika-dasar.web.id/dac-digital-to-analogconvertion/)
Prinsip kerja dari rangkaian R/2R Ladder DAC adalah sebagai berikut : informasi digital 4 bit masuk ke switch D 0 sampai D3. Switch ini mempunyai kondisi “1” (sekitar 5 V) atau “0” (sekitar 0 V). Dengan pengaturan switch akan menyebabkan perubahan arus yang mengalir melalui R9 sesuai dengan nilai ekivalen biner-nya Sebagai contoh, jika D0 = 0, D1 = 0, D2 = 0 dan D3 = 1, maka R1 akan paralel dengan R5menghasilkan 10 k . Selanjutnya 10 k ini seri dengan R6 = 10 k menghasilkan 20 k . 20 k ini paralel dengan R2 menghasilkan 10 k , dan seterusnya sampai R7, R3 dan R8. Rangkaian ekivalennya ditunjukkan pada gambar 10.13. Vout yang dihasilkan dari kombinasi switch ini adalah -5V.
112
Gambar 14.14 Rangkaian Ekivalen Konveter DAC Menggunakan R/2R Ladder (Sumber: http://elektronika-dasar.web.id/dac-digital-to-analogconvertion/)
Untuk mendapatkan Vout analog dari rangkaian R/2R Ladder DAC diatas dapat dihitung dengan menggunakan persamaan Vout = (Vref(R9/R)) * ((D0/16) + (D1/8) + (D2/4) + (D1/2)).
G. Karakteristik IC 0808 Digital to Analog Converter (DAC) adalah rangkaian elektronika yang berfungsi untuk mengubah kode-kode digital (BCD) menjadi sinyal analog (volt). Salah satu IC yang didesain khusus sebagai Digital to Analog Converter (DAC) adalah IC DAC 0808 buatan national semiconductor. IC DAC 0808 ini adalah chip yang didesain sebagai Digital to Analog Converter (DAC) yang menerapkan metode conversi data tangga R-2R 8 bit. IC DAC 0808 ini dilengkapi dengan pin kontrol tegangan referensi yang berfungsi
113
sebagai adjustment output DAC terhadap data input yang diberikan. Berikut adalah gambar fisik Digital to Analog Converter (DAC) tipe DAC 0808. Bentuk konfigurasi pin dari IC 0808 dapat dilihat pada gambar 14.15.
Gambar 14.15 Konfigurasi Pin IC 0808 (Sumber: http://elektronika-dasar.web.id/dac-digital-to-analogconvertion/)
Konfigurasi dari masing-masing kaki (pin) dari Digital to Analog Converter (DAC) IC 0808 adalah sebagai berikut : 1. Pin 1 (NC) tidak dipakai ( NC singkatan dari no connection ). 2. Pin 2 (GND) adalah jalur ke ground. 3. Pin 3 (VEE) dihubungkan ke jalur -12V. 4. Pin 4 adalah saluran jalur output DAC 0808, yang sifatnya adalah output membalik. 5. Pin 5 s/d 12 (Input) merupakan jalur input 8 bit data biner. 6. Pin 13 (VCC) harus dipasang pada catu daya +5V.
114
7. Pin 14 (+ Vref) berfungsi sebagai input tegangan referensi positif. Penggunaanya dihubungkan dengan catu daya positif melalui resistor atau VR. 8. Pin 15 (- Vref) berfungsi sebagai input tegangan referensi negatif. Penggunaanya dihubungkan dengan catu daya negatif atau ground melalui resistor atau VR. 9. Pin 16 (COMP) adalah terminal kompensator frekuensi terhadap IC DAC 0808 ini. aplikasinya dipasang sebuah kapasitor yang terhubung ke jalur VCC. Sesuai datasheet dari Digital to Analog Converter (DAC) IC 0808 yang dikeluarkan oleh national semiconductor spesifikasi teknis Digital to Analog Converter (DAC) 0808 adalah sebagai berikut. 1. Relative accuracy: ±0.19% error maximum. 2. Full scale current match: ±1 LSB typ. 3. Fast settling time: 150 ns typ. 4. Noninverting digital inputs are TTL and CMOS compatible. 5. High speed multiplying input slew rate: 8 mA/μs. 6. Power supply voltage range: ±4.5V to ±18V. 7. Low power consumption: 33 mW @ ±5V. H. Diagram Blok Proses DAC Walaupun banyak metode konversi dalam DAC, jika digeneralisasi proses dalam DAC terbagi atas tiga bagian, yaitu meliputipengkodean, pengkuantitasan, pengkalkulasian. Untuk 115
lebih jelasnya bias dilihat pada gambar 14.16 tentang diagram blok proses rangkaian DAC.
Gambar 14.16 Diagram Blok Proses DAC (Sumber: https://depokinstruments.com/2016/01/08/dac-digital-toanalog-converter/)
Pengkodean adalah proses penyusunan sistematis data input menjadi suatu bilangan biner sempurna, mulai dari LSB sampai dengan MSB, yang dapat diproses oleh DAC. Jika input berupa data digital paralel, maka proses Peng-kode-an hanya merupakan jalur penghubung antara input dengan proses selanjutnya. Tetapi jika input merupakan data digital serial, maka proses Peng-kode-an menjadi suatu proses yang melibatkan ‘Clockreference’ untuk mengubah data serial menjadi suatu bilangan biner seperti pada gambar 14.17.
116
Gambar 14. 17 Proses Pengkodean Rangkaian DAC (Sumber: https://depokinstruments.com/2016/01/08/dac-digital-toanalog-converter/)
Pengkuantitasan adalah proses pemilahan bit-bit biner data input ke dalam kanal-kanal yang bersesuaian dengan level nilai analognya. Proses ini melibatkan tegangan referensi sebagai nilai maksimal hasil konversi. Pada umumnya hasil keluaran dari kanal-kanal kuantisasi adalah arus listrik untuk mempermudah proses penggabungannya di proses ketiga. Pengkalkulasian adalah proses menggabungkan dan mengkalkulasi keluaran dari kanal-kanal di proses kedua menjadi tegangan analog. Rangkaian tersederhana berupa penambahan resistor dapat diterapkan pada proses ini jika keluaran dari kanal kuantisasi berupa arus listrik, V=I.R. Tetapi jika menginginkan tegangan analog yang dihasilkan DAC stabil, maka sebaiknya ditambahkan rangkaian ‘Operasional Amplifier’. Proses kerja dari
117
pengkalkulasian dan pengkuantitasan pada DAC dapat dilihat pada gambar 14.18.
Gambar 14.18 Proses kerja dari pengkalkulasian dan pengkuantitasan pada DAC (Sumber: https://depokinstruments.com/2016/01/08/dac-digital-toanalog-converter/)
I. Soal Latihan 1. Jelaskan tentang rangkaian ADC ! 2. Sebutkan jenis-jenis rangkaian ADC ! 3. Bagaimana karakteistik IC 0804 sebagai komponen ADC ? 4. Pada diagram proses kerja rangkaian ADC terdapat proses kuantitas, jelaskan prinsip kejanya ! 5. Jelaskan tentang rangkaian DAC 6. Sebutkan jenis-Jenis rangkaian DAC ! 7. Bagaimana karakteistik IC 0808 sebagai komponen DAC ?
118
8. Pada diagram proses kerja rangkaian DAC terdapat proses pengkodean, jelaskan prinsip kejanya ! J. Rangkuman 1. Analog To Digital Converter (ADC) adalah pengubah input analog menjadi kode – kode digital. ADC banyak digunakan sebagai Pengatur proses industri, komunikasi digital dan rangkaian pengukuran/ pengujian. 2. ADC Simultan atau biasa disebut flash converter atau parallel converter. Input analog Vi yang akan diubah ke bentuk digital diberikan secara simultan pada sisi + pada komparator tersebut, dan input pada sisi – tergantung pada ukuran bit converter.
3. Counter Ramp ADC didalamnya terdapat DAC yang diberi masukan dari counter, masukan counter dari sumber Clock dimana sumber Clock dikontrol dengan cara meng AND kan dengan keluaran Comparator. 4. ADC 0804 merupakan salah satu Analog to Digital Converter yang banyak digunakan untuk menghasilkan data 8 bit. Dengan metode pengukur aras tegangan sampling dan mengubahnya ke dalam sandi biner menggunakan metode pengubahan dengan tipe pembanding langsung atau successive approximation. 5. Proses yang terjadi dalam rangkaian ADC meliputi pencuplikan, pengkuantitasan, pengkodean. 6. DAC (Digital To Analog Converter) DAC (Digital To Analog
119
Converter) adalah perangkat elektronika yang berfungsi untuk mengubah sinyal digital (diskrit) menjadi sinyal analog (kontinyu). 7. Binary weighted adalah salah satu dari rangkaian konverter digital ke analog yang
disusun dari beberapa resistor dan
operational amplifier (op-amp). 8. Pada rangkaian R/2R Ladder, hanya dua nilai resistor yang diperlukan, yang dapat diaplikasikan untuk IC DAC dengan resolusi 8,10 atau 12 bit.
9. Walaupun banyak metode konversi dalam DAC, jika digeneralisasi proses dalam DAC terbagi atas tiga bagian, yaitu
meliputipengkodean,
pengkuantitasan,
pengkalkulasian. 10. Digital to Analog Converter (DAC) adalah rangkaian elektronika yang berfungsi untuk mengubah kode-kode digital (BCD) menjadi sinyal analog (volt). Salah satu IC yang didesain khusus sebagai Digital to Analog Converter (DAC) adalah IC DAC 0808 buatan national semiconductor.
120
BAB 15
RANGKAIAN ADC MENGGUNAKAN JARINGAN RESISTOR Kompetensi Dasar 3.15
Menerapkan konvertor A/D (Analog to Digital) dengan jaringan resistor.
Indikator Pencapaian Kompetensi 3.15.1 Mengklasifikasikan komponen rangkaian ADC dengan menggunakan jaringan resistor. 3.15.2 Menentukan diagram blok dari rangkaian ADC dengan menggunakan jaringan resistor. 3.15.3 Memproseskan
cara
kerja
rangkaian
ADC
dengan
rangkaian
ADC
dengan
menggunakan jaringan resistor. Tujuan Pembelajaran 1. Mengklasifikasikan
komponen
menggunakan jaringan resistor. 2. Menentukan diagram blok dari rangkaian ADC dengan menggunakan jaringan resistor. 3. Memproseskan cara kerja rangkaian ADC dengan menggunakan jaringan resistor.
121
A. Komponen Rangkaian ADC Dengan Menggunakan Jaringan Resistor 1. Jaringan Resistor Sebuah jaringan resistor mengacu pada sejumlah resistor yang dikonfigurasi menjadi pola yang diberikan. Paling sering, jaringan ini menggunakan resistor yang terhubung secara end-toend secara seri; Namun, sejumlah variasi ada di mana resistor dihubungkan secara paralel atau rangkaian paralel sejajar menyerupai tangga. Dalam semua kasus, resistor dalam jaringan ini bertindak sebagai pembagi tegangan, yang membagi voltase yang diterapkan ke sirkuit menjadi jumlah yang lebih kecil. Praktisnya, jaringan resistor digunakan untuk memberikan tegangan suplai fraksional di berbagai sirkuit atau untuk melakukan fungsi konversi digital-ke-analog dan analog-ke-digital. Ada kegunaan lain untuk jaringan resistor. Jika alih-alih menggunakan titik-titik di antara resistor di dalam jaringan untuk menghasilkan voltase yang berbeda, semuanya digunakan untuk memberikan voltase yang sama, jaringan kemudian dapat digunakan untuk mengubah sinyal analog menjadi informasi digital. Hal ini dilakukan dengan menghubungkan gerbang digital ke masing-masing titik tegangan di jaringan. Bila sinyal analog diterapkan, pemecah tegangan akan memberi serangkaian tegangan tinggi atau rendah yang meningkat, tergantung pada sinyal input, yang dibaca oleh gerbang digital saat dinyalakan atau 122
dimatikan. Gerbang kemudian akan mengirimkan informasi tersebut ke sirkuit lain sebagai satu atau nol, mengubah sinyal analog menjadi informasi digital. 2.
Op-Amp Operational Amplifier atau di singkat op-amp merupakan
salah satu komponen analog yang popular digunakan dalam berbagai aplikasi rangkaian elektronika. Aplikasi op-amp popular yang paling sering dibuat antara lain adalah rangkaian inverter, non-inverter, integrator dan differensiator. Pada pokok bahasan kali ini akan dipaparkan salah satu aplikasi op-amp sebagai pengatur kecepatan motor AC. Pada aplikasi tersebut, rangkaian op-amp yang digunakan adalah rangkaian komparator. Jenis IC yang digunakan dalam rangkaian op-amp sebagai pengatur kecepatan motor AC adalah IC LM324. Bentuk dan data sheet dari LM 32 dapat dilihat pada gambar 15.1.
123
Gambar 15.1 Data Sheet LM 324
Rangkaian komparator adalah alat yang di gunakan untuk membandingkan ukuran panjang, komparator umumnya di buat dari sebuah teleskop atau mikroskop yang di gerakan naik turun pada sebuah skala. Komparator juga bisa di sebut sebagai alat yang di gunakan untuk membuat perbandingan antara dua sinar atau warna. Selain itu, ada juga yang di sebut dengan rangkaian komparator tegangan. Komparator tegangan adalah sebuah rangkaian yang dapat dengan cermat membandingkan besar tegangan yang di hasilkan. Rangkaian ini biasanya menggunakan komparator OpAmp sebagai piranti utama dalam sebuah rangkaian. Saat ini terdapat dua jenis komparator tegangan, yaitu komparator
124
tegangan sederhana dan komparator tegangan dengan histerisis. Bentuk dari rangkaian komparator sedehana dengan menggunakan IC LM324 dapat dilihat pada gambar 15.2.
Gambar 15.2 Rangkaian Komparator Sederhana
Rangkaian
komparator
ini
dapat
kita
rangkai
menggunakan Vref yang di hubungkan ke V Supply, kemudian kedua resistor di gunakan sebagai pembagi tegangan, sehingga nilai tegangan yang di hasilkan dari komparator Op-Amp adalah semakin besar. Komparator Op-Amp akan membandingkan nilai tegangan pada kedua tegangan, apabila sebuah tegangan (-) lebih besar dari tegangan masukan (+) maka keluaran Op-Amp akan menjadi sama v Supply.
125
B. Diagram Blok Dari Rangkaian ADC Dengan Menggunakan Jaringan Resistor Rangkaian ADC Dengan Menggunakan Jaringan Resistor dapat digambarkan dengan diagram blok pada gambar 15.3. Dimana bisa dilihat ada blok diagram tegangan sebagai sumber dari rangkaian . dari tegangan masuk ke saklar untuk mengalirkan tegangan sehingga rangkaian bisa bekerja. Masuk ke jaringan resistor , padarangkaian ini resistor bisa disusun seri ataupun paralel, dan masuk ke op-amp dan dihasilkan ADC yang diinginkan.
Gambar 15.3 Diagram blok ADC dengan menggunakan jaringan resistor
C. Cara Kerja Rangkaian ADC Dengan Menggunakan Jaringan Resistor Metode lain dari konversi Analog to Digital adalah R/2R Ladder.. Pada rangkaian R/2R Ladder, hanya dua nilai resistor yang diperlukan. Rangkaian R/2R Ladder ditunjukkan pada gambar 15.4.
126
Gambar 15.4 Konveter DAC Menggunakan R/2R Ladder
Prinsip kerja dari rangkaian R/2R Ladder ADC adalah sebagai berikut : informasi digital 4 bit masuk ke switch D 0 sampai D3. Switch ini mempunyai kondisi “1” (sekitar 5 V) atau “0” (sekitar 0 V). Dengan pengaturan switch akan menyebabkan perubahan arus yang mengalir melalui R9 sesuai dengan nilai ekivalen biner-nya Sebagai contoh, jika D0 = 0, D1 = 0, D2 = 0 dan D3 = 1, maka R1 akan paralel dengan R5menghasilkan 10 k . Selanjutnya 10 k ini seri dengan R6 = 10 k menghasilkan 20 k . 20 k ini paralel dengan R2 menghasilkan 10 k , dan seterusnya sampai R7, R3 dan R8. Rangkaian ekivalennya ditunjukkan pada gambar 15.5. Vout yang dihasilkan dari kombinasi switch ini adalah -5V.
Gambar 15.5 Rangkaian Ekivalen Konveter DAC Menggunakan R/2R Ladder
127
Untuk mendapatkan Vout analog dari rangkaian R/2R Ladder DAC diatas dapat dihitung dengan menggunakan persamaan Vout = (-Vref(R9/R)) * ((D0/16) + (D1/8) + (D2/4) + (D1/2)). D. Soal Latihan 1. Gambarkan jaringan resistor sebagai konverter analog ke digital ! 2. Proseskan cara kerja dari rangkaian konverter analog kedigital dengan menggunakan resistor ! 3. Tentukan nilai resistor jika ingin mendapatkan outut 3-4 V dengan tegangan masukan 5VDC !
E. Rangkuman 1. Ada kegunaan lain untuk jaringan resistor. Jika alih-alih menggunakan titik-titik di antara resistor di dalam jaringan untuk menghasilkan voltase yang berbeda, semuanya digunakan untuk memberikan voltase yang sama, jaringan kemudian dapat digunakan untuk mengubah sinyal analog menjadi informasi digital. 2. Prinsip kerja dari rangkaian R/2R Ladder ADC adalah sebagai berikut : informasi digital 4 bit masuk ke switch D0 sampai D3. Switch ini mempunyai kondisi “1” (sekitar 5 V) atau “0” (sekitar 0 V).
3. Komparator tegangan adalah sebuah rangkaian yang dapat dengan cermat membandingkan besar tegangan yang di
128
hasilkan. Rangkaian ini biasanya menggunakan komparator Op-Amp sebagai piranti utama dalam sebuah rangkaian.
129
BAB 16
RANGKAIAN ADC MENGGUNAKAN OPAMP Kompetensi Dasar 3.16 Menerapkan kenvertor A/D (Analog to Digital), dengan Operational Amplifier (op-amp). Indikator Pencapaian Kompetensi 3.16.1 Mengklasifikasikan
komponen
rangkaian
ADC
menggunakan op-amp. 3.16.2 Menentukan rangkaian komparator dalam rangkaian ADC dengan menggunakan op-amp. 3.16.3 Menentukan rangkaian encoder dalam rangkaian ADC menggunakan op-amp Tujuan Pembelajaran 1. Mengklasifikasikan komponen rangkaian ADC menggunakan op-amp. 2. Menentukan rangkaian komparator dalam rangkaian ADC menggunakan op-amp. 3. Menentukan rangkaian encoder dalam rangkaian ADC menggunakan op-amp.
130
A. Komponen Rangkaian ADC Dengan Menggunakan Op-Amp Rangkaian ADC Dengan Menggunakan Op-Amp atau biasa disebut flash converter atau parallel converter. Pada rangkaian ini komponen-komponen yang digunakan adalah jaringan resistor, opamp (operational amplifier), dan rangkaian encoder. B. Jaringan resistor Sebuah jaringan resistor mengacu pada sejumlah resistor yang dikonfigurasi menjadi pola yang diberikan. Paling sering, jaringan ini menggunakan resistor yang terhubung secara end-toend secara seri; Namun, sejumlah variasi ada di mana resistor dihubungkan secara paralel atau rangkaian paralel sejajar menyerupai tangga. Dalam semua kasus, resistor dalam jaringan ini bertindak sebagai pembagi tegangan, yang membagi voltase yang diterapkan ke sirkuit menjadi jumlah yang lebih kecil. Praktisnya, jaringan resistor digunakan untuk memberikan tegangan suplai fraksional di berbagai sirkuit atau untuk melakukan fungsi konversi digital-ke-analog dan analog-ke-digital. Ada kegunaan lain untuk jaringan resistor. Jika alih-alih menggunakan titik-titik di antara resistor di dalam jaringan untuk menghasilkan voltase yang berbeda, semuanya digunakan untuk memberikan voltase yang sama, jaringan kemudian dapat digunakan untuk mengubah sinyal analog menjadi informasi digital. Hal ini dilakukan dengan menghubungkan gerbang digital ke masing-masing titik tegangan di jaringan. Bila sinyal analog 131
diterapkan, pemecah tegangan akan memberi serangkaian tegangan tinggi atau rendah yang meningkat, tergantung pada sinyal input, yang dibaca oleh gerbang digital saat dinyalakan atau dimatikan. Gerbang kemudian akan mengirimkan informasi tersebut ke sirkuit lain sebagai satu atau nol, mengubah sinyal analog menjadi informasi digital. C. Operational Amplifier (Op-amp) Operational Amplifier atau di singkat op-amp merupakan salah satu komponen analog yang popular digunakan dalam berbagai aplikasi rangkaian elektronika. Aplikasi op-amp popular yang paling sering dibuat antara lain adalah rangkaian inverter, non-inverter, integrator dan differensiator. Pada pokok bahasan kali ini akan dipaparkan salah satu aplikasi op-amp sebagai pengatur kecepatan motor AC. Pada aplikasi tersebut, rangkaian op-amp yang digunakan adalah rangkaian komparator. Jenis IC yang digunakan dalam rangkaian op-amp sebagai pengatur kecepatan motor AC adalah IC LM324. Bentuk dan data sheet dari LM 32 dapat dilihat pada gambar 16.1.
132
Gambar 16.1 Data Sheet LM 324
Rangkaian komparator adalah alat yang di gunakan untuk membandingkan ukuran panjang, komparator umumnya di buat dari sebuah teleskop atau mikroskop yang di gerakan naik turun pada sebuah skala. Komparator juga bisa di sebut sebagai alat yang di gunakan untuk membuat perbandingan antara dua sinar atau warna. Selain itu, ada juga yang di sebut dengan rangkaian komparator tegangan. Komparator tegangan adalah sebuah rangkaian yang dapat dengan cermat membandingkan besar tegangan yang di hasilkan. Rangkaian ini biasanya menggunakan komparator Op-Amp sebagai piranti utama dalam sebuah rangkaian. Saat ini terdapat dua jenis komparator tegangan, yaitu komparator tegangan sederhana dan komparator tegangan dengan
133
histerisis. Bentuk dari rangkaian komparator sedehana dengan menggunakan IC LM324 dapat dilihat pada gambar 16.2.
Gambar 16.2 Rangkaian Komparator Sederhana
Rangkaian komparator ini dapat kita rangkai menggunakan Vref yang di hubungkan ke V Supply, kemudian kedua resistor di gunakan sebagai pembagi tegangan, sehingga nilai tegangan yang di hasilkan dari komparator Op-Amp adalah semakin besar. Komparator Op-Amp akan membandingkan nilai tegangan pada kedua tegangan, apabila sebuah tegangan (-) lebih besar dari tegangan masukan (+) maka keluaran Op-Amp akan menjadi sama v Supply.
134
D. Encoder Encoder adalah rangkaian yang memiliki fungsi berkebalikan dengan dekoder. Encoder berfungsi sebagai rangakain untuk mengkodekan data input mejadi data bilangan dengan format tertentu. Encoder dalam rangkaian digital adalah rangkaian kombinasi gerbang digital yang memiliki input banyak dalam bentuk line input dan memiliki output sedikit dalam format bilangan biner. Encoder akan mengkodekan setiap jalur input yang aktif menjadi kode bilangan biner. Dalam teori digital banyak ditemukan istilah encoder seperti “Desimal to BCD Encoder” yang berarti rangkaian digital yang berfungsi untuk mengkodekan line input dengan jumlah line input desimal (0-9) menjadi kode bilangan biner 4 bit BCD (Binary Coded Decimal). Atau “8 line to 3 line encoder” yang berarti rangkaian encoder dengan input 8 line dan output 3 line (3 bit BCD). Jenis IC yang bisa digunakan dalam encoder adalah IC 74147. encoder 10 line (desimal) ke BCD 74147 adalah sebuah chip IC yang berfungsi untuk mengokdekan 10 line jalur input (desimal) menjadi data dalam bentuk BCD (Binary Coded decimal). IC encoder 74147 merupakan encoder data desimal menjadi data BCD dengan input aktif LOW dan output 4 bit BCD aktif LOW. Encoder desimal ke BCD ini sering kita perlukan pada saat perancangan suatu perangkat digital dan kita mengalami kekurangan port atau jalut 135
untuk input saklarnya. IC encoder 74147 merupakan IC dalam keluarga TTL yang bekerja dengan tegangan sumber + 5 volt DC. Konfigurasi pin dan tabel kebenaran dari encoder TTL 10 line (desimal) ke BCD IC 74147 dapat dilihat pada gambar 16.3.
Gambar 16.3 Konfigurasi in IC 74147
Dalam mendesain rangkaian encoder desimal ke BCD langkah pertama adalah menentukan tabel kebenaran encoder kemudian
membuat
persamaan
logika
kemudian
mengimplementasikan dalam gerbang logika digital seperti gambar tabel pada 16.4.
136
Gambar 16.4 kebenaran encoder gambar tabel
Konfigurasi pin dan tabel kebenaran encoder 74147 diatas diambil dari datasheet IC 74147. IC 74147 memiliki 16 pin dengan kemasan IC DIP. Encoder IC 74147 memiliki 9 jalur input desimal 1 sampai 9 aktif LOW dan 4 jalur output BCD aktif LOW. Tegangan sumber untuk IC 74147 diberikan melalui pin Vcc (+5 volt DC) dan pin GND (ground). Input pada encoder IC 74147 ini di simbolkan dengan input 1 sampai 9 dan jalur output BCD 4 bit disimbolkan dengan Y0 sampai Y3. Pada tabel kebenaran encoder IC 74147 terdiri dari data jalur input 9 line (1 – 9) aktif LOW, 4 bit output (Y0, Y 1, Y2, Y3) BCD aktif LOW dan nilai logika negatif BCD. Kode H (HIGH) mereprentasikan kondisi logika 1 (HIGH), L merepresentasikan logika 0 (LOW) dan kode X adalah don’t care yaitu tidak berpengaruh terhadap proses encoding data desimal ke BCD IC Encoder 74147.
137
E. Cara Kerja Rangkaian ADC Dengan Menggunakan Op-Amp Flash ADC adalah tipe ADC yang memiliki speed konversi tercepat. Flash ADC menggunakan komparator untuk melakukan konversi sinyal analog ke dalam sinyal digital (4-bit ADC akan memiliki 16 buah komparator dan untuk 8-bit ADC akan memiliki 256 buah komparator). Semua output komparator dihubungkan pada suatu blok logika yang mendeterminasikan output berdasarkan High/Low.dari komparator. Kecepatan konversi untuk flash ADC adalah jumlah dari semua waktu yang diperlukan oleh komparator untuk melakukan konversi dan waktu yang diperlukan oleh blok logika untuk mendeterminasikan output. ADC Simultan atau biasa disebut flash converter atau parallel converter. Input analog Vi yang akan diubah ke bentuk digital diberikan secara simultan pada sisi + pada komparator tersebut, dan input pada sisi – tergantung pada ukuran bit converter. Ketika Vi melebihi tegangan input – dari suatu komparator, maka output komparator adalah high, sebaliknya akan memberikan output low. Bentuk rangkaian flash ADC dapat dilihat pada gambar 16.5.
138
Gambar 16.5 Gambar Rangkaian Flash ADC
F. Soal Latihan
1. Sebutkan komponen rangkaian ADC dengan menggunakan opamp ! 2. Proseskan cara kerja Komparator pada rangkaian ADC dengan menggunakan op-amp ! 3. Proseskan cara kerja encoder pada rangkaian ADC dengan menggunakan op-amp ! 4. Gambarkan kembali rangkaian ADC dengan menggunakan opamp ! G. Rangkuman 1. Rangkaian komparator adalah alat yang di gunakan untuk membandingkan ukuran panjang, Komparator tegangan
139
adalah sebuah rangkaian yang dapat dengan cermat membandingkan besar tegangan yang di hasilkan. Rangkaian ini biasanya menggunakan komparator Op-Amp sebagai piranti utama dalam sebuah rangkaian. 2. Encoder adalah rangkaian yang memiliki fungsi berkebalikan dengan dekoder. Encoder berfungsi sebagai rangakain untuk mengkodekan data input mejadi data bilangan dengan format tertentu. 3. Prinsi keja dari ADC menggunakan op-amp input analog Vi yang akan diubah ke bentuk digital diberikan secara simultan pada sisi + pada komparator tersebut, dan input pada sisi – tergantung pada ukuran bit converter. Ketika Vi melebihi tegangan input – dari suatu komparator, maka output komparator adalah high, sebaliknya akan memberikan output low.
140
BAB 17
RANGKAIAN ADC MENGGUNAKAN COUNTER Kompetensi Dasar 3.17 Menerapkan Konvertor A/D (Analog to Digital ) dengan pencacah (counter) yang di umpan balikkan (feetback). Indikator Pencapaian Kompetensi 3.17.1 Mengklasifikasikan komponen dari rangkaian ADC dengan menggunakan counter yang diumpan balikkan. 3.17.2 Menentukan rangkaian komparator dalam rangkaian ADC dengan counter yang diumpan balikkan. 3.17.3 Menentukan rangkaian counter dalam rangkaian ADC dengan menggunakan counter yang diumpan balikkan. 3.17.4 Memproseskan cara kerja dari rangkaian ADC dengan counter yang diumpan balikkan. Tujuan Pembelajaran 1. Mengklasifikasikan komponen dari rangkaian ADC dengan menggunakan counter yang diumpan balikkan. 2. Menentukan rangkaian komparator dalam rangkaian ADC dengan counter yang diumpan balikkan. 3. Menentukan rangkaian counter dalam rangkaian ADC dengan menggunakan counter yang diumpan balikkan. 4. Memproseskan cara kerja dari rangkaian ADC dengan counter yang diumpan balikkan
141
A. Komponen Rangkaian ADC Dengan Menggunakan Counter Yang Diumpan Balikkan Rangkaian ADC dengan menggunakan counter yang diumpan balikkan. Pada rangkaian ini komponen-komponen yang digunakan adalah op-amp (operational amplifier), dan rangkaian counter dan rangkaian D flip - flop. B. Operational Amplifier (Op-amp) Operational Amplifier atau di singkat op-amp merupakan salah satu komponen analog yang popular digunakan dalam berbagai aplikasi rangkaian elektronika. Aplikasi op-amp popular yang paling sering dibuat antara lain adalah rangkaian inverter, non-inverter, integrator dan differensiator. Pada pokok bahasan kali ini akan dipaparkan salah satu aplikasi op-amp sebagai pengatur kecepatan motor AC. Pada aplikasi tersebut, rangkaian op-amp yang digunakan adalah rangkaian komparator. Jenis IC yang digunakan dalam rangkaian op-amp sebagai pengatur kecepatan motor AC adalah IC LM324. Bentuk dan data sheet dari LM 32 dapat dilihat pada gambar 17.1.
142
Gambar 17.1 Data Sheet LM 324
Rangkaian komparator adalah alat yang di gunakan untuk membandingkan ukuran panjang, komparator umumnya di buat dari sebuah teleskop atau mikroskop yang di gerakan naik turun pada sebuah skala. Komparator juga bisa di sebut sebagai alat yang di gunakan untuk membuat perbandingan antara dua sinar atau warna. Selain itu, ada juga yang di sebut dengan rangkaian komparator tegangan. Komparator tegangan adalah sebuah rangkaian yang dapat dengan cermat membandingkan besar tegangan yang di hasilkan. Rangkaian ini biasanya menggunakan komparator Op-Amp sebagai piranti utama dalam sebuah rangkaian. Saat ini terdapat dua jenis komparator tegangan, yaitu komparator tegangan sederhana dan komparator tegangan dengan
143
histerisis. Bentuk dari rangkaian komparator sedehana dengan menggunakan IC LM324 dapat dilihat pada gambar 17.2.
Gambar 17.2 Rangkaian Komparator Sederhana
Rangkaian komparator ini dapat kita rangkai menggunakan Vref yang di hubungkan ke V Supply, kemudian kedua resistor di gunakan sebagai pembagi tegangan, sehingga nilai tegangan yang di hasilkan dari komparator Op-Amp adalah semakin besar. Komparator Op-Amp akan membandingkan nilai tegangan pada kedua tegangan, apabila sebuah tegangan (-) lebih besar dari tegangan masukan (+) maka keluaran Op-Amp akan menjadi sama v Supply. C. Counter Rangkaian counter adalah rangkaian elektronika yang befungsi untuk melakukan penghitungan angka secara berurutan baik itu perhitungan maju ataupun perhitungan mundur. Yang
144
dimaksud dengan perhitungan maju adalah di mana rangkaian akan menghitung mulai dari angka yang kecil menuju angka yang lebih besar. Sedangkan perhitungan mundur adalah sebaliknya. Perhitungan bisa mencapai jumlah yang tidak terbatas tergantung perancangan rangkaian ataupun tuntutan kebutuhan. Untuk contoh diatas hanya menggunakan satu buah IC decade counter dan satu buah seven segment sehingga hanya bisa mewakili fungsi akan satu digit atau angka satuan. Untuk membuat fungsi yang lebih banyak anda tinggal menambah IC dan 7-segmentnya sesuai dengan fungsi yang diinginkan. Banyak sekali kegunaan dari rangkaian counter ini didunia elektronika digital. Bahkan menurut saya bisa dikatakan elektronika digital tidak terpisahkan dengan rangkaian counter. Hampir semua rangkaian digital memerlukan rangkaian counter. Hal itu dikarenakan untuk menerapkan fungsi penghitungan angka atau operasi matematika harus menggunakan fungsi dari rangkaian counter. Counter merupakan salah satu rangkaian elektronika digital yang menggunakan urutan logika digital dan dipicu oleh pulsa atau clock (rangkaian sekuensial). Counter biasanya mencacah atau menghitung dalam biner dan dapat dibuat untuk berhenti atau berulang ke hitungan awal setiap saat. Pada counter yang berulang, jumlah kondisi biner yang berbeda menunjukkan modulus (MOD) counter. Sebagai contoh, counter yang mencacah dari 0-1-2-3-4-5145
6-7 secara berulang disebut juga modulus 8 atau MOD-8. Rangkaian dasar counter adalah beberapa flip-flop yang jumlahnya bergantung pada modulus yang diperlukan. Secara umum, counter terbagi menjadi 2 jenis, yaitu asynchronous counter (ripple counter) dan synchronous counter. Asynchronous counter (ripple counter) merupakan counter yang masukan clock pemicunya tidak terhubung ke setiap flip-flop secara langsung. Clock pemicunya harus merambat melalui setiap flip-flop untuk mencapai masukan flip-flop yang berikutnya. IC 74LS90 merupakan ripple counter 4-bit yang terdiri atas bagian pembagi-2 dan bagian pembagi-5. Dua bagian ini dapat dikaskade untuk membentuk pembagi-10(decade/BCD counter) dengan menghubungkan Q0 ke CLK1 secara eksternal. Counter ini mempunyai 2 masukan reset yaitu MR1 dan MR2 dan 2 masukan set yaitu MS1 dan MS2, serta 4 kaki luaran yaitu Q0, Q1, Q2, dan Q3. Kaki 10 dihubungkan ke GND dan kaki 5 dihubungkan ke +5V. Susunan kaki IC 74LS90 dapat dilihat dalam gambar 17.3.
Gambar 17.3 Susunan Kaki IC 74LS90
146
D. D Flip-Flop Data flip-flop merupakan pengembangan dari RS flip-flop, pada D flip-flop kondisi output terlarang (tidak tentu) tidak lagi terjadi. Data flip-flop sering juga disebut dengan istilah D-FF sehingga lebih mudah dalam penyebutannya. Data flip-flop merupakan dasar dari rangkaian utama sebuah memori penyimpan data digital. Input atau masukan pada RS flip-flop adalah 2 buah yaitu R (reset) dan S (set), kedua input tersebut dimodifikasi sehingga pada Data flip-flop menjadi 1 buah input saja yaitu input atau masukan D (data) saja. Model modifikasi RS flip-flopmenjadi D flip-flop adalah dengan penambahan gerbang NOT (Inverter) dari input S ke input R pada RS flip-flop seperti telihat pada gambar 17.4 tentang dasar D flip-flop berikut.
Gambar 17.4 Dasar D Flip-Flop
Pada gambar diatas input Set (S) dihubungkan ke input Reset (R) pada RS flip-flop menggunakan sebuah inverter sehingga terbentuk input atau masukan baru yang diberi nama input Data (D). Dengan kondisi tersebut maka RS flip-flop berubah menjadi Data Flip-Flop (D-FF). Pada perkembanganya D flip flop ini
147
ditambahkan dengan input atau masukan control berupa enable/clock seperti ditunjukan pada gambar 17.5.
Gambar 17.5 D Flip-Flop Dengan Enable
Gambar diatas memperlihatkan Data flip-flop yang dilengkapi denganmasukan enable/clock. Fungsi input enable/clock diatas adalah untuk menahan data masukan pada jalur Data (input D) agar tidak diteruskan ke rangkaian RS flip-flop. Prinsip kerja dari rangkaian Data flip-flop dengan clock diatas adalah sebagai berikut: 1. Apabila input clock berlogika 1 “High” maka input pada jalur data akan di teruskan ke rangkaian RS flip flop, dimana pada saat input jalur Data 1 “High” maka kondisi tersebut adalah Set Q menjadi 1 “High” dan pada saat jalur Data diberikan input 0 “Low” maka kondisi yang terjadi adala Reset Q menjadi 0 “Low”. 2. Kemudian Pada saat input Clock berlogika rendah maka data output pada jalur Q akan ditahan (memori 1 bit) walaupun logika pada jalur input Data berubah. Kondisi inilah yang disebut sebagai dasar dari memor 1 bit.
148
E. Cara Kerja Rangkaian ADC Dengan Menggunakan Counter Yang Diumpan Balikkan Digital Ramp ADC merupakan jenis ADC [Analog to Digital Converter] yang bekerja berdasarkan prinsip kerja counter. input signal analog dibandingkan dengan input lain pada komparator digital. output dari komparator digital diumpankan ke LOAD counter dan ke EDGE TRIGGER NEGATIVE latches. output dari counter diumpankan ke input DAC [DAC yang digunakan adalah jenis Binary Weight Resistor] juga diumpankan ke input Latches. Output dari DAC diumpankan ke input negative komparator. penjelasan mengenai komparator digital, counter, latches, dan DAC akan dijelaskan dengan penggunaan ADC pada aplikasi high temperature thermometer. Gambar rangkaian rangkaian ADC dengan menggunakan counter yang diumpan balikkan bisa dilihat di gambar 17.6.
Gambar 17.6 Rangkaian Rangkaian ADC Dengan Menggunakan Counter Yang Diumpan Balikkan
149
Komparator Digital [digital comparator] adalah komparator khusus yang hanya memiliki 2 kondisi output. dua kondisi yang dimaksud adalah logik 1 atau nol. Logik 1 berarti tegangan keluaran komparator berkisar 5 volt. Logik 0 berarti tegangan keluaran komparator berkisar 0 volt. output komparator akan berlogik 1 jika hanya tegangan pada input positive komparator lebih besar dari tegangan input negative komparator. output komparator akan berlogik 0 jika tegangan pada input positive = tegangan pada input negative, atau tegangan input negative lebih besar dari tegangan input positive. Counter adalah komponen yang melakukan pencacahan / penghitungan. counter yang digunakan yaitu counter dengan LOAD. input dari counter di groundkan [diberi tegangan 0 volt], clock diberi pulsa [pulsa maksimum yang diperbolehkan adalah 50MHz]. LOAD dihubungkan ke output komparator. ketika LOAD logik 1, maka counter melakukan penghitungan dari mulai 0. ketika LOAD berlogik 0, maka counter menghentikan penghitungan. DAC [jenis binary weight resistor] adalah pengkonversi signal digital menjadi analog dengan menggunakan beberapa resistor [tergantung jumlah bit yang akan dikonversi]. misalkan input DAC 0010, tegangan referensi DAC = 5 V, maka tegangan output [signal analognya] adalah NILAI DESIMAL DARI BINER dibagi DUA PANGKAT n-1 dikali TEGANGAN REFERENSI. jadi Vout = [2/2^3] x 5 = 2.5 volt. 150
Tegangan maksimum dari DAC ini adalah 9.375 volt. Latches adalah bagian yang menahan sementara data dari counter untuk selanjutnya diproses untuk dimunculkan pada display [7 segment atau
LCD].
latches
bekerja
berdasarkan
prinsip
bistable
multivibrator, yaitu multivibrator yang memiliki kondisi 2 kondisi output yaitu 0 dan 1. data dari counter akan ditahan oleh latches, ketika EDGE TRIGGER NEGATIVE dari latches mendapat transisi turun [perubahan dari logik 1 ke logik 0], maka latches akan melanjutkan data dari counter ke display. F. Soal Latihan 1. Gambarkan rangkaian komparator dalam rangkaian ADC dengan menggunakan counter! 2. Tentukan karakteistik dari IC 74LS90 ! 3. Gambarkan rangkaian dasar dari D flip-flop! 4. Uraikan cara kerja dari rangkaian komparator dalam rangkaian ADC dengan menggunakan counter! G. Rangkuman 1. komponen-komponen yang digunakan dalam rangkaian ADC dengan menggunakan counter yang diumpan balikkan adalah op-amp (operational amplifier), dan rangkaian counter dan rangkaian D flip – flop. 2. Rangkaian komparator adalah alat yang di gunakan untuk membandingkan ukuran panjang, komparator umumnya di buat dari sebuah teleskop atau mikroskop yang di gerakan naik turun 151
pada sebuah skala. 3. Counter merupakan salah satu rangkaian elektronika digital yang menggunakan urutan logika digital dan dipicu oleh pulsa atau clock (rangkaian sekuensial). Counter biasanya mencacah atau menghitung dalam biner dan dapat dibuat untuk berhenti atau berulang ke hitungan awal setiap saat. 4. Data flip-flop merupakan pengembangan dari RS flip-flop, pada D flip-flop kondisi output terlarang (tidak tentu) tidak lagi terjadi. Data flip-flop sering juga disebut dengan istilah D-FF sehingga lebih mudah dalam penyebutannya. 5. Digital Ramp ADC merupakan jenis ADC [Analog to Digital Converter] yang bekerja berdasarkan prinsip kerja counter. input signal analog dibandingkan dengan input lain pada komparator digital. output dari komparator digital diumpankan ke LOAD counter dan ke EDGE TRIGGER NEGATIVE latches. output dari counter diumpankan ke input DAC [DAC yang digunakan adalah jenis Binary Weight Resistor] juga diumpankan ke input Latches. Output dari DAC diumpankan ke input negative komparator.
152
BAB 18
PENGENDALI SISTEM TERBUKA SECARA DIGIT Kompetensi Dasar 3.18 Memahami pengendalian terbuka (open loop) secara digit. Indikator Pencapaian Kompetensi 3.18.1 Menampilkan diagram blok pengendalian terbuka (open loop) secara digit. 3.18.2 Menjelaskan Istilah-istilah dalam pengendalian terbuka (open loop) secara digit. 3.18.3 Menjelaskan prinsip kerja pengendalian terbuka (open loop) secara digit. Tujuan Pembelajaran 1. Siswa mampu menampilkan diagram blok pengendalian terbuka (open loop) secara digit. 2. Siswa mampu menjelaskan Istilah-istilah dalam pengendalian terbuka (open loop) secara digit. 3. Siswa mampu menjelaskan prinsip kerja pengendalian terbuka (open loop) secara digit.
153
A. Sistem Kendali Sistem kendali dapat dikatakan sebagai hubungan antara komponen yang membentuk sebuah konfigurasi sistem, yang akan menghasilkan tanggapan sistem yang diharapkan. Jadi harus ada yang dikendalikan, yang merupakan suatu sistem fisis, yang biasa disebut dengan kendalian (plant). Masukan dan keluaran merupakan variabel atau besaran fisis. Keluaran merupakan hal yang dihasilkan oleh kendalian, artinya yang dikendalikan; sedangkan masukan adalah yang mempengaruhi kendalian, yang mengatur keluaran. Kedua dimensi masukan dan keluaran tidak harus sama. Pada sistem kendali dikenal sistem lup terbuka (open loop system) dan sistem lup tertutup (closed loop system). Sistem kendali lup terbuka atau umpan maju (feedforward control) umumnya mempergunakan pengatur (controller) serta aktuator kendali (control actuator) yang berguna untuk memperoleh respon sistem
yang baik. Sistem
kendali ini
keluarannya
tidak
diperhitungkan ulang oleh controller. Suatu keadaan apakah plant benar-benar telah mencapai target seperti yang dikehendaki masukan atau referensi, tidak dapat mempengaruhi kinerja kontroler.
154
Gambar 18.1 Sistem Pengendalian Lup Terbuka
Pada sistem kendali yang lain, yakni sistem kendali lup tertutup (closed loop system) memanfaatkan variabel yang sebanding dengan selisih respon yang terjadi terhadap respon yang diinginkan. Sistem seperi ini juga sering dikenal dengan sistem kendali umpan balik. Aplikasi sistem umpan balik banyak dipergunakan untuk sistem kemudi kapal laut dan pesawat terbang. Perangkat sehari-hari yang juga menerapkan sistem ini adalah penyetelan temperatur pada almari es, oven, tungku, dan pemanas air
Gambar 18.2 Sistem Pengendalian Lup Tertutup
Dengan sistem kendali gambar 2, kita bisa ilustrasikan apabila keluaran aktual telah sama dengan referensi atau masukan maka input kontroler akan bernilai nol. Nilai ini artinya kontroler tidak lagi memberikan sinyal aktuasi kepada plant, karena target akhir perintah gerak telah diperoleh. Sistem kendali loop terbuka
155
dan tertutup tersebut merupakan bentuk sederhana yang nantinya akan mendasari semua sistem pengaturan yang lebih kompleks dan rumit. Hubungan antara masukan (input) dengan keluaran (output) menggambarkan korelasi antara sebab dan akibat proses yang berkaitan. Masukan juga sering diartikan tanggapan keluaran yang diharapkan. Untuk mendalami lebih lanjut mengenai sistem kendali tentunya diperlukan pemahaman yang cukup tentang hal-hal yang berhubungan dengan sistem kontrol. Oleh karena itu selanjutnya akan dikaji beberapa istilah-istilah yang dipergunakannya.
B. Sistem Pengendali Digital Berbeda dengan sistem kendali diaplikasikan pada peralatan elektronik yang kita gunakan sehari-hari, perkembangan sistem
kendali
pada
pembangkit
listrik
boleh
dikatakan
sangatlamban. Bila pada peralatan elektronik seperti telepon, AC, refrigerator, radio dan TV telah digunakan sistem kendali digital modern seperti fuzzy dan neural network, maka pada pembangkit listrik yang umumnya masih dipakai adalah sistem kendali klasik PID (proportional-integral-derivative). Hal ini disebabkan kondisi sistem pembangkit listrik yang sangat kompleks dipandang dari sudut pengendalian Bila peralatan elektronik seperti radio, mesin cuci, dan refrigerator merupakan sistem linier dan umumnya merupakan sistem dengan masukan 156
dan keluaran tunggal (SISO= single input single output), maka pembangkit listrik merupakan sistem dengan masukan dan keluaran banyak (MIMO=multi input multi output) dan bersifat tak llinier. Selain itu umumnya pembangkit listrik memiliki sistem kendali lebih dari satu, masing-masing mengendalikan satu subsistem. Karena sub-sistem sub-sistem tersebut bekerja saling berhubungan
maka
sistem
kendalinya
pun
harus
saling
berhubungan. Kemudian untuk lebih menjamin keamanan, pada sebagian jenis pembangkit listrik, sistem kendalinya masih dibagi atas sistem kendali proses (prosess control system) dan sistem kendali proteksi (protection control system). Ini memerlukan tingkat otomatisasi yang tinggi yang hanya dapat ditangani oleh digital sistem kendali dengan prosesor komputer paralel. Kompleksnya sistem pembangkit listrik menyebabkan upaya pemanfaatan kendali digital dilakukan setahap demi setahap. Bagian paling utama yang diupayakan untuk diganti adalah ruang pengendali. Hal ini terutama untuk mengurangi kesalahan yang bersumber dari operator (human error). C. Istilah-istilah Dalam Sistem Kendali digital 1. Sensing element Bagian paling ujung suatu sistem pengukuran ( measuring system) atau sering disebut sensor. Sensor bertugas mendeteksi gerakan atau fenomena lingkungan yang diperlukan sistem 157
kontroler. Sistem dapat dibuat dari sistem yang paling sederhana seperti sensor on/off menggunakan limit switch, sistem analog, sistem bus paralel, sistem bus serial serta si stem mata kamera. Contoh sensor lainnya yaitu thermocouple untuk pengukur temperatur, accelerometer untuk pengukur getaran, dan pressure gauge untuk pengukur tekanan. 2. Transmitter Alat yang berfungsi untuk membaca sinyal sensing element dan mengubahnya supaya dimengerti oleh controller. 3. Aktuator Piranti elektromekanik yang berfungsi untuk menghasilkan daya gerakan. Perangkat bisa dibuat dari system motor listrik (motor DC servo, moto r DC stepper, ultrasonic motor, linier moto, torque motor , solenoid), sistem pneumatik dan hidrolik. Untuk meningkatkan tenaga mekanik aktuator atau torsi gerakan maka bisa dipasang sistem gear box atau sprochet chain. 4. Transduser Piranti yang berfungsi untuk mengubah satu bentuk energi menjadi energi bentuk lainnya atau unit pengalih sinyal. Suatu contoh mengubah sinyal gerakan mekanis menjadi energi listrik yang terjadi pada peristiwa pengukuran getaran. Terkadang antara transmiter
dan
tranduser
dirancukan,
keduanya
memang
mempunyai fungsi serupa. Transduser lebih bersifat umum, namun transmiter pemakaiannya pada sistem pengukuran. 158
5. Measurement Variable Sinyal yang keluar dari transmiter, ini merupakan cerminan sinyal pengukuran. 6. Alat Pengendali (Controller) Alat pengendali sepenuhnya menggantikan peran manusia dalam mengendalikan suatu proses. Controller merupakan elemen yang mengerjakan tiga dari empat tahap pengaturan, yaitu: membandingkan set point dengan measurement variable, menghitung berapa banyak koreksi yang harus dilakukan, dan mengeluarkan sinyal koreksi sesuai dengan hasil perhitungannya. 7. Control Unit Bagian unit kontroler yang menghitung besarnya koreksi yang diperlukan. 8. Final Controller Element Bagian yang berfungsi untuk mengubah measurement variable dengan memanipulasi besarnya manipulated variable atas dasar perintah kontroler. D. Cara Kerja Sistem Kendali Digital Di dalam sistem kontrol digital, sebagai pengendali (controller)
dipergunakan
komputer,
mikroprosesor,
mikrokontroler ataupun rangkaian logika lainnya untuk mengolah dinamika sistem. Dari segi bentuk sinyal yang bekerja di dalam sistem, dapat kita bedakan bahwa pada sistem analog, maka sinyal masukan, sinyal yang diproses oleh pengendali maupun sinyal 159
keluaran adalah berupa sinyal analog. Sedangkan pada sistem digital, maka sinyal masukan umumnya juga berupa sinyal analog, sedangkan sinyal yang diproses oleh pengendali adalah sinyal digital, dan sinyal keluaran umumnya juga berupa sinyal analog. Dari perbedaan sinyal yang bekerja pada sistem analog dan sistem digital, maka pada sistem digital perlukan komponen yang berfungsi untuk melakukan konversi bentuk sinyal, konverter tersebut dikenal dengan nama ADC (Analog to Digital Converter) dan DAC (Digital to Analog Converter). Perbedaan di antara sistem analog dan sistem digital diperlihatkan dalam berikut. E. Diagram Blok Sistem Kendali Digital Dalam sistem pengendalian otomatis terdapat komponen komponen utama seperti elemen proses, elemen pengukuran (sensing element dan transmitter), elemen controller (control unit), dan final control element (control value ).
Gambar 18.3 Sistem Pengendalian Digital
160
F. Soal Latihan 1. Gambarkan diagram blok pengendalian secara digit ! 2. Sebutkan Istilah-istilah dalam pengendalian secara digit ! 3. Jelaskan prinsip kerja pengendalian secara digit ! G. Rangkuman 1. Sistem kendali dapat dikatakan sebagai hubungan antara komponen yang membentuk sebuah konfigurasi sistem, yang akan menghasilkan tanggapan sistem yang diharapkan. Jadi harus ada yang dikendalikan, yang merupakan suatu sistem fisis, yang biasa disebut dengan kendalian (plant). 2. Di dalam sistem kontrol digital, sebagai pengendali (controller)
dipergunakan
komputer,
mikroprosesor,
mikrokontroler ataupun rangkaian logika lainnya untuk mengolah dinamika sistem. Dari segi bentuk sinyal yang bekerja di dalam sistem, dapat kita bedakan bahwa pada sistem analog, maka sinyal masukan, sinyal yang diproses oleh pengendali maupun sinyal keluaran adalah berupa sinyal analog. 3. Dalam sistem pengendalian otomatis terdapat komponen komponen utama seperti elemen proses, elemen pengukuran (sensing element dan transmitter), elemen controller (control unit), dan final control element (control value ).
161
BAB 19
PENGENDALI TERTUTUP (CLOSE LOOP)
Kompetensi Dasar 3.19
Memahami pengendalian tertutup (close loop) secara digit.
Indikator Pencapaian Kompetensi 3.19.1 menjelaskan pengertian pengendalian tertutup (close loop) secara digit 3.19.2 Memahami pengendalian tertutup (close loop) secara digit Tujuan Pembelajaran Setelah melakukan proses pembelajaran siswa diharapkan dapat : 1. Menjelaskan pengertian pengendalian tertutup (close loop) secara digit 2. Memahami pengendalian tertutup (close loop) secara digit 3. Menjelaskan prinsip rangkaian pengendali tertutup (close loop) secara digit
162
A. Sistem Kendali Loop Tertutup 1. Pengertian Sistem kendali loop tertutup Sistem kendali loop tertutup (closed-loop control system) adalah sistem kendali yang sinyal keluarannya mempunyai pengaruh langsung terhadap aksi pengendaliannya. Dengan kata lain, sistem kendali loop tertutup adalah sistem kendali berumpanbalik.
Gambar 19.1 Sistem Kontrol Loop Tertutup 2. Contoh Aplikasi Loop Tertutup : a. Dispenser b. Pompa Air Otomatis c. Setrika Otomatis d. AC e. Lemari Es 3. Aplikasi Loop Tertutup Pemanas Air Pada Dispenser Dispenser adalah salah satu alat rumah tangga yang menggunakan listrik untuk dapat memanaskan elemen panas maupun menjalankan mesin pendinginnya. Sebagai pemanas air, di dalam dispenser ini terdapat heater sebagai komponen utamanya.
163
Heater berfungsi untuk memanaskan air yang ada pada tabung penampung, heater umumnya memiliki daya sekitar 200-300 Watt. Dispenser juga dilengkapi dengan Thermostat. Pada tabung dispenser dipasang heater / pemanas serta sensor suhu atau thermostat yang berfungsi untuk membatasi kerja heater agar tidak bekerja terus-menerus yang akan menimbulkan suhu air dalam tabung dispenser berlebihan. Ketika suhu air yang dipanaskan heater mencapai suhu tertentu sehingga melebihi suhu kerja sensor/thermostat maka sensor akan bekerja dan memutuskan arus yang mengalir ke heater. Dengan demikian, heater akan berhenti bekerja sehingga suhu air tetap terjaga sesuai dengan kebutuhan. Dalam hal ini sistem kendali yang dimiliki oleh dispenser adalah loop tertutup karena dispenser memberikan feedback yaitu akan terus memanaskan sampai suhu air yang diinginkan tercapai, dan kemudian akan berhenti bekerja sementara jika suhu air sudah tercapai sambil terus membandingkan suhu air. B. Kelebihan dan Kekurangan Loop Tertutup Dibandingkan dengan sistem kontrol loop terbuka, sistem kontrol loop tertutup memang lebih rumit, mahal dan sulit dalam desain. Akan tetapi, tingkat kestabilannya yang relatif konstan dan tingkat kesalahannya yang kecil bila terdapat gangguan dari luar.
164
1. Apakah bisa dibuat menjadi loop terbuka ? Pada umumnya, sistem kendali loop tertutup tidak bisa dibuat menjadi loop terbuka. Sehingga, pada dispenser ini tidak bisa dijadikan sistem kendali loop terbuka. 2. Aplikasi Loop Tertutup Pada Setrika Listrik Otomatis Sebagai masukan ke sistem adalah suhu acuan, yang di set secara tepat oleh thermostat. Outputnya adalah suhu yang dihasilkan sebenarnya dan sinyalfeedbacknya adalah suhu yang dianggap tidak sesuai dengan acuan oleh thermostat.
Gambar 19.2 Setrika Listrik Otomatis
165
Gambar 19.3 Blok Diagram Sistem Kontrol Loop Tertutup Pada Setrika Listrik Otomatis Cara Kerja : Cara kerja dari sistem setrika otomatis ini adalah dengan memanfaatkan thermostat. Saat suhu acuan diatur (input) arus litrik akan dialirkan ke elemen pemanas yang akan memanas sampai panasnya mencapai suhu yang diatur sebagai acuan. Setelah suhu keluaran mencapai suhu acuan, akan ada sinyal umpan balik ke saklar temperatur yang nantinya akan memutuskan aliran listrik ke elemen pemanas agar suhu yang dihasilkan tidak melebihi suhu acuan. Begitu juga sebaliknya, setelah elemen pemanas tidak mendapatkan arus listrik, suhu keluaran akan turun dan lebih rendah dari suhu acuan. Nantinya akan ada sinyal umpan balik ke saklar temperatur untuk menghubungkan kembali elemen pemanas dengan arus listrik sehingga suhunya akan naik lagi sampai batas suhu acuan.
166
C. Test Formatif 1. Jelaskan Pengertian Sistem kendali loop tertutup ! 2. Tuliskan Contoh Aplikasi Loop Tertutup ? 3. Jelaskan Kelebihan dan Kekurangan Loop Tertutup ? 4. Jelaskan cara kerja Blok Diagram Setrika Listrik Otomatis dibawah ini ?
D. Rangkuman 1. Sistem kendali loop tertutup (closed-loop control system) adalah sistem kendali yang sinyal keluarannya mempunyai pengaruh langsung terhadap aksi pengendaliannya. Dengan kata lain, sistem kendali loop tertutup adalah sistem kendali berumpan-balik. 2. sistem kendali loop tertutup tidak bisa dibuat menjadi loop terbuka. Sehingga, pada dispenser ini tidak bisa dijadikan sistem kendali loop terbuka.
167
BAB 20
PENGENDALI SECARA ANALOG DAN PENGENDALI SECARA DIGITAL Kompetensi Dasar 3.20
Menganalisis pengendalian secara analog dan pengendalian secara digit
Indikator Pencapaian Kompetensi 3.20.1 Mengenal sistem pengendali analog dan digital 3.20.2 Memamahi sistem pengendali analog dan digital Tujuan Pembelajaran Setelah melakukan proses pembelajaran siswa diharapkan dapat : 1. Mengenal sistem pengendali analog dan digital 2. Memamahi sistem pengendali analog dan digital
168
A. pengertian Sistim Digital dan Analog Sistem dapat didefinisikan sebagai suatu himpunan benda atau bagian-bagian yang bekerja bersama-sama atau terhubung sedemikian rupa sehingga membentuk suatu keseluruhan. Sistem digital adalah susunan peralatan yang dirancang untuk mengolah besaran fisik yang diwakili oleh besaran digital, yaitu oleh nilai diskrit. Peralatan itu pada saat ini umumnya merupakan peralatan elektronika. Meskipun dapat juga merupakan peralatan mekanik atau pneumatic. Sistem digital yang umum dijumpai antara lain adalah computer, kalkulator, dan jam digital. Sistem analog meliputi peralatan yang mengolah besaran fisik yang diwakili dalam bentuk analog. Dalam system analog besaran itu beragam dalam nilai yang sinambung. Sebagai contoh amplitudo sinyal keluaran pengeras suara dalam pesawat penerima radio dapat memiliki nilai yang sinambung dari nol sampai ke nilai maximum yang mampu ditahannya. Pada saat ini, khususnya dalam bidang elektronika, penggunaan teknik digital telah banyak menggantikan kerja yang sebelumnya menggunakan teknik analog. Alasan utama terjadinya pergeseran menuju teknologi digital itu adalah sebagai berikut: 1. Sistem digital lebih mudah dirancang. Hal itu terjadi karena hal yang diggunakan adalah rangkaian pengalih yanhg tidak
169
memerlukan nilai tegangan atau arus yang pasti, hanya rentangan(tinggi atau rendah) yang diperlukan. 2. Penyimpanan informasi mudah dilakukan. Penyimpanan informasi itu dapat dilakukan oleh rangkaian pengalih khusus yang dapat menyesuaikan informasi tersebut dan menahannya selama diperlukan. 3. Ketepatan dan ketelitiannya lebih tinggi. Sisttem digital ndapat menangani ketelitian sebanyak angka yang diperlukan hanya dengan menambahkan rangkaian penganlih saja. Dalam system analog, ketelitian biasanya terbatas hanya sampai tiga atau empat angka saja karena nilai tegangan dan arus didalamnya bergantung
langsung
pada
kepada
nilai
komponen
rangkaiannya. 4. Operasinya dapat dengan mudah diprogrankan. Sangat mudah untuk merancang suatu sisrem
digital
yang kerjanya
dikendalikan oleh program. Sistem analog juga dapat diprogram tetapi ragam dan kerumitan operasinya sangat terbatas. 5. Sistem digital lebih kebal terhadap noise. Perubahan tegangan yang tidak teratur tidak terlalu mengganggu seperti halnya dalam system analog. Dalam system digital nilai pasti untuk tegangan tidak penting sepanjang noise itu tidak sebesar sinyal tinggi atau sinyal rendah yang telah ditetapkan. 6. Lebih banyak rangkaian digital yang dapat dibuat dalam bentuk chip rangkaian terpadu. Meskipun rangkaian analog juga dapat 170
dibuat dalam bentuk IC, kerumitannya membuat system analog itu lebih mahal dalam bentuk IC. Satu-satunya kekurangan rangkaian digital adalah karena dunia nyata sesungguhnya adalah system analog. Hampir semua besaran fisik di dunia inibersifat analog dan besaran itulah yang merupakan masukan dan keluaran yang dapat dipantau, yang dolah dan dikendalikan oleh system. Contohnya adalah suhu, tekanan, letak, dll. Pada saat ini semakin banyak penggunaan teknik analog dan digital dalam suatu system untuk memanfaatkan keunggulan masing-masing. Tahapan terpenting adalah menentukan bagian mana yang menggunakan teknik analog danbagian mana yanhg menggunakan teknik digital. Dan dapat diramalkan di masa depan bahwa teknik digital akan menjadi lebih murah dan berkualitas. B. Contoh Sistem Digital dan Contoh Sistem Analog 1. Contoh Sistem Digital : a. Jam digital b. Kamera digital c. Penunjuk suhu digital d. Kalkulator digital 2. Contoh Sistem Analog : a. Remote TV b. Spedometer pada motor 171
c. Pengukur tekanan d. Telepon e. Radio analog C. Sejarah Perkembangan Analog dan Digital 1. Sinyal analog Sinyal analog adalah istilah yang digunakan dalam ilmu teknik (terutama teknik elektro, teknik informasi, dan teknik kendali), yaitu suatu besaran yang berubah dalam waktu atau dan dalam ruang, dan yang mempunyai semua nilai untuk untuk setiap nilai waktu (dan atau setiap nilai ruang). Digunakan juga istilah Sinyal Kontinyu, untuk menggambarkan bahwa besaran itu mempunyai nilai yang kontinyu (tak terputus). Contoh Sinyal Analog adalah Sinyal Elektrik yang dihasilkan oleh peralatan elektrik non-digital: sinyal suara pada radio konvensional, sinyal gambar (foto) pada kamera konvensional, sinyal video pada televisi konvensional. 2. Pengolahan sinyal Pengolahan sinyal adalah spesialisasi dalam teknik elektro yang mempelajari dan mengembangkan metode (algoritma) manipulasi, analisa dan interpretasi sinyal. Meskipun termasuk dalam spesialisasi dalam teknik elektro, diluar ilmu ilmu dalam teknik elektro, pengolahan sinyal berkaitan erat juga dengan statistik, teori informasi dan matematika terapan.
172
Sinyal yang diolah bisa dalam bentuk apapun, tetapi biasanya berupa Sinyal Elektrik. Contoh sinyal itu misalnya: suara dari mikrofon, video dari kamera video, EKG dari perekam EKG, dan sebagainya. 3. Sinyal Digital Digital berasal dari kata Digitus, dalam Bahasa Yunani berarti jari jemari. Apabila kita hitung jari jemari orang dewasa, maka berjumlah sepuluh (10). Nilai sepuluh tersebut terdiri dari 2 radix, yaitu 1 dan 0, oleh karena itu Digital merupakan penggambaran dari suatu keadaan bilangan yang terdiri dari angka 0 dan 1 atau off dan on (bilangan biner). Semua sistem komputer menggunakan sistem digital sebagai basis datanya. Dapat disebut juga dengan istilah Bit (Binary Digit). Ada beberapa alasan mengapa digunakan pemrosesan sinyal digital pada suatu sinyal analog. Pertama, suatu sistem digital terprogram memiliki fleksibilitas dalam merancang-ulang operasioperasi pemrosesan sinyal digital hanya dengan melakukan perubahan pada program yang bersangkutan, sedangkan proses merancang-ulang pada sistem analog biasanya melibatkan rancangulang perangkat keras, uji coba dan verifikasi agar dapat bekerja seperti yang diharapkan. Masalah ketelitian atau akurasi juga memainkan peranan yang penting dalam menentukan bentuk dari pengolah sinyal. Pemrosesan sinyal digital menawarkan pengendalian akurasi yang 173
lebih baik. Faktor toleransi yang terdapat pada komponenkomponen
rangkaian
analog
menimbulkan
kesulitan
bagi
perancang dalam melakukan pengendalian akurasi pada sistem pemrosesan sinyal analog. Di lain pihak, sistem digital menawarkan pengendalian akurasi yang lebih baik. Beberapa persyaratan yang dibutuhkan, antara lain penentuan akurasi pada konverter A/D (analog ke digital) serta pengolah sinyal digital, dalam bentuk panjang word (word length), floating-point versus fixed-point arithmetic dan faktor-faktor lain. Sinyal-sinyal digital dapat disimpan pada media magnetik (berupa tape atau disk) tanpa mengalami pelemahan atau distorsi data sinyal yang bersangkutan. Dengan demikian sinyal tersebut dapat dipindah pindahkan serta diproses secara offline di laboratorium. Metode-metode pemrosesan sinyal digital juga membolehkan implementasi algoritma-algoritma pemrosesan sinyal yang lebih canggih. Umumnya sinyal dalam bentuk analog sulit untuk diproses secara matematik dengan akurasi yang tinggi. Implementasi digital sistem pemrosesan sinyal lebih murah dibandingkan secara analog. Hal ini disebabkan karena perangkat keras digital lebih murah, atau mungkin karena implementasi digital memiliki fleksibilitas untuk dimodifikasi. Kelebihan-kelebihan pemrosesan sinyal digital yang telah disebutkan sebelumnya menyebabkan pemrosesan sinyal digital lebih banyak digunakan dalam berbagai aplikasi. Misalnya, aplikasi 174
pengolahan suara pada kanal telepon, pemrosesan citra serta transmisinya, dalam bidang seismologi dan geofisika, eksplorasi minyak, deteksi ledakan nuklir, pemrosesan sinyal yang diterima dari luar angkasa, dan lain sebagainya. Namun
implementasi
digital
tersebut
memiliki
keterbatasan, dalam hal kecepatan konversi A/D dan pengolah sinyal digital yang bersangkutan. (Proakis dan Manolakis, 1992) 4. Perbedaan Analog dan Digital Perbedaan system analog dan digital telah dibagi atas beberapa perbedaan yangmana setiap definisi perbedaan itu berbeda-beda, yaitu :NO ANALOG DIGITAL1 Teknologi lama Teknologi baru2 Dirancang untuk voiceDirancang untuk voice dan opsi –opsi pengujian yang lengkap3 Tidak efisien untuk data Informasi
discreate
level4Permasalahan
noisy
danrentang
erosKecepatan lebih tinggi5 Kecepatan lebih rendah Overhead rendah6 Overhead tinggiSetiap signal digital dapatdikonversikan ke analog 5. Perbedaan Analog dan Digital Menurut Karakteristik. Karakteristik system digital adalah bahwa ia bersifat diskrit, sedangkan system analog bersifat continue sehingga pengukuran yang didapat sebenarnya lebih tepat dari system digital hanya saja banyak keuntungan yang lain yang dimiliki oleh system digital. Masing –masing system tersebut mempunyai kelebihan dan
175
kekurangan sendiri tergantung dari untuk kasus apa system tersebut digunakan. 6. Perbedaan Menurut Cara Kerja System digital merupakan bentuk sampling dari system analog.Digital pada dasarnyadi code-kan dalam bentuk bilangan biner (Hexa). Besarnya nilai suatu system digital dibatasioleh lebarnya/ jumlah bit (bendwidth). Jumlah bit juga sangat mempengaruhi nilai akurasisystem digital. Contoh kasus ada system digital dengan lebar 1 byte (8 bit). Pada system analog, terdapat amplifier di sepanjang jalur tranmisi.Setiap amplifiermenghasilkan penguatan (gain), baik menguatkan sinyal pesan maupun noise tambahan yang menyertai di sepanjang jalur tranmisi tersebut.Pada siste digital, amplifier digantikan
regenerative
repeater.
Fungsi
repeater
selain
menguatkan sinyal, juga “membersihkan” sinyaltersebut dari noise. Pada sinyal “unipolar baseband”, sinyal input hanya mempunyai dua nilai– 0 atau 1. Jadi repeater harus memutuskan, maka dari kedua kemungkinan tersebut yang boleh ditampilkan pada interval waktu tertentu, untuk menjadi nilai sesungguhnya di sisiterima. Keuntungan kedua dari system komunikasi digital adalah bahwa kita berhubungan dengan nilai-nilai, bukan dengan bentuk gelombang.Nilai-nilai
bisa
dimanipulasi
denganrangkaian-
rangkaian logika, atau jika perlu, dengan mikroprosesor. Operasioperasi matematika yang rumit bias secara mudah ditampilkan 176
untuk mendapat fungsi-fungsi pemrosesan sinyal atau keamanan dalam tranmisi sinyal. Keuntungan ketiga berhubungan dengan range dinamis. Kita dapat mengilustrasikan hubungan ini dalam sebuah contoh.Perekaman disk piringan hitam analog mempunyia masalah terhadap range dinamik yang terbatas. Suara-suara yang sangat keras memerlukan variasi alur yang ekstrim, dan sulit bagijarum perekam untuk mengikuti variasi – variasi tersebut. Sementara perekam secara digital tidak mengalami masalah karena semua nilai amplitude-nya, baik yang sangat tinggi maupunyang sangat rendah, ditranmisikan menggunakan urutan sinyal terbatas yang sama. Namun didunia ini tidak ada yang ideal.Demikian pula hallnya dengan system komunikasidigital. Kerugian system digital dibandingkan dengan system analog adalah, bahwa systemdigital memerlukan bandwidth yang besar. Sebagai contoh, sebuah kanal suara tunggal dapatditranmisikan menggunakan single-sideband AM dengan bandwidth yang kurang dari
5
kHz.Dengan
menggunakan
system
digital,
untuk
mentransmisikan sinyal yang sama, diperlukanbandwidth hingga empat kali dari system analog. Kerugian yang lain adalah selalu harustersedia sinkronisasi. Ini penting bagi system untuk mengetahui kapan setiap symbol yang terkirim mulai dan kapan berakhir, dan perlu meyakinkan apakah setiap symbol sudah
177
terkirim dengan benar.Secara mudahnya, digital itu adalah 0 dan 1, atau logika biner, atau diskrit, sedang analog adalah continous. Digital bisa dilihat sebagai analog yang dicuplik/disampling, kalausamplingnya semakin sering atau deltanya makin kecil, katakana mendekati nol, maka sinyaldigital bias terlihat menjadi analog
kembali.Menghitung
sinyal
digital
lebih
gampang
karenadiskrit, sedang analog anda harus menggunakan diferensial integral.Kalau alat-alat yang digital, itu yang dibuat dan bekerja didasarkan pada prisip digital,ini lebih gampang dari analog, tapi sekarang ini analog menjadi trend lagi, karena digitaldengan clock yang semakin kecil Giga Herzt atau lebih, perilakunya sudah menjadi
sepertirangkaian
analog,
jadi
diperlukan
ahli-ahli
rangakaian analog. Kalau untuk telekomunikasi,mau tidak mau maksih melibatkan system analog, karena harus menggunakan sinyalpembawa (carrier), komunikasi digitalpun hanya datanya di digitalkan (digital (0-1)dimudulasikan dengan carrier sinyal analog) di akhirnya harus diubah lagi jadi analog. Kalaucontoh komponen yang bekerja dengan prinsip analog : transistor, tabung TV, IC-IC TTL, ICCatu Daya. Digital : IC Logika,microcontroller, FPGA. Rangkaian analog adalah kebutuhandasar yang tak tergantikan di banyak system yang kompleks, dan menuntut kenerja yang tinggi.
178
D. Soal Latihan 1. Jelaskan secara singkat pengertian Sistim Digital dan Analog 2. Tuliskan Contoh Sistem Digital dan Contoh Sistem Analog 3. Jelaskan perbedaan analog dan digital menurut karakteristik ? 4. Jelaskan perbedaan analog dan digital menurut cara kerja 5. Tuliskan dan Jelaskan kelebihan sistem analog ? E. Rangkuman 1. Sistem digital adalah susunan peralatan yang dirancang untuk mengolah besaran fisik yang diwakili oleh besaran digital, yaitu oleh nilai diskrit. 2. Peralatan itu pada saat ini umumnya merupakan peralatan elektronika. Meskipun dapat juga merupakan peralatan mekanik atau pneumatic. Sistem digital yang umum dijumpai antara lain adalah computer, kalkulator, dan jam digital. 3. Sistem analog meliputi peralatan yang mengolah besaran fisik yang diwakili dalam bentuk analog. Dalam system analog besaran itu beragam dalam nilai yang sinambung. Sebagai contoh amplitudo sinyal keluaran pengeras suara dalam pesawat penerima radio dapat memiliki nilai yang sinambung dari nol sampai ke nilai maximum yang mampu ditahannya.
179
BAB 21
PENGENDALI SECARA SISTEM DIGITAL
Kompetensi Dasar 3.21
Memahami Rangkaian pengendali sistem secara digital.
3.22
Penerapan komputer dalam pengendali secara digit
Indikator Pencapaian Kompetensi 3.21.1 Mengenal rangkaian pengendali sistem secara digital 3.21.2 Memahami rangkaian pengendali sistem secara digital 3.22.1 Menjelaskan penerapan komputer dalam pengendali secara digit 3.22.2 Menerapkan komputer dalam pengendali secara digit Tujuan Pembelajaran 1. Siswa mampu mengenal rangkaian pengendali sistem secara digital 2. Memahami rangkaian pengendali sistem secara digital 3. Menjelaskan penerapan komputer dalam pengendali secara digital 4. Menerapkan komputer dalam pengendali secara digital 5. Menjelaskan prinsip kerja pengendali sistem secara digital
180
A. Sistem Kendali Digital Sistim kendali digital, pengendali menggunakan suatu rangkaian digital. Dalam banyak kasus, rangkaian digital dimaksud adalah suatu komputer, biasanya berbasiskan mikroprosesor atau mikrokontroler (pengendali-mikro). Komputer akan menjalankan program secara berulang-ulang (setiap perulangan disebut Iterasi atau scan). Program memerintahkan komputer untuk mengambil nilai set-point dan data hasil pengukuran dari sensor dan selanjutnya menggunakan angka-angka ini untuk menghitung keluaran pengendali (yang kemudian dikirim ke aktuator). Program kemudian akan mulai lagi dari awal dan melakukan proses yang sama. Satu siklus kerja untuk proses ini berlangsung dalam waktu kurang 1/1000 detik. Sistim digital hanya mengambil untuk keadaan input pada selang waktu tertentu dalam proses scan dan memberikan output terbaru kemudian. Jika terjadi perubahan input setelah proses scan, maka perubahan ini tidak terdeteksi hingga pada pada proses scan berikutnya. Fenomena ini merupakan hal mendasar yang membedakannya dari sistim kendali analog yang secara kontinyu menanggapi setiap perubahan input yang terjadi. Namun bagi kebanyakan sistim kendali digital, waktu scan sangat singkat (< 1/1000 detik) dibandingkan dengan waktu tanggapan bagi proses yang dikendalikan sehingga untuk seluruh tujuan praktis, tanggapan pengendali terlihat terjadi dengan cepat dan dengan segera. 181
Lingkungan sekitar adalah “dunia analog” dalam hal ini kejadian-kejadian alam yang terjadi biasanya terjadi dalam pola yang kontinyu dari suatu keadaan ke keadaan berikutnya. Dengan begitu, kebanyakan sistim kendali mengendalikan proses-proses yang bersifat analog. Ini berarti bahwa dalam banyak kasus, sistim kendali digital pada awalnya harus mengubah data input analog menjadi bentuk digital sebelum dapat digunakan. Hal yang sama berlaku juga pada bagian output, dimana pengendali digital harus mengubah sinyal output digital
menjadi
bentuk analog. Gambar
21.1
menunjukan diagram blok dari sistim kendali digital ikal tertutup. Perhatikan bahwa terdapat dua blok tambahan yakni blok digital-to-analog converter (DAC) dan blok analog-todigital converter (ADC).
Gambar 21.1 Diagram blok dari sistim kendali digital ikal tertutup. (aktuator digital mis. stepper motor memerlukan
182
DAC, sedangkan sensor digital mis. encoder poros optik memerlukan ADC).
Perhatikan pula bahwa sinyal umpan-balik (feedback) dari sensor (setelah melewati ADC) langsung dikirim ke pengendali (komputer), berbeda dengan sistim analog, dimana sinyal feedback diberikan ke komparator untuk membandingkannya dengan nilai set-point. Ini, berarti bahwa pada sistim digital komputer langsung berfungsi sebagai komparator antara nilai set-point dengan nilai sinyal feedback. B. Soal Latihan Bentuk kelompok kecil, 3 sampai dengan 4 orang. Diskusikan bagaimana prinsip kerja pengendali sistem secara digit. C. Rangkuman Sistim kendali digital, pengendali menggunakan suatu rangkaian digital. Dalam banyak kasus, rangkaian digital dimaksud adalah suatu komputer, biasanya berbasiskan mikroprosesor atau mikrokontroler (pengendali-mikro). Komputer akan menjalankan program secara berulang-ulang (setiap perulangan disebut Iterasi atau scan). Program memerintahkan komputer untuk mengambil nilai set-point dan data hasil pengukuran dari sensor dan selanjutnya menggunakan angka-angka ini untuk menghitung keluaran pengendali (yang kemudian dikirim ke aktuator).
183
Lingkungan sekitar adalah “dunia analog” dalam hal ini kejadian-kejadian alam yang terjadi biasanya terjadi dalam pola yang kontinyu dari suatu keadaan ke keadaan berikutnya. Dengan begitu, kebanyakan sistim kendali mengendalikan proses-proses yang bersifat analog. Ini berarti bahwa dalam banyak kasus, sistim kendali digital pada awalnya harus mengubah data input analog menjadi bentuk digital sebelum dapat digunakan
184
BAB 22
PENGENDALI NUMERIK
Kompetensi Dasar 3.21
Memahami Pengendali Numerik.
Indikator Pencapaian Kompetensi 3.21.1 Mengenal Pengendali Numerik. 3.21.2 Memamahi Pengendali Numerik. 3.21.3 Menjelaskan prinsip kerja Pengendali Numerik. Tujuan Pembelajaran Setelah melakukan proses pembelajaran siswa diharapkan dapat : 1. Mengenal Pengendali Numerik 2. Memamahi Pengendali Numerik 3. Menjelaskan prinsip kerja Pengendali Numerik
185
A. Kendali Numerik (Numerical Control) Kendali numerik merupakan jenis kendali digital digunakan pada mesin-mesin produksi seperti mesin bubut dan mesin frais. Mesin-mesin ini secara otomatis dapat memotong dan membentuk benda kerja tanpa campur tangan operator. Masing-masing mesin memiliki seperangkat sumbu atau parameter-parameter yang harus dikendalikan; sebagai contoh, mesin frais yang ditunjukkan dalam Gambar 32.1. Benda kerja dikunci pada meja kerja yang dapat digerakkan. Meja kerja dapat digerakkan (menggunakan motor listrik) dalam tiga arah sumbu: X, Y, dan Z. Kecepatan gerak alat pemotong secara otomatis dikendalikan juga. Untuk membuat suatu benda kerja, meja kerja menggerakkan benda kerja melewati pisau pemotong pada kecepatan tertentu dan pada kedalaman potong tertentu pula. Dalam contoh ini, terdapat empat parameter (X, Y, Z, dan RPM) yang secara kontinyu dan terpisah-pisah dikendalikan oleh pengendali. Sebagai input bagi pengendali adalah serangkaian angka-angka yang secara lengkap menjelaskan bagaimana benda kerja harus dikerjakan. Angka-angka ini termasuk didalamnya ukuran-ukuran dimensi fisik dan detail-detail kerja seperti kecepatan potong dan tingkat kedalaman pemotongan. Mesin-mesin kendali numerik mulai dipergunakan sejak tahun 1960-an, dan standar-standar yang berhubungan dengan aplikasi telah mengalami banyak perubahan sejak itu. Awalnya, data dari gambar benda kerja dimasukkan secara manual ke 186
komputer pengolah program. Program pada komputer mengubah serangkaian angka dari data input menjadi serangkaian angkaangka dan instruksi-instruksi yang dapat dimengerti oleh kendali numerik, dan selanjutnya data-data tersebut disimpan pada disk atau pita, atau dapat saja dikirim langsung ke kendali mesin pemotong, dibaca untuk pengerjaan pemotongan benda kerja. B. Prinsip Dasar Kendali Numerik Dengan ditemukannya sistim computer-aided design (CAD) / rancangan dibantu komputer, pekerjaan pemrogramman secara manual untuk memasukan instruksi-instruksi pembuatan benda kerja dapat ditiadakan. Sekarang ini dengan menggunakan program komputer khusus (disebut postprocessor) dapat dilakukan pembacaan gambar-gambar benda kerja yang dibuat oleh komputer dan selanjutnya dihasilkan instruksi-instruksi yang perlu untuk mesin kendali numerik untuk mengerjakan benda kerja. Keseluruhan proses ini – dari design dengan komputer (CAD) hingga penyelesaian benda kerja – disebut sebagai proses komputer-aided manufacturing (CAM) / manufaktur dibantu komputer. Salah satu keuntungan utama dari proses ini adalah bahwa mesin produksi dapat secara efisien membuat banyak benda-benda kerja yang berbeda-beda, dari satu ke lainnya. Sistim seperti ini cenderung mengurangi penggunaan persediaan bahan baku dalam jumlah banyak. Jika data input dalam bentuk disket (atau program) tersedia, benda kerja yang diperlukan dapat dibuat dalam waktu 187
singkat. Ini adalah satu contoh dari sistim computer-integrated manufacturing (CIM) / manufaktur dibantu komputer, suatu cara baru mengerjakan proses dalam industri manufaktur. CIM mencakup penggunaan komputer dalam setiap langkah operasi manufaktur – mulai dari pesanan pelanggan, pesanan bahan baku, pembuatan benda kerja, hingga pengirimannya ke tempat tujuan akhir.
Gambar 22.1 Prinsip Dasar Kendali Numerik Mesin Frais 188
C. Soal Latihan 1. Jelaskan secara singkat pengertian pengendali numerik! 2. Sejak kapan mesin-mesin kendali numerik mulai dipergunakan! 3. Tuliskan 4 contoh jenis kendali digital digunakan pada mesinmesin produksi! 4. Jelaskan keuntungan proses komputer-aided manufacturing (CAM) / manufaktur dibantu komputer? 5. Gambarkan dan jelaskan Prinsip Dasar Kendali Numerik Mesin Frais D. Rangkuman 1. Kendali numerik merupakan jenis kendali digital digunakan pada mesin-mesin produksi seperti mesin bubut dan mesin frais. Mesin-mesin ini secara otomatis dapat memotong dan membentuk benda kerja tanpa campur tangan operator. 2. Mesin-mesin kendali numerik mulai dipergunakan sejak tahun 1960-an
189
BAB 23
BLOK DIAGRAM TEKNIK KONTROL
Kompetensi Dasar 3.24
Menerapkan lingkup teknik kontrol berdasarkan gambar blok diagram
3.25
Menerapkan teknik control dengan sistem loop terbuka dan loop tertutup
Indikator Pencapaian Kompetensi 3.24.1 Mengonsepkan pengertian diagram blok dengan teliti. 3.24.2 Menerapkan lingkup teknik kontrol berdasarkan gambar blok diagram dengan teliti 3.24.3 Mengimplementasikan sistem kontrol manual dan otomatis secara bekerja sama. 3.25.1 Menggunakan sistem lingkar terbuka (open loop) dan lingkar tertutup (closed loop) secara bekerja sama. 3.25.2 Menggunakan sistem kontrol kontiniu dan diskrit dengan teliti.
190
Tujuan Pembelajaran 1. Peserta
didik
diharapkan
mampu
mengonsepkan
pengertian diagram blok dengan teliti. 2. Peserta didik diharapkan mampu menerapkan lingkup teknik kontrol berdasarkan gambar blok diagram dengan teliti 3. Peserta didik diharapkan mampu mengimplementasikan sistem kontrol manual dan otomatis secara bekerja sama. 4. Peserta didik diharapkan mampu menggunakan sistem lingkar terbuka (open loop) dan lingkar tertutup (closed loop) secara bekerja sama. 5. Peserta didik diharapkan mampu menggunakan sistem kontrol kontiniu dan diskrit dengan teliti.
191
A. Diagram Blok 1. Pengertian Diagram Blok Diagram blok adalah suatu pernyataan gambar yang ringkas, dari gabungan sebab dan akibat antara masukan dan keluaran dari suatu sistem.
Gambar 23.1 Diagram blok sistem kontrol Blok/kotak biasanya berisikan uraian dan nama elemennya, atau simnol untuk operasi matematis yang harus dilakukan pada masukan untuk menghasilkan keluaran. Ada dua bentuk umum sistem kontrol yaitu: a. Sistem kontrol lingkar terbuka (open loop control system)
Gambar 19.2 Sistem kontrol lingkar terbuka Sistem kontrol lingkar terbuka adalah sistem pengaturan yang outputnya tidak memiliki pengaruh terhadap sinyal kontrol. Ciri khas dari sistem pengaturan loop terbuka ini adalah tidak adanya jaringan feedback/umpan balik dari output yang dihasilkan oleh sistem tersebut sehingga outputnya tidak bisa digunakan sebagai perbandingan umpan balik dengan inputnya. Salah satu kelemahan sistem pengaturan loop yang sangat penting yaitu
192
sistem ini tidak bisa mengatasi ketidakpastian pengetahuan akan plant dan perubahan karakteristik plant. b. Sistem kontrol lingkar tertutup (closed loop control system) atau sistem kontrol dengan umpan balik (feedback control system)
Gambar 23.2 Sistem kontrol lingkar tertutup
Sistem kontrol lingkar tertutup merupakan kebalikan dari sistem pengaturan loop terbuka dimana sinyal output dari sistem pengaturan loop tertutup memiliki pengaruh langsung terhadap sinyal kontrol. Pada sistem pengaturan loop tertutup ini terdapat jaringan feedback (umpan balik) dan sistem pengaturan inisering juga disebut sistem pengauran umpan balik. Pada sistem pengaturan loop tertutup sinyal output dari plant diumpan balik ke set point untuk dibandingkan. Perbedaan antara sinyal output dan set poin yaitu pada error yang diberikan ke kontroler untuk mengurangi kesalahan dan membawa output sistem kepada nilai yang diinginkan. Pada sistem pengaturan loop tertutup ini output dapat menentukan masukan ke plant.
193
2. Dasar-dasar Diagram Blok Tanda anak panah menyatakan arah informasi aliran isyarat atau unilateral. Sebagai contoh sederhana diperlihatkan sebagai berikut:
Gambar 23.3 Keterangan diagram blok Ciri-ciri operasi penjumlahan dan pengurangan, agar dapat digambarkan secara khusus , maka bentuk blok seperti di atas diubah menjadi sebuah lingkaran kecil yang disebut dengan titik penjumlahan, dengan tanda plus (+) dan atau minu (-) yang tepat sesuai dengan anak panah yang memasuki lingkaran. Sedangkan keluarannya
(output)
adalah
jumlah
aljabar
dari
masukannya(input). Contoh:
Gambar 23.4 Ciri-ciri operasi penjumlahan dan pengurangan Agar dapat menggunakan isyarat yang sama sebagai suatu masukan lebih satu blok atau titik penjumlahan digunakan sebuah titik lepas landas. Hal ini menunjukkan isyarat tersebut berjalan
194
tanpa berubah sepanjang lintasan-lintasan yang berbeda ke beberapa tujuan.
Gambar 23.5 Titik lepas landas dan tidak melihat arah Contoh:
Gambarkan
diagram
blok dari
persamaan
matematik sebagai berikut:
Pada umumnya sistem pengendalian praktis terdiri dari banyak komponen. Maka untuk menyederhanakan dalam menganalisa digunakan blok diagram. Dimana tiap-tiap komponen digambarkan oleh sebuah kotak yang mempunyai input dan output, sedangkan di dalamnya dituliskan bentuk transfer function dari komponennya (dalam fungsi S=F(s) kemudian ditunjukkan arah alirannya.
195
1. Hubungan input dan output (transfer function)
Gambar 23.6 Hubungan input dan output 2. Sensing (error detector) suatu gambaran berupa lingkaran kecil dengan gambar silang di dalamnya atau merupakan simbol (penjumlah dan atau pengurangan) tergantung dari tandanya. Dengan demikian error detector menghasilkan sinyal yang merupakan perbedaan antara input dasar (referent) dan sinyal feedback dari sistem kontrol/ pengaturan ke arah kendali sistem.
Gambar 23.7 Sensing (error detector)
3. Penerapan Lingkup Teknik Kontrol Pada bagian sebelumnya, pengontrol digambarkan sebagai blok tersendiri. Selanjutnya blok ini dapat diurai. Sebuah kontrol dapat diurai dengan cara yangsama untuk menunjukkan susunan komponen secara terpisah. Pada saat yang sama, aliran sinyal juga dapat ditunjukkan. Aliran sinyal menunjukkan jalur sinyal dari input sinyal melalui pemrosesan sinyal menuju output sinyal. Di dalam 196
draft penggambaran rangkaian dilakukan pengelompokkan antara pemrosesan sinyal dan kontrol dan bagian aktuasi.
Gambar 23.8 Detail ranai kontrol
Gambar 23.9 Ilustrasi beberapa contoh hardware pada aliran sinyal Pertimbangan khusus diberikan untuk suplai energi dan perlengkapan yang dibutuhkan untuk komponen kontrol dan komponen aktuasi. Pembagian ini mudah untuk identifikasi dalam praktik. Dalam unit yang besar biasanya kontrol dipisahkan dari 197
piranti aktuasi. Contoh berikut diambil dari pneumatik untuk memperjelas beberapa konsep yang penting dan penandaan dalam aliran sinyal. Bagian yang memiliki lebar berbeda (ada dua perbedaan lebar) dipisahkan dengan konveyor dan disensor oleh mekanisme feeler dan dipilih dengan memindahkan bagian yang dioperasikan oleh silinder pneumatis. Jarak antar bagian cukup lebar untuk menghindari tumpang-tindih.
Gambar 23.10 Tata letak dan rangkaian pneumatik Saat ini ada dua standar yang memuat definisi pembedaan karakteristik kontrol, yaitu DIN 19226 “Kontrol otomatis dan teknik kontrol; konsep danpenandaan”, bagian 5. Pembagian kontrol dibedakan berdasar:
198
Gambar 23.11 Pembagian kontrol menurut DIN 19226
Sistem kontrol sinkron adalah sistem kontrol dimana pemrosesan sinyal berlangsung dalam sinkronisasi dengan sinyal yang diatur waktunya. Sedangkan sistem kontrol asinkron adalah operasi sistem kontrol tanpa sinyal terkontrol waktu, dan perubahan hanya dapat diaktuasi oleh perubahan sinyal input. Sistem kontrol logika adalah sistem kontrol yang kondisi sinyal output ditentukan oleh kondisi sinyal input berdasarkan logika Boolean. Sistem kontrol berurutan bergantung waktu adalah sistem kontrol berurutan yang memiliki kondisi urutan hanya bergantung pada waktu dari langkah satu kelangkah berikutnya. Piranti yang dapat digunakan untuk menghasilkan kondisi urutan adalah timer,
199
counter, cam drum atau cam belt dengan kecepatan putar yang konstan. Istilah “sistem kontrol pengaturan waktu” diperuntukkan bagi sistem dimana perintah pengontrolan ditentukan sebagai fungsi waktu. Sistem kontrol berurutan bergantung proses adalah sistem kontrol berurutan yang memiliki kondisi urutan hanya bergantung pada sinyal dari instalasi terkontrol (proses). Sedangkan sistem kontrol bergantung langkah adalah bentuk sistem kontrol berurutan bergantung proses yang memiliki kondisi urutan hanya bergantung pada sinyal setiap langkah dari instalasi terkontrol. Aliran kontrol, dimana kondisi transisi hanya tergantung pada waktu, adalah terlampauinya waktu. Aliran kontrol tergantung proses adalah kontrol yang kondisi transisi tergantung pada proses. Langkah berikut dimulai hanya ketika langkah sebelumnya telah selesai.
Gambar 23.12 Kontrol Waktu Pada gambar di bawah ini, bagian lembaran logam yang bengkok. Silinder 1 bergerak dan membengkok potongan
200
sebelumnya, kemudian menarik kembali. Kemudian naik dari silinder 2, tekukan lembar selesai dan kemudian kembali.
Gambar 23.13 Kontrol berurutan Untuk kontrol sinkron, pemrosesan sinyal dilakukan sinkron dengan sinyal clock. Kontrol asinkron beroperasi tanpa sinyal clock. Perubahan sinyal dipicu hanya oleh perubahan dari sinyal input. Dalam banyak kontrol, sinyal input sesuai dengan kebutuhan kombinasi logis tertentu, sehingga dinamakan logika.
Gambar 2.14 Kontrol hubungan logika
201
Untuk kontrol yang sangat kompleks dari sistem yang besar sering terjadi kedua bentuk kontrol sekuendial bersama-sama. Misalnya, sebuah silinder untuk waktu tertentu harus diperpanjang selama penjepitan dan mengikat benda kerja, sedangkan silinder lainnya keluar (maju). Oleh karena itu keua silinder harus mundur atau maju setelah sebuah diagram alur tertentu.
Gambar 23.15 Pembedaan berdasar pemrograman
Sebuah kontrol program sambungan adalah kontrol yang fungsinya ditentukan oleh komponen-komponen tertentu dan sambungan (pipa pneumatik, kabel listrik). Jika dikehendaki fungsi kontrol tersebut berubah, maka sambungan juga dirubah kembali dan komponen disesuaikan. Kontrol dapat diprogram adalah kontrol yang fungsinya disimpan dalam sebuah program. Untuk perubahan fungsi di sini hanya memerlukan penggantian program dalam memori (misalnya, RAM, EPROM, EEPROM).
202
B. Sistem Kontrol Sistem kontrol (sistem kendali) telah memegang peranan yang sangat penting dalam perkembangan ilmu dan teknologi. Di samping sangat diperlukan pada pesawat ruang angkasa, peluru kendali, dan sistem kemudi pesawat, sistem kontrol juga menjadi bagian yang penting dan terpadu dari proses – proses dalam pabrik dan industri modern. Sebagai contoh, sistem kontrol sangat diperlukan dalam operasi–operasi di industri untuk mengontrol tekanan, temperatur, kelembaban, viskositas, dan aliran dalam industri proses, pengerjaan dengan mesin perkakas, penanganan dan perakitan bagian–bagian mekanik dalam industri manufaktur dan sebagainya. Karena kemajuan dalam teori dan praktek sistem kontrol, maka sistem kontrol dapat memberikan kemudahan dalam mendapatkan performasi dari sistem dinamik, mempertinggi kualitas dan menurunkan biaya produksi, mempertinggi laju produksi,
meniadakan
pekerjaan–pekerjaan
rutin
dan
membosankan yang harus dilakukan oleh manusia dan sebagainya. Pengertian sistem kontrol itu sendiri adalah proses pengaturan/ pengendalian terhadap satu atau beberapa besaran (variabel, parameter) sehingga berada pada suatu harga atau dalam suatu rangkuman harga (range) tertentu. Dalam istilah lain disebut juga teknik pengaturan, sistem pengendalian atau sistem
203
pengontrolan. Secara umum sistem kontrol dapat dikelompokkan sebagai berikut : 1. Dengan operator (manual) dan otomatik. 2. Jaringan tertutup (closed-loop) dan jaringan terbuka (openloop). 3. Kontinu (analog) dan diskontinu (digital, diskrit). 4. Menurut sumber penggerak : elektris, pneumatis (udara, angin), hidarulis (cairan), dan mekanis. (kontrol otomatik teori dan penerapan : 1994) Sedangkan aksi pengontrolan ada enam aksi yaitu: 1. Dua posisi (on-off). 2. Proportional. 3. Integral. 4. Proportional plus Integral. 5. Proportional plus Derivative. 6. Proportional plus Integral plus Derivative. (teknik kontrol automatik sistem pengaturan jilid 1 : 1985) Aksi
kontrol
PID (Proportional, Integral, Derivative)
banyak ditemukan di dunia industri dan satu – satunya strategi yang paling banyak diadopsi
pada pengontrolan proses.
Berdasarkan survey, 97% industri yang bergerak dalam bidang proses (seperti kimia, pulp, makanan, minyak, dan gas) menggunakan
PID
sebagai
komponen
utama
pengontrolannya. (kontrol PID untuk proses industri : 2008) 204
dalam
1. Sistem Kontrol Manual Pengendalian secara manual adalah pengendalian yang dilakukan oleh manusia yang bertindak sebagai operator. Contoh pengendalian secara manual banyak ditemukan dalam kehidupan sehari-hari seperti pada pengaturan suara radio, televisi, pengaturan cahaya layar televisi, pengaturan aliran air melalui kran dan lain-lain.
Gambar 23.16 Kontrol Level Manual Cairan dalam Tangki Pada gambar di atas kita bisa lihat bagaimana manusia sebagai pengontrol pada proses pengisian air dalam tangki. Ketika level air mendekati level high-nya dengan mata manusia sebagai sensor maka dengan tangannya manusia akan membuka valve outlet sehingga level tangki tetap terjaga agar air tidak tumpah ke luar.
205
2. Sistem Kontrol Otomatis Pengendalian secara otomatis adalah pengendalian yang dilakukan oleh mesin-mesin/peralatan yang bekerja secara otomatis dan operasinya dibawah pengawasan manusia. Contoh pengendalian otomatis banyak ditemui dalam proses industri, pengendalian pesawat terbang, pembangkitan tenaga listrik dan lain-lain.
Gambar 23.17 Kontrol level otomatis cairan dalam tangki Sensor level berfungsi untuk mengetahui level di dalam tangki, ketika sensor mengirim sinyal bahwa level tangki high, maka kontroller memerintah actuator untuk membuka valve sehingga level air dalam tangki tidak akan tumpah ke luar. Untuk tujuan pemeliharaan, banyak alat ukur di lapangan (field instruments) juga dilengkapi dengan indikator lokal, yaitu harga yang terukur ditunjukkan di lokal dan juga dikirim sebagai sinyal ke pusat kontrol. 206
Gambar 23.18 Instrumentasi untuk kontrol level otomatis 3. Sistem Lingkar Terbuka (open loop) Sistem kendali dengan jaringan terbuka adalah sistem pengendalian dimana keluaran tidak memberikan efek terhadap besaran masukan sehingga variabel yang dikendalikan tidak dapat dibandingkan terhadap hasil yang diinginkan. Aplikasi sistem jaringan terbuka dan tertutup ditemui dalam kehidupan sehari-hari sebagai berikut: jika seseorang mengendarai mobil maka jalur kecepatan
beserta
percepatan
kendaraan
tersebut
dapat
ditentukan dan dikendalikan oleh pengendara dengancara mengamati lalu kondisi lalu lintas dan mengendalikan setir, rem dan alat- alat pengendali lainnya. Sistem kontrol loop terbuka adalah suatu sistem yang keluarannya tidak mempunyai pengaruh terhadap aksi kontrol. Artinya, sistem kontrol terbuka keluarannya tidak dapat digunakan sebagai umpan balik dalam masukkan.
207
Gambar 23.19 Sistem Kontrol Lingkar Terbuka Dalam suatu sistem kontrol terbuka, keluaran tidak dapat dibandingkan dengan masukan acuan. Jadi, untuk setiap masukan acuan berhubungan dengan operasi tertentu, sebagai akibat ketetapan dari sistem tergantung kalibrasi. Dengan adanya gangguan, sistem kontrol terbuka tidak dapat melaksanakan tugas yang sesuai diharapkan. Sistem kontrol terbuka dapat digunakan hanya jika hubungan antara masukan dan keluaran diketahui dan tidak terdapat gangguan internal maupun eksternal. Ciri-ciri sistem kontrol loop terbuka yaitu: 1. Sederhana 2. Dapat dipercaya 3. Kurang akurat karena tidak terdapat koreksi terhadap kesalahan 4. Berbasis waktu Contoh aplikasi sistem loop terbuka yaitu: 1. Pengontrol lalu lintas berbasis waktu 2. Mesin cuci 3. Oven listrik 4. Tangga berjalan 5. Rolling detector pada bandara
208
Contoh aplikasi sistem kendali terbuka pada mesin cuci yaitu: Penggilingan pakaian, pemberian sabun, dan pengeringan yang bekerja sebagai operasi mesin cuci tidak akan berubah (hanya sesuai dengan yang diinginkan seperti semula) walaupun tingkat kebersihan pakaian (sebagai keluaran sistem) kurang baik akibat adanya faktor-faktor yang kemungkinan tidak di prediksi sebelumnya.
Gambar 23.20 Operasi Mesin Cuci Kelebihan sistem pengaturan loop terbuka yaitu: 1. Memiliki konstruksi yang sederhana 2. Biaya pemeliharaan lebih terjangkau 3. Tidak ada masalah dalam hal stabilitas 4. Lebih cocok digunakan jika output sulit diukur Kelemahan sistem pengaturan loop terbuka: 1. Perlu kalibrasi sistem secara teratur
209
2. Bisa digunakan jika telah mengetahui hubungan input dan output 3. Bisa digunakan jika tidak ada gangguan internal dan eksternal Output pada sistem akan berubah terhadap waktu 4. Sistem Lingkar Tertutup (closed loop) Sistem kendali dengan jaringan tertutup adalah sistem pengendalian dimana besaran keluaran memberikan efek terhadap besaran masukan sehingga besaran yang dikendalikan dapat dibandingkan terhadap harga yang diinginkan melalui alat pencatat. Selanjutnya perbedaan harga yang terjadi antara besaran yang dikendalikan dan penunjukkan alat pencatat digunakan sebagai koreksi pada gilirannya akan merupakan sasaran pengendalian. Jika pengendara ingin memelihara kecepatan pada suatu harga yang konstan (sebagai keluaran) maka pengendara dapat mengaturnya melalui pedal percepatan (gas) dan harga ini secara tepat dapat diperoleh dengan mengamati
penunjukkanspedometer.
Dengan
mengamat
besarnya keluaran tersebut setiap saat berarti akan diberikan diberikan suatu informasi terhadap masukan (dalam hal ini pengendara dan pedalgas) sehingga jika terjadi penyimpangan terhadap kecepatan, pengendara dapatmengendalikannya kembali ke harga seharusnya. Contoh tersebut merupakan contoh sistem kendali dengan jaringan tertutup dan akan
210
berubah menjadi sistem kendali dengan jaringan terbuka jika kendaraan tersebut tidak dilengkapi dengan speedometer. Sistem kontrol loop tertutup adalah sistem kontrol yang sinyal keluarannya mempunyai pengaruh langsung pada aksi pengontrolan. Sistem kontrol loop tetrtutup juga merupakan sistem kontrol berumpan balik. Sinyal kesalahan penggerak, yang merupakan selisih antara sinyal masukan dan sinyal umpan balik (yang dapat berupa sinyal keluaran atau suatu fungsi sinyal keluaran atau turunannya). Diumpankan ke kontroler untuk memperkecil kesalahan dan membuat agar keluaran sistem mendekati harga yang diinginkan. Dengan kata lain, istilah “loop tertutup” berarti menggunakan aksi umpan balik untuk memperkecil kesalahan sistem.
Gambar 23.21 Sistem Loop Tertutup Gambar diatas menunjukan hubungan masukan dan keluaran dari sistem kontrol loop tertutup. Jika dalam hal ini manusia bekerja sebagai operator, maka manusia ini akan menjaga sistem agar tetap pada keadaan yang diinginkan, ketika terjadi perubahan pada sistem maka manusia akan melakukan langkah-langkah awal pengaturan sehingga sistem kembali bekerja pada keadaan yang diinginkan. 211
Berikut ini adalah komponen pada sistem kendali tertutup: 1. Input (masukan) adalah rangsangan yang diberikan pada sistem kontrol, merupakan harga yang diinginkan bagi variabel yang dikontrol selama pengontrolan. Harga ini tidak tergantung pada keluaran sistem. 2. Output (keluaran,respons), merupakan tanggapan pada sistem kontrol, merupakan harga yang akan dipertahankan bagi variabel yang dikontrol, dan merupakan harga yang ditunjukan oleh alat pencatat. 3. Beban/Plant, merupakan sistem fisis yang akan dikontrol (misalnya mekanis, elektris, hidraulik ataupun pneumatic) . 4. Alat kontrol/controller, merupakan peralatan/ rangkaian untuk mengontrol beban (sistem). Alat ini bisa digabung dengan penguat 5. Elemen Umpan Balik, menunjukan/mengembalikan hasil pencatan ke detector sehingga bisa dibandingkan terhadap harga yang diinginkan (di stel) 6. Error Detector (alat deteksi kesalahan), merupakan alat pendeteksi kesalahan yang menunjukan selisih antara input (masukan) dan respons melalui umpan balik (feedback path) 7. Gangguan merupakan sinyal-sinyal tambahan yang tidak diinginkan. Gangguan ini cenderung mengakibatkan harga keluaran berbeda dengan harga masukannya, gangguan ini biasanya disebabkan oleh perubahan beban sistem, misalnya 212
adanya perubahan kondisi lingkungan, getaran ataupun yang lain. Contoh aplikasi sistem kendali tertutup: 1. Servomekanisme 2. Sistem pengontrol proses 3. Lemari Es 4. Pemanas Air Otomatik 5. Kendali Termostatik 6. AC Contoh aplikasi sistem kendali tertutup pada pendingin udara (AC) yaitu: Masukan dari sistem AC adalah derajat suhu yang diinginkan oleh pemakai. Keluarannya berupa udara dingin yang akan mempengaruhi
suhu
ruangan
sehingga
suhu
ruangan
diharapkan akan sama dengan suhu yang diinginkan. Dengan memberikan umpan balik berupa derajat suhu ruangan setelah diberikan aksi udara dingin, maka akan didapatkan kesalahan (error) dari derajat suhu actual dengan derajat suhu yang diinginkan. Adanya kesalahan ini membuat kontroler berusaha memperbaikinya sehingga didapatkan kesalahan yang semakin mengecil.
213
Gambar 23.22 Proses Umpan Balik Pendingin Udara Kelebihan sistem pengaturan loop tertutup yaitu: 1. Memiliki ketelitian yang terjaga 2. Dapat mengetahui karakteristik dan perubahan pada plant 3. Ketidakliniearan antar komponen pada sistem tidak terlalu mengganggu Kelemahan sistem pengaturan loop tertutup 1. Perawatannya lebih rumit 2. Memerlukan biaya yang mahal 3. Cenderung ke arah isolasi 5. Sistem Kontrol Kontiniu Untuk pengendalian sistem kendali jenis kontiniu (analog) ini dapat dibagi menjadi beberapa bagian yaitu: 1. Proporsional.
214
Pada pengendalian proporsional ini dimana keluaran sebanding dengan penyimpangan. Contohnya pengendalian uap melalui katup, pengendalian transmiter tekanan dan lainlain. 2. Integral. Pada pengendalian integral ini dimana keluaran selalu berubah- ubahselama terjadi deviasi perubahan
keluaran
tersebut
dan kecepatan
sebanding
dengan
penyimpangan. Contohnya pengendalian level cairan dalam tangki, pengendalian sistem tekanan dan lain-lain. 3. Differensial. Pengendalian integral jarang dipakai secara tersendiri tetapi digabungkan
dengan
jenis
proporsional
untuk
menghilangkan keragu-raguan jika jenis proporsional ini memerlukan karakteristik yang stabil. 6. Sistem Kontrol Diskrit Untuk pengendalian sistem kendali jenis diskontinu (diskrit) dapat dibagi menjadi beberapa bagian : 1. Pengendalian dengan dua posisi. Contohnya relai, termostat, level, saklar ONOFF dan lain-lain. 2. Pengendalian dengan posisi ganda. Contohnya saklar pemilih (selector switch). Keuntungannya cenderung mengurangi osilasi. 3. Pengendalian floating. 215
Posisi yang relatif tidak terbatas, dalam jenis ini, pemindahan energi dapat dilakukan melalui salah satu daripada beberapa kemungkinan yang ada. C. Soal Latihan 1. Jelaskan pengertian diagram blok! 2. Jelaskanlah diagram blok dari sistem kontrol lingkar tertutup berikut ini ! 3. Jelaskanlah diagram blok dari sistem kontrol lingkar terbuka berikut ini !
4. Buatlah rangkuman tentang sistem kontrol sinkron dan asinkron! 5. Jelaskan pengertian dari sistem kontrol manual! 6. Jelaskan pengertian dari sistem kontrol otomatis! 7. Jelaskan pengertian dari sistem lingkar terbuka (open loop)! 8. Uraikanlah bagian-bagian dari sistem kontrol kontiniu! 9. Uraikanlah bagian-bagian dari sistem kontrol diskrit!
216
BAB 24
RANGKAIAN KONTROL
Kompetensi Dasar 3.26
Menganalisis cara kerja rangkaian kontrol menggunakan komponen elektronika
Indikator Pencapaian Kompetensi 3.26.1 Menguraikan pembahasan tentang rangkaian kontrol 3.26.2 Menguraikan cara kerja rangkaian kontrol menggunakan komponen elektronika Tujuan Pembelajaran 1. Peserta didik diharapkan mampu menguraikan pembahasan tentang rangkaian kontrol dengan teliti. 2. Peserta didik diharapkan mampu menguraikan cara kerja rangkaian kontrol menggunakan komponen elektronika dengan teliti.
217
A. Pengertian Rangkaian Kontrol Rangkaian kontrol adalah rangkaian untuk mengendalikan sebuah motor listrik 3 fasa biasanya rangkaian ini disimpan pada sebuah wadah yang bernama panel box.
Gambar 24.1 Proses Umpan Balik Pendingin Udara Karena pada dasarnya sebuah sistem kontrol motor listrik yang bekerja secara otomatis hanya mengubah kerja dari push boton yang ditekan oleh manusia dilakukan secara otomatis dengan menggunakan saklar waktu dan salah satu saklar waktu terbaik plus paling sering digunakan adalah Timer Delay Relay atau disingkat TDR. Rangkaian ini sangat banyak kegunaan dan manfaatnya untuk mempermudah
218
kerja
manusia.
Misalnya
pada
industri
menggunakan motor listrik 3 fasa untuk mengerjakan mesinmesinnya. Dengan sistem otomatis ini, pekerjaan manusia dapat diringankan karena tidak perlu menghentikan dan menghidupkan motor secara manual. Contoh kedua pada mesin pemotongan kayu, mesin akan memotong bagian panjang kayu dan otomatis berganti berputar dan memotong bagian lebar kayu. Namun, sistem otomatis ini masih kalah dengan sistem kerja dari Programmable Logic Controller (PLC). Maksud rangkaian kontrol motor listrik ini adalah Motor listrik3 fasa dapat bekerja bergantian satu persatu dengan motor lainnya. Misalnya terdapat 3 motor, motor 1 bekerja bila motor 2 dan 3 mati, motor 2 akan bekerja bila motor 1 sudah mati dan motor 3 mati, dan begitupun ketika motor 1 dan 2 mati maka motor 3 akan bisa hidup. 1. Rangkaian Kendali (kontrol) Rangkaian kontrol pada sistem kontrol motor listrik 3 fasa bergantian secara otomatis mati dan hidup, ini adalah pengaktifan koil kontaktor magnet 1 dan 2 secara bergantian menggunakan timer. Simak gambar kendalinya dibawah ini :
219
Gambar 24.2 Rangkaian Kontrol
Keterangan Gambar : Warna merah
: kabel fasa (yang bertegangan)
Warna biru
: kabel netral (nol)
Warna hitam
: kontak hubung pada komponen listrik
MCB 1 F
: Miniature Circuit Breaker 1 fasa
220
PS stop
: Push botton NC untuk memutus arus
PS start
: Push botton NO untuk menghubungkan
arus K1
: Kontak hubung dari kontaktor magnet 1
K2
: Kontak hubung dari kontaktor magnet 2
T1
: Timer Delay Relay 1
T2
: Timer Delay Relay 2
Koil
: Magnet pada kontaktor magnet
2. Cara Membuat Rangkaian Kontrol Untuk membuat rangkaian pada gambar 26.1, dibutuhkan alat dan bahan berikut ini : a.
Obeng min dan plus (- dan +) untuk membuka dan menutup kontak hubung komponen.
b. Tang potong, tang kupas dan tang kombinasi. c.
Avo meter dan Tespen sebagai alat pengecek rangkaian.
d. Kabel sebagai penghubung arus pada setiap komponen (kabel jenis NYAF paling diutamakan karena kabel ini dikhusukan untuk panel dengan kabel tunggal yang serabut tentu memudahkan kabel tersebut untuk disusun dengan rapi) banyaknya kabel dapat disesuakan dengan kebutuhan. e.
1 buah MCB 1 dan 3 fasa sebagai pengaman apabila ada gangguan pada rangkaian (MCB dapat mengamankan rangkaian dan motor listrik dari beban berlebih dan hubung singkat) 221
f.
2 buah kontaktor magnet yang memiliki kontak bantu NO dan NC (kontaktor magnet berfungsi untuk memutus dan menghubung arus listrik 3 fasa dengan daya magnet)
g.
2 buah puh botton. 1 buah push botton NC dan 1 buah push botton NO (Sebuah push botton berfungsi sebagai stop (pemutus) dan start (pemulai) pada rangkaian)
h. 2 buah Timer Delay Relay (TDR). TDR adalah alat yang membuat rangkaian ini bekerja otomatis dengan sistem saklar waktunya,
TDR
dapat
bekerja
secara
otomatis
menghubungkan dan memutus arus bila batas waktu telah sampai. i.
Lampu indikator. Lampu indikator (LED) merupakan lampu yang menjadi tanda dalam posisi apakah rangkaian tersebut. Biasanya terdapat 3 warna lampu indikator, warna hijau untuk hidup, lampu merah untuk mati, dan lampu kuning untuk trip.
j.
Motor listrik 3 fasa. Tidak harus menggunakan motor listrik 3 fasa karena harganya yang mahal, untuk mensiasatinya yaitu dnegan menggunakan lampu.
k.
Thermal Overload Relay (TOR). Menjadi pengaman kedua setelah MCB kelebihan alat ini adalah memiliki Kontak hubung NO dan NC sebagai tambahan yang bisa dihubungkan pada lampu indikator trip.
222
Masih banyak komponen lain yang biasa terpasang ketika hendak membuat sebuah rangkaian kontrol dalam sebuah panel box, misalnya: 1. Terminal 2. Kabel dak, el listrik dan kabel ties 3. Current transformer 4. Trafo 5. Skun (kaki kabel) 6. Ampere meter atau Volt meter 7. Frekuensi Meter Untuk mulai membuat, hubungkan kabel dari MCB pada salah satu kontak hubung pada push botton NC (stop). Kemudian diteruskan pada banyak komponen (bercabang) yaitu push botton start, kontak hubung nomor 1 (NO) pada TDR 1, kontak hubung nomor 13 (NO) kontaktor magnet 1 sebagai pengunci 1, kontak hubung nomor 1 (NO) Timer 1, dan kontak hubung 13 (N0) kontaktor magnet 2 sebagai pengunci 2. Pengunci pada konatktor magnet adalah cara agar arus pada koil tetap ada meskipun arus listrik dari push botton start telah tidak ada. Untuk pengkopelan (penyatuan) tidak perlu dibagian PS stop saja karena dapat dilakukan pada kompoenn lain, yang terpenting tetap pada bagian arus listrik yang sama tanpa ada hambatan kontak hubung.
223
(a)
(b)
Gambar 24.3 Kendali Pertama (a) dan Kendali Kedua (b)
Kendali Pertama 1. Kontak hubung 14 NO kontaktor magnet, kontak hubung 3 NO timer 2 dan start berfungsi sebagai penghubung arus untuk kontaktor magnet dan Timer 1. 2. Keluaran dari kontak hubung 14 NO kontaktor magnet, kontak hubung 3 NO timer 2 dan start dihubungkan pada kontak hubung nomor 8 NC pada Timer 1. Dan kemudian diteruskan pada koil A1 kontaktor magnet 1 dan koil Nomor 2 Timer 1 agar berfungsi. Rangkaian dihubungkan pada kontak hubung NC Timer 1 untuk memutus arus pada koil kontaktor magnet 1 dan timer 1 bila waktu pada timer 1 telah merubah kontak hubung NC jadi NO begitupun sebaliknya NO jadi NC. Kendali Kedua
224
1. Arus dari stop mengalir pada nomor 1 NO Timer 1 dan nomor 13 kontaktor 2 yang berfungsi sebagai penghubung arus untuk KM dan T2 lalu diteruskan pada kontak hubung NC kontaktor magnet 1. Ini berfungsi sebagai pengaman. Pengaman yang dimaksudkan adalah untuk menghindari arus masuk pada KM (kontaktor magnet) dan pada T2 (timer) ketika KM dan T1 sedang aktif sekaligus pemutus arus apabila T2 telah mencapai batas waktu dan merubah kontak NC jadi No dan NO jadi NC. 2. Kemudian arus diterusakan dari kontak hubung NC KM1 dihubungkan pada A1 kontaktor magnet 2 dan nomor 2 T2 untuk mengaktifkan kedua komponen. 3. Pasangkan kabel Netral pada Koil A2 pada kedua kontaktor magnet dan pada nomor 7 kedua Timer. 4. Pasangkan kabel (arus) fasa pada MCB B. Cara Kerja Rangkaian Kontrol Berikut cara kerja rangkaian kontrol menurut gambar 26.1 : 1.
Apabila MCB di Onkan, arus listrik sudah mengalir
2.
Bila tombol start ditekan, arus listrik dari MCB akan mengalir pada koil kontaktor magnet 1 dan koil Timer sehingga KM dan T aktif akan bekerja
3.
Bila batas waktu pada T1 masuk, timer akan mengubah kontak hubungnya dari NC ke NO dan NO ke NC.
225
Karena kontak NO pada timer 1 tepatnya nomor 1 dan 3,
4.
berfungsi menghubungkan arus pada KM dan T2, maka KM dan T 2 akan aktif. Karena arus untuk KM dan T1 diambil melalui kontak NC
5.
(terhubung) T1, maka ketika T1 sudah sampai batas waktunya NC berubah jadi NO (terputus) dan memutus arus untuk KM1 dan T1 secara otomatis. Dengan demikian, KM1 akan mati dan KM2 akan aktif. Bila batas waktu pada T2 masuk, timer tersebut akan
6.
mengubah kontak hubungnya dari NC ke NO dan dari N0 ke NC. Kontak NO pada T2 tepatnya nomor 1 dan 3, berfungsi
7.
menghubungkan arus pada KM dan T 1 maka KM dan T1 akan aktif. Arus untuk KM dan T2 diambil melalui kontak NC
8.
(terhubung) kontaktor magnet 1, maka apabila KM 1 aktif maka otomatis akan memutus arus untuk KM dan T2. Dengan semikian, KM2 akan mati dan KM1 akan aktif. Kegiatan ini terus berulang secara otomatis, apabila
9.
menekan tombol stop, maka rangkaian akan berhenti bekerja C. Soal Latihan 1. Susunan komponen-komponen fisik yang dihubungkan atau berhubungan sedemikian rupa sehingga memerintahkan, 226
mengarahkan atau mengatur diri sendiri atau sistem lain disebut : A. Sistem
C. Input
B. Sistem pengendali
D. Output
2. Uraikan pemahaman Anda tentang rangkaian kontrol! 3. Yang termasuk sistem pengendalian adalah: A. Loop terbuka, loop tertutup, modus
C.
Maju,
D.
Loop
mundur, modus B. Loop terbuka, maju, tertutup tertutup,modus,maju 4. Buatlah rangkuman tentang alat dan bahan yang dibutuhkan untuk membuat rangkaian kontrol! 5. Buatlah konsep tentang cara kerja rangkaian kontrol!
227
BAB 25
KOMUNIKASI DATA
Kompetensi Dasar 3.27
Menerapkan sistem komunikasi data pada sistem kontrol
Indikator Pencapaian Kompetensi 3.27.1 Menentukan pengertian sistem komunikasi data 3.27.2 Mampu menetukan tujuan komunikasi data 3.27.3 Menentukan model komunikasi data 3.27.4 Menerapkan sistem komunikasi data pada sistem kontrol Tujuan Pembelajaran 1. Peserta didik diharapkan mampu menentukan pengertian sistem komunikasi data dengan teliti. 2. Peserta didik diharapkan mampu menetukan tujuan komunikasi data secara bekerja sama. 3. Peserta
didik
diharapkan
mampu
menentukan
model
menerapkan
sistem
komunikasi data secara bekerja sama. 4. Peserta
didik
diharapkan
mampu
komunikasi data pada sistem kontrol dengan disiplin
228
A. Sistem Komunikasi Data 1. Pengertian Sistem Komunikasi Data Komunikasi data adalah proses pengiriman informasi diantara dua titik menggunakan kode biner melewati saluran transmisi dan peralatan switching dapat terjadi antara komputer dengan komputer, komputer dengan terminal atau komputer dengan peralatan. Komunikasi data merupakan gabungan dari teknik telekomunikasi dengan teknik pengolahan data. Komunikasi data adalah proses pengiriman dan penerimaan dataatau informasi dari dua atau lebih device (alat seperti komputer, laptop, printerdan alat komunikasi lain) yang terhubung dalam sebuah jaringan baik lokal maupun yang luas, sepeti internet. Pada dasarnya komunikasi data merupakan proses pengiriman informasi di antara dua titik menggunakan kode biner melewati saluran transmisi dan peralatan switching, bisa antara komputer dan komputer, komputer dengan terminal, atau komputer dengan peralatan, atau peralatan dengan peralatan. Pengertian lain komunikasi data yaitu transmisi data elektronik melalui beberapa media (kabel coaksial, fiber optik, microwave dsb). Sistem yang mungkin terjadinya transmisi data sering disebut sebagai jaringan komunikasi data.
229
Secara umum ada dua jenis komunikasi data, yaitu: a. Melalui Infrastruktur Terestrial Menggunakan media kabel dan nirkabel sebagai aksesnya. Membutuhkan biaya yang tinggi untuk membangun infrastruktur jenis ini. Beberapa layanan yang termasuk teresterial antara lain: Sambungan Data Langsung (SDL), Frame Relay, VPN Multi Service dan Sambungan Komunikasi Data Paket (SKDP). b. Melalui Satelit Menggunakan satelit sebagai aksesnya. Biasanya wilayah yang dicakup akses satelit lebih luas dan mampu menjangkau lokasi yang tidak memungkinkan dibangunnya infrastruktur terestrial namun membutuhkan waktu yang lama untuk berlangsungnya proses komunikasi. Kelemahan lain dari komunikasi via satelit adalah adanya gangguan yang disebabkan oleh radiasi gelombang matahari (Sun Outage) dan yang paling parah terjadi setiap 11 tahun sekali. Yang menyebabkan kita sangat membutuhkan komunikasi data yaitu: 1) Dengan menggunakan sistem ini akan terasa lebih efisien 2) Sebagian besar pengguna komputer selalu menggunakan data sebagai alat komunikasi antar kantor, perusahaan dan institusi lainnya.
230
Yang menyebabkan sistem komunikasi data diperlukan diperlukan yaitu: 1) Menjaga data agar sampai sesuai tujuan yang diinginkan. 2) Dapat mengurangi keterbatasan waktu. 3) Data menjadi terahasiakan bila ada data yang tidak boleh diketahui pihak lain. Cara menjaga data dalam sistem komunikasi data 1) Pastikan media transmisi tidak rusak 2) Pastikan Alamat IP yang mau dikirim benar 3) Lindungi kabel-kabel dari binatang perusak 4) Letakan Kabel kabel ditempat yang aman 5) Selalu rutin scan virus. Recomendasi dua kali sehari 6) HDD yang digunakan tidak boleh Bad sector 7) Agar lebih baik, HDD yang digunakan tidak dicampur dengan game ini membuat file menjadi lemot untuk dibuka Prinsip komunikasi data yaitu: 1. Pengirim/senter 2. Media Penghantar 3. Sink/penerima B. Tujuan Komunikasi Data Tujuan komunikasi data yaitu: a. Efisiensi pengiriman data dalam jumlah besar (tanpa kesalahan dan ekonomis)
231
b. Memungkinkan penggunaan sistem komputer & peralatan pendukungnya dari jauh (remote computer use) c. Sistem komunikasi data memungkinkan orang dan bisnis yang mempunyai lokasi geografi berlainan dapat saling berkomunikasi. d. Mendukung manajemen dalam hal kontrol
karena
memungkinkan penggunaan sistem komputer secara terpusat maupun tersebar e. Memungkinkan pengelolaan data dan pengaturan data yang ada dalam berbagai macam sistem komputer f. Mengurangi waktu untuk pengolahan data g. Mendapat data langsung dari sumbernya atau memperoleh data bisnis sementara data tersebut dibuat (online) h. Mempercepat penyebaran informasi C. Model Komunikasi Data Komunikasi data berkaitan dengan pertukaran data diantara dua
perangkat
yang
terhubung
secara
langsung
yang
memungkinkan adanya pertukaran data antar kedua pihak. Gambar dibawah ini menggambarkan proses komunikasi data.
Gambar 25.1 Proses komunikasi data 232
Pada gambar diatas terdapat elemen-elemen dalam kunci model tersebut : a. Source (sumber) : Alat ini membangkitkan data sehingga dapat ditransmisikan, contoh telepon, Personal Computer (PC) b. Transmitter (pengirim): Biasanya data yang dibangkitkan dari sister sumber tidak ditransmisikansecara langsung dalam bentuk aslinya. Sebuah transmitter cukup memindah dan menandai informasi dengan cara yang sama seperti sinyalsinyal elektromagnetik yang dapat ditransmisikan melewati beberapa sistem transmisi berurutan. c. Sistem transmisi : Berupa jalur transmisi tunggal (single transmission) atau jaringan komplek (complex network) yang menghubungkan antara sumber dengan tujuan (destination). d. Tujuan (destination) : menangkap data yang dihasilkan oleh receiver D. Jaringan Komputer Jaringan komputer adalah sebuah kumpulan komputer, printer dan peralatan lainnya yang terhubung. Informasi dan data bergerak melalui kabel-kabel sehingga memungkinkan pengguna jaringan komputer dapat saling bertukar dokumen dan data, mencetak pada printer yang sama dan bersama sama menggunakan hardware/software yang terhubung dengan jaringan. Tiap komputer, printer atau periferal yang terhubung 233
dengan jaringan disebut node. Sebuah jaringan komputer dapat memiliki dua, puluhan, ribuan atau bahkan jutaan node. Suatu jaringan komunikasi merupakan sumber daya yang dapat dipakai secara bersamaan (shared) oleh sejumlah end user untuk berkomunikasi dengan user lain yang lokasinya berjauhan. Tidak semua user menggunakan jaringan pada waktu yang bersamaan, oleh karena itu merupakan suatu hal yang logis apabila sumber daya jaringanyang sangat penting ini dipakai bersama-sama. Penggunaan sumber daya secara bersamaan ini melahirkan konsep sentral. Sebuah jaringan biasanya terdiri dari 2 atau lebih komputer yang saling berhubungan diantara satu dengan yang lain dan saling berbagi sumber daya misalnya CDROM, Printer, pertukaran
file,
atau
memungkinkan
untuk
berkomunikasi secara elektronik. Ada 4 macam jenis jaringan, berikut diantaranya : 1. Local Area Network (LAN)
Gambar 25.2 Local Area Network (LAN)
234
saling
Local area network (LAN) adalah jaringan yang dibatasi oleh area yang relative kecil, umumnya dibatasi oleh area lingkungan seperti sebuah perkantoran di sebuah gedung, atau sebuah sekolah, dan biasanya tidak jauh dari sekitar 1 km persegi. Suatu LAN biasnya bekerja pada kecepatan mulai 10 Mbps sampi 100 Mbps. LAN menjadi populer karena memungkinkan banyak pengguna untuk memakai sumber daya yang dapat digunakan itu misalnya suatu mainframe, file server, printer, dan sebagainya.
2. Metropolitan Area Network (MAN)
Gambar 25.3 Metropolitan area network (MAN) Metropolitan area network (MAN) biasanya meliputi area yang lebih besar dari LAN, misalnya antar wilayah dalam satu propinsi. Dalam hal ini jaringan menghubungkan beberapa buah jaringan-jaringan kecil ke dalam lingkungan area yang lebih besar, sebagai contoh yaitu jaringan Bank dimana 235
beberapa kantor cabang sebuah Bank di dalam sebuah kota besar dihubungkan antara satu dengan lainnya. Jangkauan MAN biasanya mencapai 10 km sampai beberapa ratus km dan biasanya bekerja pada kecepatan 1,5 sampai 150 Mbps. 3. Wide Area Network (WAN)
Gambar 25.4 Wide Area Network Wide area networks (WAN) adalah jaringan yang lingkupnya biasanya sudah menggunakan sarana Satelit ataupun kabel bawah laut sebagai contoh keseluruhan jaringan BANK BNI yang ada di Indonesia ataupun yang ada di Negaranegara lain.WAN dirancang untuk menghubungkan komputerkomputer yang terletak pada suatu cakupan geografis yang luas,seperti hubungan dari suatu kota ke kota yang lain didalm suatu Negara. Cakupan WAN bias meliputi 100 km sampai 1.000 km, dan kecepatan antar kota bias bervariasi antara 1,5 Mbps sampai 2,4 Gbps. Dalam WAN, biaya untuk peralatan
236
untuk transmisi sangat tinggi,dan biasanya jaringan WAN dimiliki dan dioperasikan sebagai suatu jaringan publik. 4. Global Area Network (GAN)
Gambar 25.5 Global Area Network Global Area Network (GAN) merupakan suatau jarinagn yang
menghubungkan
Negara-negara
diseluruh
dunia.
Kecepatan GAN bervariasi mulai dari 1,5 Mbps sampai dengan 100 Gbps dan cakupannya mencakupi ribuan kilometer. E. Topologi Jaringan Komputer Topologi menggambarkan struktur dari suatu jaringan atau bagaimana sebuah jaringan didesain. Pola ini sangat erat kaitannya dengan metode access dan media pengiriman yang digunakan. Topologi yang ada sangatlah tergantung dengan letak geofrapis dari masing-masing terminal, kualitas kontrol yang dibutuhkan dalam komunikasi ataupun penyampaian pesan, serta kecepatan dari pengiriman data. Dalam definisi topologi terbagi menjadi dua, yaitu topologi fisik (physical topology) yang menunjukan posisi pemasangan kabel secara 237
fisik dan topologi logik (logical topology) yang menunjukan bagaimana suatu media diakses oleh host. Topologi jaringan memiliki beberapa bentuk, berikut macam-macam bentuknya : 1. Topologi bus Topologi bus adalah topologi yang awal di gunakan untuk menghubungkan komputer. Dalam topologi ini masing masing komputer akan terhubung ke satu kabel panjang dengan beberapa terminal, dan pada akhir dari kable harus di akhiri dengan satu terminator. Topologi bus sudah sangat jarang digunakan didalam membangun jaringan komputer biasa karena memiliki beberapa kekurangan diantaranya kemungkinan terjadi nya tabrakan aliran data, jika salah satu perangkat putus atau terjadi kerusakan pada satu bagian komputer maka jaringan langsung tidak akan berfungsi sebelum kerusakan tersebut di atasi. Topologi bus awalnya menggunakan kable Coaxial sebagai media pengantar data dan informasi. Tapi pada saat ini topologi ini di dalam membangun jaringan komputer dengan menggunakan kabal serat optik ( fiber optic) akan tetapi digabungkan dengan topologi
jaringan
performanya 2. Topologi Cincin
238
yang
lain
untuk
memaksimalkan
Topologi cincin atau yang sering disebut dengan ring topologi adalah topologi jaringan dimana setiap komputer yang terhubung membuat lingkaran. Dengan artian setiap komputer yang terhubung kedalam satu jaringan saling terkoneksi ke dua komputer lainnya sehingga membentuk satu jaringan yang sama dengan bentuk cincin. Adapun kelebihan dari topologi ini adalah kabel yang digunakan bisa lebih dihemat. Tetapi kekurangan dari topologi ini adalah pengembangan jaringan akan menjadi susah karena setiap komputer akan saling terhubung. 3. Topologi bintang Topologi bintang atau yang lebih sering disebut dengan topologi star. Pada topologi ini kita sudah menggunakan bantuan alat lain untuk mengkoneksikan jaringan komputer. Contoh alat yang di pakai disini adalah hub, switch, dll. Pada gambar jelas terlihat satu hub berfungsi sebagai pusat penghubung komputer-komputer yang saling berhubungan. Keuntungan dari topologi ini sangat banyak sekali diantaranya memudahkan admin dalam mengelola jaringan, memudahkan dalam penambahan komputer atau terminal, kemudahan mendeteksi kerusakan dan kesalahan pada jaringan. Tetapi dengan banyak nya kelebihan bukan dengan artian topologi ini tanpa kekurangan. Kekurangannya diantaranya pemborosan terhadap kabel, 239
kontrol yang terpusat pada hub terkadang jadi permasalahan kritis kalau seandainya terjadi kerusakan pada hub maka semua jaringan tidak akan bisa di gunakan. 4. Topologi pohon Topologi pohon atau di sebut juga topologi hirarkidan bisa juga disebut topologi bertingkat merupakan topologi yang bisa di gunakan pada jaringan di dalam ruangan kantor yang bertingkat. Pada gambar bisa kita lihat hubungan antar satu komputer dengan komputer lain merupakan percabangan dengan hirarki yang jelas.sentral pusat atau yang berada pada bagian paling atas merupakan sentral yang aktif sedangkan sentral yang ada di bawahnya adalah sentral yang pasif. a. Public Data Network (PDN) Jaringan yang digunakan untuk menghubungkan pusat jaringan yang satu dengan yang lain dan biasanya terletak berjauhan bahkan berada di benua yang lain. Umunya sentral dari PDN dimilik oleh pemerintah atau organisasi lain. b. Private Branch Exchange (PBX) Jaringan yang digunakan terutama untuk hubungan telepon atau
komunikasi
suara
pada
satu
bagunan
tetapi
menggunakan teknologi yang sama dengan sentral telepon.
240
Mirip dengan LAN tetapi data transfer-nya tidak setinggi LAN. F. Perangkat Keras Komunikasi Data Peralatan yang digunakan untuk melakukan interaksi / komunikasi dibedakan atas (peralatan inter aksi), diantaranya yaitu : 1. Data Communication Equipment – DCE untuk menyalurkan informasi antar lokasi. 2. Data Terminal Equipment – DTE, merupakan peralatan tempat informasi masuk dan keluar bagi pemakai maupun komputer. Di dalam sistem komunikasi data ada sistem yang mengatur hubungan dengan peralatan komunikasi data. Peralatan
ini
disebut
Data
Communication
Controller
Unit – DCCU. Tugas dari DCCU antara lain : 1. Membentuk antar muka antara sistem input/output bus dan modem 2. Mengendalikan sinyal antarmuka modem dan konversi level sinyal agar sesuai dengan antarmuka 3. Mengubah data yang akan dikirimkan menjadi serial dan sebaliknya 4. Untuk peralatan sinkron terdapat buffer, dan kendali berita antara 2 stasiun dilakukan oleh DCCU 5. Mengatur error recovery dengan mekanisme retry 241
6. Melakukan konversi sandi bilamana perlu 7. Melakukan
sinkronisasi
karakter
baik
dengan
cara start/stop maupun dengan karakter SYN 8. Melakukan bit sinkronisasi untuk controller asinkron. Kadang kala controller sinkron juga dapat melakukannya dengan internal clock 9. Melakukan pengujian kesalahan (parity, longitudinal atau BCC 10. Mengendalikan
prosedur
dengan
melacak
karakter
transmission control. Termasuk dalam klasifikasi DCCU antara lain I/O controller dan pengendali terminal. Terminal adalah lokasi dalam jaringan yang merupakan tempat informasi dapat masuk dan keluar. Dengan demikian sebuah komputer dapat digolongkan sebagai terminal, bila fungsinya memang demikian. Beberapa macam terminal yang umum yaitu: 1. Key board – printer 2. Key board – video display G. Manfaat Jaringan Komunikasi Data Berikut merupakan beberapa manfaat dari jaringan komunikasi data, diantaranya yaitu : 1. Memungkinkan beberapa sistem komputer saling berbagi (sharing) sumber daya secara bersama sehingga bersifat ekonomis. 242
2. Menambah manfaat komputer karena jaringan memperluas kegunaan dan daya guna sistem komputer yang saling dihubungkan dengan jaringan tersebut sehingga terminal dengan terminal dapat berkomunikasi, tukar menukar data, dan dapat menggantikan fungsi surat menyurat. 3. Memungkinkan berbagai macam merk komputer saling berhubungan, dengan demikian pemakai tidak tergantung pada satu vendor/penjual. 4.
Memungkinkan pengembangan sistem komputer secara relatif lebih mudah dan menyebabkan sistem komputer menjadi lebih fleksibel.
5. Pengolahan
terdistribusi,
sehingga
dapat
mencegah
ketergantungan kepada pusat atau central processor atau tidak tergantung pada satu sistem komputer saja. 6. Memungkinkan integrasi berbagai macam aplikasi yang dijalankan pada berbagai macam sistem komputer. Data yang dihasilkan oleh satu bagian dapat segera digunakan oleh departemen lain dan sebaliknya. H. Soal Latihan 1. Jelaskanlah
pengertian
komunikasi
data
menurut
pemahaman Anda! 2. Buatlah konsep tujuan komunikasi data! 3. Uraikan model sistem komunikasi data!
243
4. Jabarkan penerapan system komunikasi data pada system
kontrol!
244
BAB 26
RANGKAIAN KONTROL DENGAN RELAY
Kompetensi Dasar 3.28
Menerapkan rangkaian kontrol dengan komponen elektro mekanik/ relay
Indikator Pencapaian Kompetensi 3.28.1 Mengonsepkan pengenalan relay elektronik 3.28.2 Menerapkan rangkaian kontrol dengan komponen elektro mekanik/ relay Tujuan Pembelajaran 1. Peserta didik diharapkan mampu mengonsepkan pengenalan relay elektronik dengan teliti. 2. Peserta didik diharapkan mampu menerapkan rangkaian kontrol dengan komponen elektro mekanik/ relay dengan teliti.
245
A. Rangkaian Kontrol dengan Komponen Elektro Mekanik 1. Pengenalan Relay Elektronik Rangkaian pengunci relay untuk interlock disebut self holding karena rangkaian pengunci relay ini menggunakan kontak yang ada pada relay. Pengunci relay relay dibutuhkan karena jenis komponen pengontrolnya. Ada dua jenis pengontrol yang digunakan yakni saklar dan tombol (push button). Perbedaan antara saklar dan tombol adalah cara kerjanya. Saklar, jika ditekan akan mengunci pada posisi yang kita inginkan, yakni off dan on. Jika off, maka akan tetap off sampai kita menekan saklar lagi. Jika On, mana akan tetap on sampai kita menekan saklar lagi. Contoh sederhananya adalah saklar lampu yang ada dirumah kalian. Jika rumah kalian belum menggunakan saklar dan lampu, belajarlah dengan lebih giat dan kemudian bekerja untuk menghasilkan uang. Jika sudah punya uang, belilah saklar dan lampu untuk dipasang dirumahmu. Maaf jika tersinggung, hanya untuk membuat kalian semangat belajar saja. Hal ini berbeda dengan tombol (push button). Tombol yang biasa digunakan adalah tombol spring yang jika ditekan akan On, tapi jika dilepas, dia akan kembali ke posisi semula yakni Off. Saklar tersebut bertipe NO (Normally Open). Keadaan tersebut berkebalikan dengan Tombol bertipe NC (Normally Close). Relay adalah saklar mekanik yang dikendalikan atau dikontrol secara elektronik (elektro magnetik). Saklar pada relay 246
akan terjadi perubahan posisi OFF ke ON pada saat diberikan energi elektro magnetik pada armatur relay tersebut. Relay pada dasarnya terdiri dari 2 bagian utama yaitu saklar mekanik dan sistem pembangkit elektromagnetik (induktor inti besi). saklar atau kontaktor relay dikendalikan menggunakan tegangan listrik yang diberikan ke induktor pembangkit magnet untuk menrik armatur tuas saklar atau kontaktor relay. Relay yang ada dipasaran terdapat berbagai bentuk dan ukuran dengan tegangan kerja dan jumalh saklar yang berfariasi, berikut adalah salah satu bentuk relay yang ada di pasaran.
Gambar 26.1 Relay Elektro mekanik Relay dibutuhkan dalam rangkaian elektronika sebagai eksekutor sekaligus interface antara beban dan sistem kendali elektronik yang berbeda sistem power supplynya. Secara fisik antara saklar atau kontaktor dengan elektromagnet relay terpisah sehingga antara beban dan sistem kontrol terpisah. 247
Bagian utama relay elektro mekanik adalah sebagai berikut. 1. Kumparan electromagnet 2. Saklar atau kontaktor 3. Swing Armatur 4. Spring (Pegas) B. Konstruksi Relai Elektro Mekanik Posisi NC (Normally Close)
Gambar 26.2 Konstruksi relay elektro mekanik posisi NC (Normally Close) Dari konstruksi relai elektro mekanik diatas dapat diuraikan sistem kerja atau proses relay bekerja. Pada saat elektromagnet tidak diberikan sumber tegangan maka tidak ada medan magnet yang menarik armature, sehingga skalar relay tetap terhubung ke terminal NC (Normally Close) seperti terlihat pada gambar konstruksi diatas. Kemudian pada saat elektromagnet diberikan sumber tegangan maka terdapat medan magnet yang menarik armature, sehingga saklar relay terhubung ke terminal NO (Normally Open) seperti terlihat pada gambar 26.3.
248
C. Konstruksi Relai Elektro Mekanik Posisi NO (Normally Open)
Gambar 26.3 Konstruksi relay elektro mekanik posisi NO (Normally Open) Relay elektro mekanik memiliki kondisi saklar atau kontaktor dalam 3 posisi. Ketiga posisi saklar atau kontaktor relay ini akan berubah pada saat relay mendapat tegangan sumber pada elektromagnetnya. Ketiga posisi saklar relay tersbut adalah : a. Posisi Normally Open (NO)yaitu posisi saklar relay yang terhubung ke terminal NO (Normally Open). Kondisi ini akan terjadi pada saat relay mendapat tegangan sumber pada elektromagnetnya. b. Posisi Normally Colse (NC) yaitu posisi saklaar relay yang terhubung ke terminal NC (Normally Close). Kondisi ini terjadi pada saat relay tidak mendapat tegangan sumber pada elektromagnetnya. c. Posisi Change Over (CO) yaitu kondisi perubahan armatur sakalr relay yang berubah dari posisi NC ke NO atau sebaliknya dari NO 249
ke NC. Kondisi ini terjadi saat sumber tegangan diberikan ke elektromagnet atau saat sumber tegangan diputus dari elektromagnet relay. Relay yang ada dipasaran terdapat bebarapa jenis sesuai dengan desain yang ditentukan oleh produsen relay. Dilihat dari desai saklar relay maka relay dibedakan menjadi : a. Single Pole Single Throw (SPST), relay ini memiliki 4 terminal yaitu 2 terminal untuk input kumaparan elektromagnet dan 2 terminal saklar. Relay ini hanya memiliki posisi NO (Normally Open) saja. b. Single Pole Double Throw (SPDT), relay ini memiliki 5 terminal yaitu
terdiri
dari
2
terminal
untuk
input
kumparan
elektromagnetik dan 3 terminal saklar. relay jenis ini memiliki 2 kondisi NO dan NC. c. Double Pole Single Throw (DPST), relay jenis ini memiliki 6 terminal yaitu terdiri dari 2 terminal untuk input kumparan elektromagnetik dan 4 terminal saklar untuk 2 saklar yang masing-masing saklar hanya memilki kondisi NO saja. d. Double Pole Double Throw (DPDT), relay jenis ini memiliki 8 terminal yang terdiri dari 2 terminal untuk kumparan elektromagnetik dan 6 terminal untuk 2 saklar dengan 2 kondisi NC dan NO untuk masing-masing saklarnya. Relay dapat digunakan untuk mengontrol motor AC dengan rangkaian kontrol DC atau beban lain dengan sumber tegangan 250
yang berbeda antara tegangan rangkaian kontrol dan tegangan beban. Diantara aplikasi relay yang dapat ditemui diantaranya adalah : 1. Relay sebagai kontrol ON/OF beban dengan sumber tegang berbeda. 2. Relay sebagai selektor atau pemilih hubungan. 3. Relay sebagai eksekutor rangkaian delay (tunda) 4. Relay sebagai protektor atau pemutus arus pada kondisi tertentu. D. Prinsip Kerja Elektro Mekanis Magnetik (Dasar NO dan NC) Relay dan Kontaktor (Relay and Magic Contactor)
Gambar 26.4 Relay dan Kontaktor Prinsipnya kerjanya adalah rangkaian pembuat magnet untuk menggerakkan penutup dan pembuka saklar internal didalamnya. Yang membedakannya dari kedua peralatan tersebut
adalah
kekuatan
saklar
internalnya
dalam
menghubungkan besaran arus listrik yang melaluinya.
251
Pemahaman sederhananya adalah bila kita memberikan arus listrik pada coil relay atau kontaktor, maka saklar internalnya juga akan terhubung. Selain itu juga ada saklar internalnya yang terputus. Hal tersebut sama persis pada kerja tombol push button, hanya berbeda pada kekuatan untuk menekan tombolnya. Saklar
internal
inilah
yang
disebut
sebagai
kontak NO (Normally Open yaitu Bila coil contactor atau relay dalam keadaan tak terhubung arus listrik, kontak internalnya dalam
kondisi
terbuka
atau
tak
terhubung)
dan
kontak NC (Normally Close= Sebaliknya dengan Normally Open). Seperti dijelaskan pada gambar dibawah ini.
Gambar 26.5 Tombol relay dan kontaktor Relay dianalogikan sebagai pemutus dan penghubung seperti halnya fungsi pada tombol (Push Button) dan saklar (Switch)., yang hanya bekerja pada arus kecil 1A s/d 5A. 252
Sedangkan Kontaktor dapat di analogikan juga sebagai sebagai Breaker untuk sirkuit pemutus dan penghubung tenaga listrik pada beban. Karena pada Kontaktor, selain terdapat kontak NO dan NC juga terdapat 3 buah kontak NO utama yang dapat menghubungkan arus listrik sesuai ukuran yang telah ditetapkan pada kontaktor tersebut. Misalnya 10A, 15A, 20A, 30A, 50Amper dan seterusnya. Seperti pada gambar dibawah ini.
Gambar 26.6 Kontak internal pada kontaktor
Gambar 26.7 Kontak internal pada relay Penyambungan sederhana rangkaian kontaktor:
253
Gambar 26.8 Gambar Rangkaian Kontaktor E. Gambar Bentuk dan Simbol Relay
Gambar 26.9 Gambar bentuk relay dan simbol Relay
254
1. 6 Struktur Sederhana Relay
Gambar 26.10 Struktur sederhana relay Kontak Poin (Contact Point) Relay terdiri dari 2 jenis yaitu : 1. Normally Close (NC) yaitu kondisi awal sebelum diaktifkan akan selalu berada di posisi CLOSE (tertutup) 2. Normally Open (NO) yaitu kondisi awal sebelum diaktifkan akan selalu berada di posisi OPEN (terbuka) Berdasarkan gambar diatas, sebuah Besi (Iron Core) yang dililit oleh sebuah kumparan Coil yang berfungsi untuk mengendalikan Besi tersebut. Apabila Kumparan Coil diberikan arus listrik, maka akan timbul gaya Elektromagnet yang kemudian menarik Armature untuk berpindah dari Posisi sebelumnya (NC) ke posisi baru (NO) sehingga menjadi Saklar yang dapat menghantarkan arus listrik di posisi barunya (NO). Posisi dimana Armature tersebut berada sebelumnya (NC) akan 255
menjadi OPEN atau tidak terhubung. Pada saat tidak dialiri arus listrik, Armature akan kembali lagi ke posisi Awal (NC). Coil yang digunakan oleh Relay untuk menarik Contact Poin ke Posisi Close pada umumnya hanya membutuhkan arus listrik yang relatif kecil. Karena Relay merupakan salah satu jenis dari Saklar, maka istilah Pole dan Throw yang dipakai dalam Saklar juga berlaku pada Relay. Berikut ini adalah penjelasan singkat mengenai Istilah Pole and Throw : 1. Pole : Banyaknya Kontak (Contact) yang dimiliki oleh sebuah relay 2. Throw : Banyaknya kondisi yang dimiliki oleh sebuah Kontak (Contact) Berdasarkan penggolongan jumlah Pole dan Throw-nya sebuah relay, maka relay dapat digolongkan menjadi : 1. Single Pole Single Throw (SPST) : Relay golongan ini memiliki 4 Terminal, 2 Terminal untuk Saklar dan 2 Terminalnya lagi untuk Coil. 2. Single Pole Double Throw (SPDT) : Relay golongan ini memiliki 5 Terminal, 3 Terminal untuk Saklar dan 2 Terminalnya lagi untuk Coil. 3. Double Pole Single Throw (DPST) : Relay golongan ini memiliki 6 Terminal, diantaranya 4 Terminal yang terdiri dari 2 Pasang Terminal Saklar sedangkan 2 Terminal lainnya 256
untuk Coil. Relay DPST dapat dijadikan 2 Saklar yang dikendalikan oleh 1 Coil. 4. Double Pole Double Throw (DPDT) : Relay golongan ini memiliki Terminal sebanyak 8 Terminal, diantaranya 6 Terminal yang merupakan 2 pasang Relay SPDT yang dikendalikan oleh 1 (single) Coil. Sedangkan 2 Terminal lainnya untuk Coil. Selain Golongan Relay diatas, terdapat juga Relay-relay yang Pole dan Throw-nya melebihi dari 2 (dua). Misalnya 3PDT (Triple Pole Double Throw) ataupun 4PDT (Four Pole Double Throw) dan lain sebagainya. Untuk lebih jelas mengenai Penggolongan Relay berdasarkan Jumlah Pole dan Throw, silakan lihat gambar dibawah ini :
257
Gambar 26.11 Jenis relay berdasarkan pole dan throw Beberapa fungsi Relay yang telah umum diaplikasikan kedalam peralatan Elektronika diantaranya adalah : 1. Relay digunakan untuk menjalankan Fungsi Logika (Logic Function) 2. Relay digunakan untuk memberikan Fungsi penundaan waktu (Time Delay Function) 3. Relay digunakan untuk mengendalikan Sirkuit Tegangan tinggi dengan bantuan dari Signal Tegangan rendah. 4. Ada juga Relay yang berfungsi untuk melindungi motor ataupun komponen lainnya dari kelebihan Tegangan ataupun hubung singkat (Short)
258
F. Soal Latihan 1. Buatlah rangkuman tentang relay! 2. Uraikanlah fungsi dari relay yang diaplikasikan ke ke dalam peralatan elektronika! G. Rangkuman 1. Relay adalah saklar mekanik yang dikendalikan atau dikontrol secara elektronik (elektro magnetik). 2. Beberapa fungsi Relay yang telah umum diaplikasikan kedalam peralatan Elektronika diantaranya adalah : a. Relay digunakan untuk menjalankan Fungsi Logika (Logic Function) b. Relay digunakan untuk memberikan Fungsi penundaan waktu (Time Delay Function) c. Relay digunakan untuk mengendalikan Sirkuit Tegangan tinggi dengan bantuan dari Signal Tegangan rendah. d. Ada juga Relay yang berfungsi untuk melindungi motor ataupun komponen lainnya dari kelebihan Tegangan ataupun hubung singkat (Short)
259
DAFTAR PUSTAKA Agus Putranto, dkk. Teknik Otomasi Industri. Jakarta: Direktorat Jenderal Manajemen Pendidikan Dasar dan Menengah Direktorat Pembinaan Sekolah Menengah Kejuruan Departemen Pendidikan Nasional Arie Eric Rawung. 2013. Perekayasaan System Kontrol. Jakarta: Kementerian Pendidikan & Kebudayaan Anonim. 2015. Kipas angin otomatis menggunakan sensor suhu. http://download.portalgaruda.org/article.php?article=273 865&val=1028&title=Kipas%20Angin%20Otomatis%20%20 Dengan%20Menggunakan%20Sensor%20Suhu. Di akses pada tanggal 5 Desember 2017 Anonim. 2016. Rangkaian Integrator. http://www.rangkaianelektronika.org/rangkaianintegrator.htm. Diakses Pada tanggal 6 Desember 2017. Anonim. 2012. Schmit Trigger Penguat Op-Amp. http://elektronikadasar.web.id/schmit-trigger-penguat-operasional-op-amp/. Diakses Pada tanggal 6 Desember 2017. Anonim. 2016. Rangkaian Komparator. http://www.rangkaianelektronika.org/rangkaiankomparator.htm. Diakses Pada tanggal 6 Desember 2017. Ati, Catatan. Catatan Anak Teknik Informatika. http://catatanati.blogspot.co.id/2014/12/type-document-title-typedocument.html. Diakses pada tanggal 12 Desember 2017 Asmuniv. 2015. Perencanaan Rangkaian Modulasi Lebar Pulsa (Pulse Width Modulation-PWM) Menggunakan Komponen Diskrit LM-324. http://www.vedcmalang.com/pppptkboemlg/index.php/m enuutama/listrik-electro/1066-jos2. Diakses pada tanggal 4 Desember 2017. Anonim. 2015. Motor AC. http://zonaelektro.net/motor-ac/. Diakses pada tanggal 4 Desember 2017. Anonim. 2012. Mosfet. http://elektronika-dasar.web.id/mosfetsebagai-saklar/. Diakses pada tanggal 4 Desember 2017.
260
Anonim. 2015. Integrator Aktif. http://elektronikadasar.web.id/integrator-aktif/. Diakses pada tanggal 6 Desember 2017. Agustian, Indra. 2013. Definisi Sistem Kendali. 04 juni. http://te.unib.ac.id/lecturer/indraagustian/2013/06/defini si-sistem-kendali/. Diakses 8 Desember 2017 Iwan Setiawan. 2008. Kontrol PID Untuk Proses Industri-Beragam Struktur dan Metode Tuning PID Praktis. Surabaya: PT Alex Media Komputindo Miftahu Soleh. 2013. Teknik Kontrol. Jakarta: Kementrian Pendidikan & Kebudayaan M. Lukman Hakim. 2005. Analisa Aksi Kontrol Pada Pengaturan Motor DC dengan Mengguakan Model MSW 150. (http://repository.its.ac.id/49154/1/4299100035Undergraduate-Theses.pdf. Diakses pada tanggal 14 Desember 2017) Nur Eko Putra. 2017. Op amp dan pembangkit gelombang. http://ekoputraannur20151037.blogspot.co.id/2017/03/m odul-4-op-amp-dan-pembangkit-gelombang.html. Di akses pada tanggal 10 Desember 2017 Lilik Eko Nuryanto. 2017. Penerapan Dari Op-Amp (Operational Amplifier). Volume 13 : halaman 43-50 Putri, Anindita. Pengertian Sistem Kontrol/ Sistem Kendali. PT Dipta Kencana Teknologi. http://www.diptakencana.co.id/pengertian-sistem-kontrolsistem-kendali/. Diakses pada tanggal 07 Desember 2017Rugianto. 2016. Modul Penerapan Rangkaian Elektronika. Jakarta: Pusat Pengembangan dan Pemberdayaan Pendidik dan Tenaga Kependidikan Bidang Otomotif dan Elektronika, Direktorat Jendral Guru dan Tenaga Kependidikan. Rismawan, Agung. Konsep Sistem Kendali, Sistem Kendali Terbuka dan Tertutup dan Contoh Aplikasinya. Bandung. https://serbatelekomunikasi.wordpress.com/. Diakses pada tanggal 11
261
Taufiqullah. TN Industri. https://www.tneutron.net/industri/sistem-kendali-manualdan-otomatis/. Diakses pada 07 Desember 2017. Taufiq D. 2015. Teknik Kendali Derivatif (PD). http://www.roboticsuniversity.com/2015/02/teknik-kendali-integral-i.html. Diakses pada tanggal 14 Desember 2017 Thalib, Muhamad Fadhlan. 2014. Sistem Kontrol Loop Terbuka dan Tertutup. http://fexel.blogspot.com/2014/06/sistemkontrol-loop-terbuka-dan-tertutup.html. Diakses 8 Desember 2017 Zulhendri, Agus. Instrumentasi Kendali. http://microlose.blogspot.co.id/2012/06/sistem-kendalimanual-dan-otomtasi.html. Diakses pada tanggal 11 Desember 2017. Zubaidi, Ahmad. Teknik Kontrol. Malang. https://www.academia.edu/17481531/Teknik_Kontrol. Diakses pada tanggal 06 Desember 2017.
262
