BAB I

PENGANTAR MEKATRONIKA Secara sempit pengertian mekatronika mengarah pada teknologi kendali numerik yaitu teknologi mengendalikan mekanisme menggunakan aktuator untuk mencapai tujuan tertentu dengan memonitor kondisi gerak mesin menggunakan sensor dan memasukkan informasi tersebut kedalam mikro-prosessor.

Dengan demikian, mekatronika adalah gabungan disiplin ilmu dasar seperti, mekanika, elektro, dan informatika untuk merancang, memproduksi, mengoperasikan, atau memelihara sistem maupun mengoptimasi suatu produk untuk mencapai tujuan yang diinginkan.

Gambar I.1 Diagram Sederhana Pembentukan Ilmu MekatronikaBeberapa manfaat penerapan mekatronika antara lain:

1. Meningkatkan fleksibilitas

Sebagai contoh, lengan robot industri dapat melakukan berbagai jenis pekerjaan dengan merubah program peranti lunak di mikro-prosesornya seperti halnya lengan manusia. Ini yang menjadi faktor utama dimungkinkannya proses produksi produk yang beraneka ragam tipenya dengan jumlah yang sedikit-sedikit.

2. Meningkatkan kehandalan

Dengan menggunakan komponen-komponen elektronika untuk mengendalikan gerakan, maka komponen-komponen mesin pengendali gerak manual bisa dikurangi, sehingga meningkatkan kehandalan.3. Meningkatkan presisi dan kecepatan

Dengan menerapkan kendali digital dan teknologi elektronika, maka tingkat presisi mesin dan kecepatan gerak mesin dapat diangkat lebih tinggi lagi sampai batas tertentu. Batas ini misalnya adalah rigiditas mesin yang menghalangi kecepatan lebih tinggi karena munculnya getaranElemen-elemen mekatronika:

Mekanisme mesin

adalah obyek kendali yang bias berupa lengan robot, mekanisme penggerak otomotif,generator pembangkit listrik dan sebagainya.

Gambar I.2 mekanisme mesin pengerak piston

Sensor

Sensor adalah alat untuk mendeteksi / mengukur sesuatu yang digunakan untuk mengubah variasi mekanis, magnetis, panas, sinar dan kimia menjadi tegangan dan arus listrik. Sensor itu sendiri terdiri dari transduser dengan atau tanpa penguat/pengolah sinyal yang terbentuk dalam satu sistem pengindera.

Gambar I.3 Sensor Efek-Hall

Gambar I.4 Diagram blok sensor efek hall

Gambar I.5 Sensor ultrasonik Kontroler

adalah elemen yang berfungsi sebagai pengambil keputusan apakah keadaan obyek kendali telah sesuai dengan nilai referensi yang diinginkan,dan kemudian memproses informasi untuk menetapkan nilai komando guna merefisi keadaan obyek kendali

Gambar I.6 Diagram Blok Rangkaian penggerak

adalah elemen yang berfungsi menerima sinyal komando dari controller dan mengkonversikan menjadi energy yang mampu menggerakan actuator untuk melaksanakan komando dari kontroler. elemen ini selain menerima informasi dari kontroler juga menerimah catu daya berenergi tinggi

Gambar I.7 Rangkaian motor penggerak miniatur lift untuk perintah naik- turun dengan menggunakan plc

Aktuator

Aktuator adalah bagian keluaran untuk mengubah energi suplai menjadi energi kerja yang dimanfaatkan. Sinyal keluaran dikontrol oleh sistem kontrol dan aktuator bertanggung jawab pada sinyal kontrol melalui elemen kontrol terakhir.

Gambar I.8 Konstruksi Silinder Kerja Tunggal

Sumber Energi

adalah elemen yang mencatu daya energi listrik kesemua elemen yang membutukan nya. Salah satu bentuk kongkrit sumber energy adalah batere untuk system yang berpindah tempat,atau adaptor AC-DC untuk system stasionari(tetap di tempat)

Gambar I.9 Skema Power SuplyAplikasi/penerapan mekatronika antara lain: Peralatan rumah tangga: mesin cuci, mesin penghisap debu, microwave, remotecontrol, dll.

Berbagai piranti pada komputer: mouse, printer, disk drive, keyboard, dll.

Peralatan medis dan laboratorium

Bidang robotika

Bidang industri

Dunia penerbangan: pengendalian pesawat terbang secara FBW (Fly By Wire)

1.1 MEKANIKA

Mekanika (Bahasa Latin mechanicus, dari Bahasa Yunani mechanikos, "seseorang yang ahli di bidang mesin") adalah jenis ilmu khusus yang mempelajari fungsi dan pelaksanaan mesin, alat atau benda yang seperti mesin.mekanika merupakan bagian yang sangat penting dalam ilmu fisika terutama untuk ahli sains dan ahli teknik.

Mekanika mempelajari keadaan gerak dari suatu sistem fisis (benda). Mekanika dapat dipecah menjadi dua berdasarkan ada atau tidaknya gaya yang bekerja pada sistem yaitu :Kinematika dan Dinamika. Besar-besaran fisis yang menggambarkan keadaan gerak dari suatu benda (partikel, sistem partikel) secara umum dapat diwakili oleh koordinat posisi, kecepatan, percepatan, momenatum dll.

Mekanika (Mechanics) juga berarti ilmu pengetahuan yang mempelajari gerakan suatu benda serta efek gaya dalam gerakan itu. Cabang ilmu Mekanika terbagi dua; Mekanika Statik dan Mekanika Dinamik , sedang Mekanika Dinamik dapat dibagi dua pula , yaitu Kinematik dan Kinetik..

1.2 ELEKTRONIKA

adalah ilmu yang mempelajari alat listrik arus lemah yang dioperasikan dengan cara mengontrol aliran elektron atau partikel bermuatan listrik dalam suatu alat seperti komputer, peralatan elektronik, termokopel, semikonduktor, dan lain sebagainya. Ilmu yang mempelajari alat-alat seperti ini merupakan cabang dari ilmu fisika, sementara bentuk desain dan pembuatan sirkuit elektroniknya adalah bagian dari teknik elektro, teknik komputer, dan ilmu/teknik elektronika dan instrumentasi.

Alat-alat yang menggunakan dasar kerja elektronika ini biasanya disebut sebagai peralatan elektronik (electronic devices). Contoh peralatan/ piranti elektronik ini: Tabung Sinar Katoda (Cathode Ray Tube, CRT), radio, TV, perekam kaset, perekam kaset video (VCR), perekam VCD, perekam DVD, kamera video, kamera digital, komputer pribadi desk-top, komputer Laptop, PDA (komputer saku), robot, smart card, dll.

1.3 Informatika

merupakan disiplin ilmu yang mempelajari transformasi fakta berlambang yaitu data maupun informasi pada mesin berbasis komputasi. Disiplin ilmu ini mencakup beberapa macam bidang, termasuk di dalamnya: ilmu komputer, ilmu informasi, sistem informasi, teknik komputer dan aplikasi informasi dalam sistem informasi manajemen. Secara umum informatika mempelajari struktur, sifat, dan interaksi dari beberapa sistem yang dipakai untuk mengumpulkan data, memproses dan menyimpan hasil pemrosesan data, serta menampilkannya dalam bentuk informasi. Aspek dari informatika lebih luas dari sekedar sistem informasi berbasis komputer saja, tetapi masih banyak informasi yang tidak dan belum diproses dengan komputer.

Informatika mempunyai konsep dasar, teori, dan perkembangan aplikasi tersendiri. Informatika dapat mendukung dan berkaitan dengan aspek kognitif dan sosial, termasuk tentang pengaruh serta akibat sosial dari teknologi informasi pada umumnya. Penggunaan informasi dalam beberapa macam bidang, seperti bioinformatika, informatika medis, dan informasi yang mendukung ilmu perpustakaan, merupakan beberapa contoh yang lain dari bidang informatika.

Open Loop CS

Control System

Closed Loop CSMekatronikaDiscrete

Automatic System

Continuous

Automatic Control SystemGambar I.24 Diagram pembagian mekatronika1.4.1 CONTROL SYSTEM

Sistem kontrol adalah kombinasi komponen (listrik, mekanik, termal, atau hidrolik) yang bertindak bersama untuk untuk mengendalikan, memerintah, dan mengatur keadaan dari suatu sistem.

Bagian sistem kontrol:

Sistem Sebuah susunan komponen komponen fisik yang saling terhubung dan membentuk satu kesatuan untuk melakukan aksi tertentu Contoh : tubuh, pemerintahan, motor Kontrol mengatur, mengarahkan, memerintahkan Input (Set Point, Reference) Respon sistem yang diinginkan Output Respon sistem sebenarnya Plant Obyek yang dikontrolContoh Sistem Kontrol Elevator

Gambar I. 25 a). elevator jaman dulu, b). elevator zaman sekarang.a. Elevator/lift jaman dulu, dikendalikan oleh pemegang tali atau operator lift, pada gambar tali dipotong untuk menunjukkan sebuah rem yang aman, inovasi dari lift jaman dulu.b. Duo lift/elevator yang digunakan di grande arche paris, dikendalikan oleh sebuah motor, dimana setiap motor gerakannya saling berlawanan. Pada jaman sekarang lift/elevator adalah full otomatis, menggunakan sistem kontrol untuk mengendalikan posisi dan kecepatan.

Gambar I.26 diagram floor versus time Input : lantai 4 Output (elevator response) : lantai lantai yang dilewati elevator Transient response Steady state response ( steady state errorMacam-macam Diagram Blok dan Komponen-komponennya1.

Keterangan: input biasanya berupa sinyal atau sejenisnya masuk dan kemudian diproses oleh sistem menghasilkan output berupa suatu mekanisme mesin.2. Gambar I.28 Diagram blok close loop control system Keterangan: input yang berupa sinyal masuk menuju eror detector sebagai pembanding, kemudian masuk ke dalam proses dan keluar melalui output, tetapi sebelumnya sinyal yang keluar dari proses kembali lagi menuju eror detector (feedback).

Gambar I.29 diagram blok close loop control system with sensor3.

Gambar I. 31 Diagram blok lengkap control system

Keterangan komponen komponennya:

Variabel yang dikontrol Variabel aktual yang diawasi dan dijaga pada nilai tertentu yang diinginkan di dalam proses. Variabel yang diukur Kondisi dari controlled variable pada saat tertentu dalam pengukuran Sensor Mata sistem, mengukur controlled variable dan menghasilkan sinyal output yang mewakili statusnya Sinyal feedback Output dari measurement device. Set Point Nilai dari controlled variable yang diinginkan Error detector Pembanding set point dengan sinyal feedback, dan menghasilkan sinyal output yang sesuai dengan perbedaan tersebut Sinyal error Output dari error detector Kontroler Otak dari sistem. Ia menerima error sebagai input dan menghasilkan sinyal kontrol yang menyebabkan controlled variable menajdi sama dengan set point Aktuator Otot dari sistem. Ia adalah alat yang secara fisik melakukan keinginan kontroler dengan suntikan energi tertentu Variabel yang dimanipulasi Besaran fisik yang merupakan hasil dari kerja yang dilakukan aktuator. Plant/proses Proses tertentu yang dikontrol oleh sistem Disturbances/gangguan Faktor pengganggu, menyebabkan perubahan pada variabel yang dikontrol1.4.1.1 Open Loop Control System

Suatu sistem kendali yang keluarannya tidak berpengaruh terhadap aksi kendali disebut sistem kendali loop terbuka. Dengan kata lain, sistem kendali loop terbuka tidak dapat digunakan sebagai perbandingan umpan balik dengan masukan.

Dalam suatu sistem kendali loop terbuka, keluaran tidak dapat dibandingkan dengan masukan acuan. Jadi setiap masukan acuan berhubungan dengan operasi tertentu, sehingga ketetapan dari sistem tergantung pada kalibrasi. Kelemahan sistem kendali ini adalah jika ada gangguan, maka sistem kendali loop terbuka tidak dapat melaksanakan tugas seperti yang diharapkan. Sistem kendali loop terbuka dapat digunakan hanya jika hubungan antara masukan dan keluaran diketahui dan tidak terdapat gangguan internal maupun eksternal.

Contoh dari sistem kendali loop terbuka ini adalah mesin cuci, dimana perendaman, pencucian dan pembilasan dalam mesin cuci dilakukan atas basis waktu. Mesin ini tidak mengukur sinyal keluaran, yaitu tingkat kebersihan pakaian.

Gambar I.32 diagram blok dasar open loop control system

Contoh: Becak motor

Gambar I.33 Becak motor

Input berupa kedalaman gas pada stang becak motor, input dikendalikan oleh manusia, proses/plant berupa mekanisme motor bakar, output berupa gerak roda. Disini tidak ada feed back jadi, kita tidak tahu apakah terjadi eror antara input yang berupa gas pada stang dan juga perputaran gerak roda. 1.4.1.2 Close Loop Control System

Sistem kendali umpan balik sering disebut sebagai sistem kendali loop tertutup. Pada sistem kendali umpan balik, sistem mempertahankan hubungan yang ditentukan antara keluaran dengan beberapa masukan acuan, dengan cara membandingkan mereka dan selisih yang dihasilkan akan digunakan sebagai alat kendali.

Pada sistem kendali loop tertutup, sinyal kesalahan yang bekerja, yaitu perbedaan antara sinyal masukan dan sinyal umpan balik ( yang mungkin sinyal keluarannya sendiri atau fungsi dari sinyal keluaran dan turunannya ), disajikan ke kontroler sedemikian rupa untuk mengurangi kesalahan dan membawa keluaran sistem ke nilai yang dikehendaki. Istilah kendali loop tertutup selalu berarti penggunaan aksi kendali umpan balik untuk mengurangi kesalahan sistem.

Sebagai contoh dari sistem kendali loop tertutup ini adalah sistem kendali suhu ruangan. Dengan mengukur suhu ruangan yang sebenarnya dan membandingkannya dengan suhu acuan (suhu yang dikehendaki), thermostat menjalankan alat pemanas atau pendingin, atau mematikannya sedemikian rupa sehingga memastikan bahwa suhu ruangan tetap pada suhu yang nyaman tidak tergantung dari keadaan di luar.

Gambar I.34 Air Conditioner with inverter

Gambar I.35 Diagram blok close loop control system

Open loop control system Aksi kontrolnya tidak tergantung dari output sistem. Tidak dapat memberikan kompensasi/koreksi jika ada gangguan (lihat gambar a). Contoh : mesin cuci, oven, dll. Ketepatan hasil bergantung pada kalibrasi. Sederhana dan murah. Close loop control system Aksi kontrolnya bergantung pada output sistem (melalui feedback). Mengatasi kelemahan sistem open loop karena bisa memberikan koreksi saat ada gangguan Mungkin terjadi overkoreksi, sehingga sistem justru menjadi tidak stabil Kompleks dan mahal, karena komponen lebih banyak Contoh : pengaturan kecepatan motor, pendingin-pemanas ruangan

Gambar (a) diagram blok open loop control sytem, (b) diagram blok close loop control system1.4.2 Automatic System

Sistem otomatis adalah suatu sistem yang bekerja secara otomatis tanpa harus dikendalikan oleh sesuatu. Juga dapat didefinisikan sebagai suatu teknologi yang berkaitan dengan aplikasi mekanik, elektronik dan sistem yang berbasis komputer (komputer, PLC atau mikro). Semuanya bergabung menjadi satu untuk memberikan fungsi terhadap manipulator (m Elemen dasar sistem otomasi

Terdapat tiga elemen dasar yang menjadi syarat mutlak bagi sistem otomasi, yaitu power, program of instruction, kontrol sistem yang kesemuanya untuk mendukung proses dari sistem otomasi tersebut.

a. Power

Power atau bisa dikatakan sumber energi dari sistem otomasi berfungsi untuk menggerakan semua komponen dari sistem otomasi. Sumber energi bisa menggunakan energi listrik, baterai, ataupun Accu, semuanya tergantung dari tipe sistem otomasi itu sendiri.

b. Program of instruction

Proses kerja dari sistem otomasi mutlak memerlukan sistem kontrol baik menggunakan mekanis, elektronik ataupun komputer. Untuk program instruksi / perintah pada sistem kontrol mekanis maupun rangkaian elektronik tidak menggunakan bahasa pemrograman dalam arti sesungguhnya, karena sifatnya yang analog. Untuk sistem kontrol yang menggunakan komputer dan keluarganya (PLC maupun mikrokontroler) bahasa pemrograman merupakan hal yang wajib ada.

c. Sistem kontrol

Sistem kontrol merupakan bagian penting dalam sistem otomasi. Apabila suatu sistem otomasi dikatakan layaknya semua organ tubuh manusia seutuhnya maka sistem kontrol merupakan bagian otak / pikiran, yang mengatur dari keseluruhan gerak tubuh. Sistem kontrol dapat tersusun dari komputer, rangkaian elektronik sederhana, peralatan mekanik. Hanya saja penggunaan rangkaian elektronik, perlatan meknik mulai ditinggalkan dan lebih mengedepankan sistem kontrol dengan penggunaan komputer dan keluarganya (PLC, mikrokontroller)

Sistem kontrol sederhana dapat ditemukan dari berbagai macam peralatan yang kita jumpai, diantaranya

- Setiap toilet memiliki mekanisme kontrol untuk mengisi ulang tangki air dengan pengisian sesuai dengan kapasitas dari tangki tersebut. Mekanisme sistem kontrol tersebut menggunakan peralatan mekanis yang disusun sedemikian rupa sehingga membentuk sistem otomasi.

- AC atau air conditioner merupakan sistem otomasi yang menggunakan sistem kontrol mikroelektronik atau yang sering disebut komputer sederhana.

- Robot assembly contoh sistem otomasi yang menggunakan klntrol sistem komputer atau keluarganya. Sistem control tersebut akan memberikan pengaturan pada gerakan-gerakan tertentu untuk menyusun suatu peralatan pada industri.ekanik) sehingga akan memiliki fungsi tertentu.1.4.2.1 Discrete

Adalah sistem otomatis yang hanya mengenal batasan minimal dan maksimal, tidak ada nilai diantaranya. Contoh: on/off, 0/1.1.4.2.2 Continuous

Adalah sistem otomatis yang mengenal lebih dari 2 nilai, bukan hanya nilai maksimal dan minimal. Contoh: mati, kecepatan 1, kecepatan 2, kecepatan 3.Contoh Automatic system:

AUTOMATIC WIRELESS SCORING BOARD FOR TAEKWONDO

PLC

WASTAFEL OTOMATIS

1.4.3 Automatic Control System

Sistem kendali otomatis adalah suatu sistem yang memiliki sensor, aktuator dan kontroler. Pada sistem ini mencakup gabungan antara control system dan automatic system.Contoh automatic control system:

PRINTER

KAMERA

LIFTBAB 2Komponen Dasar Elektronika

Elektronika adalah ilmu mengenai electron. Elektronika membahas cara-cara penggunaan electron untuk melakukan hal-hal yang bermanfaat dan menarik.

Pada pembahasan tentang rangkaian listrik, perlu kiranya kita mengetahui terlebih dahulu beberapa hal megenai apa itu yang dimaksud dengan listrik. Untuk memahami tentang listrik, perlu kita ketahui terlebih dahulu pengertian dari arus.Arus merupakan perubahan kecepatan muatan terhadap waktu atau muatan yang mengalir dalam satuan waktu dengan simbol i (dari kata Perancis : intensite), dengan kata lain arus adalah muatan yang bergerak. Selama muatan tersebut bergerak maka akan muncul arus tetapi ketika muatan tersebut diam maka arus pun akan hilang. Muatan akan bergerak jika ada energi luar yang memepengaruhinya.Muatan adalah satuan terkecil dari atom atau sub bagian dari atom. Dimana dalam teori atom modern menyatakan atom terdiri dari partikel inti (proton bermuatan + dan neutron bersifat netral) yang dikelilingi oleh muatan elektron (-), normalnya atom bermuatan netral. Muatan terdiri dari dua jenis yaitu muatan positif dan muatan negative Arah arus searah dengan arah muatan positif (arah arus listrik) atau berlawanan dengan arah aliran elektron. Suatu partikel dapat menjadi muatan positif apabila kehilangan elektron dan menjadi muatan negatif apabila menerima elektron dari partikel lain. Coulomb adalah unit dasar dari International System of Units (SI) yang digunakan untuk mengukur muatan listrik.

Simbol

: Q

= muatan konstan

Q

= muatan tergantung satuan waktu

muatan 1 elektron = -1,6021 x 10-19 coulomb

1 coulomb = -6,24 x 1018 elektron

Secara matematis arus didefinisikan

Satuannya : Ampere (A)

Dalam teori rangkaian arus merupakan pergerakan muatan positif. Ketika terjadi beda potensial disuatu elemen atau komponen maka akan muncul arus dimaan arah arus positif mengalir dari potensial tinggi ke potensial rendah dan arah arus negatif mengalir sebaliknya.

Macam-macam arus :

1. Arus searah (Direct Current/DC)

Arus DC adalah arus yang mempunyai nilai tetap atau konstan terhadap satuan waktu, artinya dimana pun kita meninjau arus tersebut pada waktu berbeda akan mendapatkan nilai yang sama

2. Arus bolak-balik (Alternating Current/AC)

Arus AC adalah arus yang mempunyai nilai yang berubah terhadap satuan waktu dengan karakteristik akan selalu berulang untuk perioda waktu tertentu (mempunyai perida waktu : T).

Tegangan atau seringkali orang menyebut dengan beda potensial dalam bahasa Inggris voltage adalah kerja yang dilakukan untuk menggerakkan satu muatan (sebesar satu coulomb) pada elemen atau komponen dari satu terminal/kutub ke terminal/kutub lainnya, atau pada kedua terminal/kutub akan mempunyai beda potensial jika kita menggerakkan/memindahkan muatan sebesar satu coulomb dari satu terminal ke terminal lainnya. Keterkaitan antara kerja yang dilakukan sebenarnya adalah energi yang dikeluarkan, sehingga pengertian diatas dapat dipersingkat bahwa tegangan adalah energi per satuan muatan.

Secara matematis :

Satuannya : Volt (V)

Gambar 2.1 Tegangan

Pada gambar diatas, jika terminal/kutub A mempunyai potensial lebih tinggi daripada potensial di terminal/kutub B. Maka ada dua istilah yang seringkali dipakai pada

Rangkaian Listrik, yaitu :

1. Tegangan turun/ voltage drop

Jika dipandang dari potensial lebih tinggi ke potensial lebih rendah dalam hal ini dari terminal A ke terminal B.

2. Tegangan naik/ voltage rise

Jika dipandang dari potensial lebih rendah ke potensial lebih tinggi dalam hal ini dari terminal B ke terminal A.

Ada juga hal yang penting untuk diketahui sebelum membahas tentang pokok bahasan dalam bab ini yaitu fase. Umumnya bebrapa fase yang diketahui adalah 1 fase, 2 fase, dan juga 3 fase. Penjelasan untuk ketiga jenis fase tersebut dijelaskan berikut ini.

A. Rangkaian 3 fase

Tiga-fase tenaga listrik adalah metode umum arus bolak tenaga listrik pembangkit , transmisi , dan distribusi .Ini adalah jenis sistem polyphase dan merupakan metode yang paling umum digunakan oleh grid di seluruh dunia untuk mentransfer daya. It is also used to power large motors and other large loads. Hal ini juga digunakan untuk daya yang besar motor dan beban besar lainnya. A three-phase system is generally more economical than others because it uses less conductor material to transmit electric power than equivalent single-phase or two-phase systems at the same voltage . [ 2 ] The three-phase system was introduced and patented by Nikola Tesla in the years from 1887 to 1888.Sebuah 3 fase umumnya lebih ekonomis daripada yang lain, karena menggunakan bahan konduktor kurang untuk mengirimkan tenaga listrik dari setara- fase tunggal atau dua fase pada saat tegangan sama.

Gambar 2.2 3 fase

In a three-phase system, three circuit conductors carry three alternating currents (of the same frequency) which reach their instantaneous peak values at different times.Dalam sistem fase tiga, tiga konduktor membawa tiga rangkaian arus bolak (dari frekuensi yang sama) yang mencapai puncak sesaat nilai pada waktu yang berbeda. Taking one conductor as the reference, the other two currents are delayed in time by one-third and two-thirds of one cycle of the electric current. Mengambil satu konduktor sebagai acuan, dua lainnya arus yang tertunda dalam waktu dengan sepertiga dan dua pertiga dari satu siklus arus listrik. This delay between phases has the effect of giving constant power transfer over each cycle of the current and also makes it possible to produce a rotating magnetic field in an electric motor . Penundaan antara fase ini memiliki pengaruh pemberian transfer daya konstan setiap siklus arus dan juga memungkinkan untuk menghasilkan medan magnet berputar dalam motor listrik .

Three-phase systems may have a neutral wire.Tiga-fasa sistem mungkin memiliki netral kawat. A neutral wire allows the three-phase system to use a higher voltage while still supporting lower-voltage single-phase appliances. Sebuah kawat netral memungkinkan sistem tiga fase menggunakan tegangan yang lebih tinggi sementara masih mendukung lebih rendah-tegangan fase-tunggal peralatan. In high-voltage distribution situations, it is common not to have a neutral wire as the loads can simply be connected between phases (phase-phase connection). Dalam situasi distribusi tegangan tinggi, biasanya tidak memiliki kawat netral sebagai beban yang hanya dapat dihubungkan antara fase (fase-fase koneksi).

Three-phase has properties that make it very desirable in electric power systems: Tiga tahap memiliki sifat yang membuatnya sangat diinginkan dalam sistem tenaga listrik:

The phase currents tend to cancel out one another, summing to zero in the case of a linear balanced load.Arus fasa cenderung membatalkan satu sama lain, penjumlahan ke nol dalam hal beban seimbang linier. This makes it possible to eliminate or reduce the size of the neutral conductor; all the phase conductors carry the same current and so can be the same size, for a balanced load. Hal ini memungkinkan untuk menghilangkan atau mengurangi ukuran konduktor netral; semua konduktor fasa membawa yang sama saat ini dan sehingga dapat menjadi ukuran yang sama, untuk beban seimbang.

Power transfer into a linear balanced load is constant, which helps to reduce generator and motor vibrations.mentransfer Power menjadi beban seimbang linier adalah konstan, yang membantu untuk mengurangi getaran generator dan motor.

Three-phase systems can produce a magnetic field that rotates in a specified direction, which simplifies the design of electric motors.Tiga fase sistem dapat menghasilkan medan magnet yang berputar ke arah tertentu, yang menyederhanakan rancangan motor listrik.

B. Rangkaian 1 fase

Dalam teknik elektro, fasa-tunggal tenaga listrik mengacu pada distribusi arus bolak tenaga listrik menggunakan sistem di mana semua tegangan pasokan bervariasi serempak. Single-phase distribution is used when loads are mostly lighting and heating, with few large electric motors. Single-fase distribusi digunakan ketika beban sebagian besar pencahayaan dan pemanasan, dengan beberapa motor listrik besar. A single-phase supply connected to an alternating current electric motor does not produce a revolving magnetic field; single-phase motors need additional circuits for starting, and such motors are uncommon above 10 or 20 kW in rating. A-fase pasokan tunggal yang dihubungkan ke arus bolak motor listrik tidak menghasilkan medan magnet bergulir;-motor fase tunggal membutuhkan sirkuit tambahan untuk memulai, dan motor tersebut jarang di atas 10 atau 20 kW pada rating.

In contrast, in a three-phase system, the currents in each conductor reach their peak instantaneous values sequentially, not simultaneously; in each cycle of the power frequency, first one, then the second, then the third current reaches its maximum value. Sebaliknya, dalam tiga-fasa sistem, arus di masing-masing konduktor seketika mencapai puncak nilai-nilai mereka secara berurutan, tidak secara bersamaan, dalam setiap siklus frekuensi daya, pertama satu, maka, maka ketiga saat ini mencapai nilai maksimum kedua. The waveforms of the three supply conductors are offset from one another in time (delayed in phase ) by one-third of their period. Bentuk gelombang dari tiga konduktor pasokan dikurangkan dari satu sama lain dalam waktu (tertunda dalam fase ) oleh sepertiga masa mereka.

Standard frequencies of single-phase power systems are either 50 or 60 Hz . Standar frekuensi daya sistem fase-tunggal baik 50 atau 60 Hz . Special single-phase traction power networks may operate at 16.67 Hz or other frequencies to power electric railways. Khusus fasa-tunggal daya jaringan traksi dapat beroperasi pada 16,67 Hz atau frekuensi lain untuk listrik kereta api listrik.

Single-fase distribusi daya banyak digunakan terutama di daerah pedesaan, di mana biaya jaringan distribusi tiga fasa yang tinggi dan beban motor kecil dan jarang.

Gambar 2.3 Aplikasi sistem 1 fase

C. Rangkaian 2 Fase

Merupakan dua sirkuit yang digunakan, dengan tegangan fase berbeda dengan 90 derajat . Usually circuits used four wires, two for each phase. Biasanya sirkuit menggunakan empat kabel, dua untuk setiap tahap. Less frequently, three wires were used, with a common wire with a larger-diameter conductor. Kurang sering, tiga kabel digunakan, dengan kabel biasa dengan konduktor yang lebih besar-diameter. Some early two-phase generators had two complete rotor and field assemblies, with windings physically offset by 90 electrical degrees to provide two-phase power. Beberapa generator dua-tahap awal memiliki dua majelis rotor dan lapangan lengkap, dengan gulungan fisik diimbangi dengan 90 derajat listrik untuk memberikan tenaga dua-fasa. The generators at Niagara Falls installed in 1895 were the largest generators in the world at the time and were two-phase machines. The generator di Niagara Falls dipasang pada tahun 1895 adalah generator terbesar di dunia pada saat itu dan dua-fase mesin.

Gambar 2.4 Rangkaian 2 fase

Keuntungan dari dua-fasa listrik adalah bahwa hal itu memungkinkan untuk sederhana, motor listrik sendiri dimulai. In the early days of electrical engineering , it was easier to analyze and design two-phase systems where the phases were completely separated. [ 1 ] It was not until the invention of the method of symmetrical components in 1918 that polyphase power systems had a convenient mathematical tool for describing unbalanced load cases. Pada hari-hari awal teknik listrik , lebih mudah untuk menganalisa dan desain sistem dua fase dimana fase-benar terpisah.Untuk dapat menggunakan dan memanfaatkan beberapa penjelasan tersebut, maka dibuatlah komponen-komponen elektronika, diantaranya yang akan di jelaskan berikut ini.2.1 DIODA

Dioda adalah komponen semikonduktor yang paling sederhana dalam komponen dasar elektronika, piranti ini memiliki 2 terminal dan terbuat dari dua jenis sambungan semikonduktor tipe P dan tipe N. Bahan tipe P menjadi sisi anoda, sedangkan bahan tipe N menjadi sisi katoda.

Banyak sekali penggunaan diode dan secara umum diode dapat digunakan antara lain ntuk pengaman, penyearah, Voltage Regulator, Modulator, Pengendali Frekuensi, Indikator, Switch.

Gambar 2.5 simbol Dioda

Cara untuk menentukan nama kaki- kaki suatu diode

1. Titik

Kaki yang dekat dengan tanda titik merupakan sisi katoda, sedangkan yang lainnya adalah anoda

Gambar2.6 Dioda dengan titik

2. Cincin/ Gelang

Cincin/ gelang terletak pada ujung bodi diode. Kaki yang dekat dengan cincin merupakan katoda, dan yang lainnya adalah anoda.

Gambar2.7 Dioda dengan cincin

3. Pita- Pita Berwarna

Pita- pita yang terpasang pada diode mempunyai lebar yang berbeda antara sisi satu dengan yang lainnya. Untuk menentukan kai- kakinya cukup melihat pita yang paling lebar, yang paling dekat dengan pita tersebut adalah katoda dan yang lainnya adalah anoda.

Gambar 2.8 diode dengan pita berwarna

Cara mencatukan diode ke sumber tegangan

1. Bias Maju (Forward Bias)

Dioda bias maju jika potensial positif sumber dihubungkan dengan positif diode (anoda), sedangkan potensial negative sumber dihubungkan dengan diode negative (katoda). Pada Forward Bias, perbedaan voltage antara katoda dan anoda disebut threshold voltage atau knee voltage. Pada saat knee voltage arusnya mulai bertambah cepat.

Gambar 2.9 proses Forward Bias

2. Bias Mundur (Reverse Bias)

Dioda bias mundur jika potensial positif sumber dihubungkan dengen negative diode (katoda), sedangkan negative sumber dihubungkan dengan positif diode (anoda). Bila diode diberi reverse bias (beda voltage-nya tergantung dari tegangan catu) tegangan tersebut disebut tegangan terbalik. Tegangan ini tidak boleh melampaui harga tertentu, harga yang telah ditentukan ini disebut (breakdown voltage)

Gambar2.10 proses reverse bias

Dioda hanya bias dialiri arus DC searah saja, pada arah sebaliknya arus DC tidak akan mengalir. Apabila diode silicon dialiri arus AC (arus listrik dari PLN), maka yang mengalir hanya satu arah saja sehingga arus output diode berupa arus DC.

Dioda dinyatakan dalam ukuran menurut kemampuan kuat arus yang mampu dilewatkan. Ukuran arus tersebyt merupakan nilai maksimal yang tidak boleh dilampaui, jika dilampaui maka diode akan rusak. Khusus bagi diode dengan kemampuan arus besar harus dilengkapi dengan plat pendingin,disamping harus diperhatikan pula batas tegangan kerja dan frekuensinya.

Macam- macam Dioda

1. Dioda Zener

Dioda Zener adalah suatu diode yang mempunyai sifat bahwa tegangan terbaliknya sangat stabil, tegangan ini dinamakan teganganZener. DiodaZener dibuat agar arus dapat mengalir kea rah yang berlawanan jika tegangan yang diberikan melampaui tegangan Brakdown.

Di atas tegangan zener, diode ini akan menghantarkan arus listrik ke dua arah. Dioda ini biasanya digunakan sebagai Voltage Stabilizer.

Ciri- ciri Dioda Zener:

Terbuat dari silicon

Kemampuan daya berkisar antara 400 mWatt 50 Watt

Merupakan diode yang didoping khusus

Gambar 2.11 diode zener

Gambar 2.12 Symbol untuk diode zener

2. LED (Light Emiting Dioda)

LED adalah komponen yang dapat mengeluarkan emisi cahaya. LED dapat mengeluarkan cahaya bila diberikan Forward Bias. Dioda jenis ini banyak digunakan sebagai indicator dan display.

Bahan dasar yang digunakan untuk pembuatan LED adalah Galium Arsenida (GaAs), yang dapat memancarkan cahaya dengan warna yang bermacam- macam.

Standar arus maju LED adalah 20 mA, oleh karena itu dalam penggunaan LED biasanya dihubungkan secara seri dengan hambatan (Resistor).

Ciri- cirri LED:

Terbuat dari bahan semikonduktor campuran : Galium, Phospor, Indium

Dapat meancarkan cahaya jika dikenai tegangan listrik

Tegangan kerja berkisar antara 1,4 V 3 V

Memerlukan arus antara 30 mA 100 mA

Intensitas cahaya berbanding langsung dengan arus maju yang mengalir

Gambar 2.13 LED

Gambar 2.14 symbol untuk LED

3. Dioda Penyearah (Rectifier)

Ciri- cirri Dioda Penyearah:

Mengubah arus bolak- balik (AC) menjadi arus searah (DC)

Terbuat dari Silicon

Digunakan pada Power Supply / adaptor

Tegangan kerjanya antara 25V 50V dengan kemampuan arus antara 0,25A 1A

Gambar 2.15 Dioda Penyearah

4. Dioda Detektor

Ciri- Ciri Dioda Detektor diantaranya adalah:

Terbuat dari Germanium

Mendeteksi sinyal- sinyal kecil pada pesawat penerima radio

Terdapat dalam berbagai tipe

Gambar 2.16 symbol untuk diode detektor

5. Dioda Foto

Dioda Foto adalah komponen elektronik yang hubungan P-N diodanya dibuat sensitive terhadap cahaya. Dioda ini mempunyai sifat yang berkebalikan dengan LED, yang akan menghasilkan arus listrik bila terkena cahaya. Besarnya arus listrik yang dihasilkan pun tergantung dari besarnya cahaya yang masuk

Gambar2.17 Dioda Foto

Gambar2.18 symbol untuk Dioda Foto

6. Dioda Bridge

Dioda Bridge merupakan diode yang digunakan untuk membuat penyearah pada Power Supply. Dioda ini termasuk yang banyak dijual di pasaran.

Dioda Bridge Tersusun atas diode silicon yang dirangkai menjadi suatu bridge dengan berbagai macam kapasitas. Ukuran diode bridge yang utama adalah Voltage dan Ampere maximumnya.

Gambar2.19 Dioda Bridge

Gambar2.20 symbol untuk Dioda Bridge

Macam- macam pengkodean diode

Ada tiga system pengkodean untuk diode, yaitu:

1. Sistem Amerika

Sistem pengkodean diode pada system inji yaitu dimana diode- diode ditandai dngan angka dan huruf 1N dan diikuti dengan nomer tipenya. Contoh 1N4001, dsb.

2. Sistem Jepang

Sistem ini hamper sama seperti system Amerika, tetapi disini ditandai dengan huruf 1S, dan diikuti dengan angka dan huruf lainnya.

3. Sistem Eropa

Sistem Eropa ini berbeda dengan dua system yang sebelumnya, disini terdiri dari dua atau tiga huruf dan diikuti dengan nomer seri, dimana huruf pertama menunjukkan bahan dasar dari diode tersebut. Contoh: A= Germanium, B= Silikon

Sedangkan huruf kedua menyatakan fungsinya,Contoh: A= Dioda Umum, Z= Dioda Zener, P= Dioda Cahaya, dsb.

2.2 Kapasitor

Kapasitor adalah suatu alat yang dapat menyimpan energi di dalam medan listrik, dengan cara mengumpulkan ketidakseimbangan internal dari muatan listrik. Kapasitor memiliki satuan yang disebut Farad dari nama Michael Faraday. Karena kapasitor juga tidak dapat menguatkan, menyearahkan dan mengubah suatu energi ke bentuk lainnya sama seperti resistor, maka kapasitor juga termasuk komponen pasif elektronika. Kapasitor juga sering disebut kondensator atau kapasitansi.

Lambang kondensator (mempunyai kutub) pada skema elektronika.

Lambang kapasitor (tidak mempunyai kutub) pada skema elektronika.Kapasitansi dari kapasitor dapat ditentukan dengan rumus:

C: Kapasitansi 0: permitivitas hampa

r: permitivitas relatif A: luas pelat

d:jarak antar pelat/tebal dielektrikPada kapasitor keramik dan beberapa jenis yang lain nilainya dikodekan. Biasanya terdiri dari 4 digit, dimana 3 digit merupakan angka dan digit terakhir berupa huruf yang menyatakan toleransinya. 3 digit pertama angka yang terakhir berfungsi untuk menentukan 10n, nilai n dapat dilihat pada tabel.

3rd DigitMultiplierLetterTolerance

01D0.5 pF

110F1 %

2100G2%

31000H3%

410000J5%

5100000K10%

6-7Not UsedM20%

8.01P+100-0%

9.1Z+80-20%

Tabel 2.1 Kode Kapasitor Keramik

Macam- macam dan penggunaan kapasitor :1. Electrolytic Capacitor

Gambar 2.21 Electrolytic Kapasitor

Kapasitor electrolytic adalah jenis yang paling populer untuk nilai lebih besar dari sekitar 1 microfarad. Kapasitor electrolytic dibangun menggunakan lapisan tipis oksida pada aluminium foil. Elektrolit digunakan untuk membuat kontak dengan lempeng lainnya. Kapasitor jenis ini memiliki perbedaan pada kedua sisinya, maka dalam pemasangan kita harus hati-hati jangan sampai terbalik karena akan mengakibatkan kerusakan bahkan meledak.

2. Tantalum Capacitor

Gambar 2.22 Tantalum Kapasitor

Tantalum kapasitor ini mirip dengan kapasitor elektrolitikyang elektrodanya terbuat dari material tantalum. Karakteristik temperatur dan frekuensi lebih bagus dari pada kapasitor elektrolitik dari bahan almunium dan kapasitor ini banyak digunakan untuk sistem dengan sinyal analog.

3. Ceramic Capacitor

Gambar 2.23 Keramik Kapasitor

Kapasitor keramik biasanya digunakan untuk frekuensi radio dan beberapa aplikasi audio. Kapasitor keramik rentang nilai dari angka-angka serendah beberapa picofarads menjadi sekitar 0,1 microfarads. Biasanya kapasitor ini digunakan untuk rangkaian dengan frekuensi tinggi. Kapasitor ini tidak baik digunakan untuk rangkaian analog karena dapat mengubah bentuk sinyal. 4. Multilayer Ceramic Capacitor

Gambar 2.24 Multilayer Keramik Kapasitor

Kapasitor ini hampir sama dengan kapasitor keramik yang membedakan adalah jumlah lapisan yang menyusun dielektriknya. Pada jenis ini dielektriknya tersusun dari banyak lapisan dengan ketebalan 10 sampai 20 m dan pelat elektrodanya terbuat dari logam murniserta memiliki karakteristik suhu yang lebih bagus daripada kapasitor keramik.

5. Polyester Film Capacitor

Gambar 2.25 Polyester Film Kapasitor

Dielektriknya terbuat dari polyester film. Berkarakteristik suhu dan frekuensi yang lebih bagus dari semua kapasitor diatas. Biasa dipakai rangkaian berfrekuensi tinggidan analog, sering disebut mylar dan bertoleransi 5 % sampai 10 %.

6. Polypropylene Capacitor

Gambar 2.26 Polypropylene Kapasitor

Kapasitor ini bertoleransi lebih tinggi dari polyester film capacitor. Nilai kapasitansi dari komponen ini tidak akan berubah bila dirancang dengan sistem frekuensi yang melaluinya lebih kecil atau sama dengan KHz.

7. Kapasitor Mika

Gambar 2.27 Kapasitor Mika

Bahan dielektrik kapasitor ini menggunakan mika. Kapasitor ini memiliki kestabilan yang bagus karena temperatur koefisiennya rendah, dan memiliki frekuensi karakteristik ynga sangat bagus. Biasa digunakan dalam rangkaian resonansi, filter untuk frekuensi tinggidan rangkaian yang bertegangan tinggi.

8. Polystyrene Film Capacitor

Gambar 2.28 Polyestyrene Film Kapasitor

Dielektrik dari kapasitor ini adalah polystyrene film. Sering digunakan dalam aplikasi berfrekuensi tinggi. Karena konstruksinya sama dengan koil maka kapasitor ini baik untuk aplikasi pewaktu dan filter yang berfrekuensi beberapa ratus KHz. Kapasitor ini memiliki dua warna elektroda yaitu merah (dari bahan tembaga) dan abu-abu (kertas aluminium).

9. Electric Double Capacitor (Super Capacitor)

Gambar 2.29 Electric Double Kapasitor

Kapasitor ini bahan dielektriknya sama dengan kapasitor elektrolitik tetapi memiliki ukuran yang lebih besar. Biasanya mempunyai satuan Farad (F). Kapasitor ini biasa digunakan untuk rangkaian power supply. 10. Trimmer Capacitor

Gambar 2.30 Trimmer Kapasitor

Dielektrik kapasitor ini menggunakan bahan keramik atau plastik. Nilai kapasitansinya dapat diubah dengan cara memutar skrup yang ada di bagian atas. Dalam pemutaran harus menggunakan obeng khusus agar tidak timbul efek kapasitansi pada obeng dengan tangan. 11. Tuning Capacitor

Gambar 2.31 Turning Kapasitor

Kapasitor yang biasa disebut Varicons ini sering digunakan sebagai pemilih gelombang pada radio. Jenis dielektriknya menggunakan udara, mengubah nilai kapasitansinya dengan memutar gagang yang ada pada badan kapasitor kekiri atau kekanan.

2.3 RESISTOR

Resistor sering juga disebut dengan tahanan, hambatan atau resistansi. Dimana resistor mempunyai fungsi sebagai penghambat arus, pembagi arus, dan pembagi tegangan.

2.3.1Macam-macam resistor dan penggunaanya

Resistor merupakan komponen pasif elektronika ang berfungsi untuk membatasi arus listrik yang mengalir. Berdasarkan kelasnya resistor dibagi menjadi dua yaitu: fixed resistor dan variable resistor. Dan umumnya terbuat dari carbon film atau metal film, tetapi tidak menutup kemungkinan untuk dibuat dari material lain.

a) Fixed resistor

Merupakan resistor yang mempunyai nilai tetap. Ciri fisik dari resistor ini adalah bahan pembuat resistor terdapat ditengah-tengah dan pada pinggirnya terdapat 2 conducting metal, biasanya kemasan seperti ini disebut dengan axial. Ukuran fisik fixed resistor bermacam-macam, tergantung pada daya resistor yang dimilikinya. Misalnya fixed resistor dengan daya 5 Watt pasti mempunyai bentuk fisik yang jauh lebih besar dibandingkan dengan fixed resistor yang mempunyai daya Watt.

Contoh gambar resistor :

Gambar 2.32 Fixed Resistor

Selain kemasan axial terdapat pula kemasan lain yang disebut SIP ( single in line ) biasa disebut juga dengan R-Pack. Didalam kemasan ini terdapat lebih dari 1 resistor yang biasanya disusun parallel dan mempunyai pusat yang dinamakan common. Untuk contoh dapat dilihat pada gambar berikut :

Berikut ini akan dijelaskan sedikit tentang penggunaan resistor berdasarkan tipe atau jenisnya :

Precision Wirewound Resistor

Merupakan tipe resistor yang mempunyai tingkat keakuratan sangat tinggi sampai 0.005% dan TCR (Temperature Coefisient of Resistance) sangat rendah. Sehingga sangat cocok digunakan untuk aplikasi DC yang membutuhkan keakuratan yang sangat tinggi. Tetapi jangan menggunakan jenis ini untuk aplikasi rf (radio frequency) sebab mempunyai Q resonant frequency yang rendah.

Gambar 2.33 Precision Wirewound Resistor

Contoh aplikasi penggunaan resistor ini adalah DC measuring equipment dan reference resistor untuk voltage regulator dan decoding network.

NIST Standart Resistor

NIST (National Institut of Standart and Technology) Standart resistor merupakan tipe resistor dengan tingkat keakuratan paling tinggi yaitu 0.001%, TCR yang rendah dan sangat stabil dibandingkan dengan precision wirewound resistor. Komponen ini biasanya digunakan sebagai standart di dalam verifikasi keakuratan dari suatu alat ukur resistive.

Power Wirewound Resistor

Biasanya resistor ini digunakan untuk aplikasi yang membutuhkan daya yang sangat besar. Komponen ini dapat membatasi daya yang besar dibandingkan dengan resistor yang lain. Karena panas yang ditimbulkan cukup besar biasanya resistor ini dilapisi oleh bahan seperti ceramic tube, ceramic rods, anodized aluminium, fiberglass mandels, dll.

Contoh dari power Wirewond resistor :

Gambar 2.34 Power Wirewound Resistor

Fuse Resistor

Komponen ini selain berfungsi sebagai resistor, juga berfungsi sebagai sekering. Resistor ini didsesain sedemikian rupa sehingga bila ada arus yang sangat besar melaluinya maka hambatannya menjadi tidak terhingga. Pada kondisi normal suhu dari resistor ini akan panas ketika ada arus yang melaluinya.

Contoh dari fuse resistor :

Gambar 2.35 Fuse Resistor

Carbon Composition

Resistor ini memiliki koefisien temperature dengan batas 1000 ppm/C terhadap nilai hambatannya, dimana nilai hambatannya akan turun ketika suhunya naik.

Selain itu resistor juga memiliki koefisien tegangan, dimana nilai hambatannya akan berubah ketika diberi tegangan. Semakin besar tegangan maka semakin besar perubahannya. Voltage rating dari resistor carbon composition ditentukan berdasarkan ukuran fisik, nilai, dan dayanya.

Gambar 2.36 Carbon Composition

Carbon Film Resistor

Resistor jenis carbon film mempunyai karakteristik yang sama dengan resistor carbon composition tetapi temperature coefisient nilainya lebih rendah. Frekuensi respon dari resistor ini jauh lebih bagus dibandingkan dengan wirewound dan lebih bagus lagi dibandingkan dengan carbon composition. Dimana wirewound akan menjadi suatu induktansi ketika frekuensinya rendah dan akan menjadi kapasitansi apabila frekuensinya tinggi. Dan untuk carbon composition hanya menjadi kapasitansi apabila dilalui frekuensi tinggi dan frekuensi rendah.

Gambar carbon film resistor :

Gambar 2.37 Carbon Film Resistor

Metal Film Resistor

Metal Film Resistor merupakan pilihan terbaik dan jenis resistor carbon composition dan carbon film. Karena resistor ini lebih akurat, tidak mempunyai voltae coefisient, noise dan temperature coefisient yang lebih rendah. Tetapi resistor ini tidak sebagus jenis resistor precision wirewound. Bahan dasar pembuatan dari resistor ini adalah metal dan keramik, bahan ini mirip seperti yang digunakan untuk membentuk carbon film resistor.

Gambar 2.38 Metal Film Resistor

Foil Resistor

Resistor ini mempunyai karakteristik yang sama dengan jenis metal film. Kelebihan utama dibandingkan dengan metal film adalah tingkat kestabilannya yang lebih tinggi, TCR paling kecil, dan frekuensi respon tinggi. Selain kelebihan terdapat pula kelemahan yaitu nilai maksimum dari resistor ini lebih kecil dari nilai resistor metal film. Resistor ini biasanya dipakai didalam stain gauge, nilai strain dapat diukur berdasarkan perubahan nilai resistansinya. Ketika digunakan sebagai strain gauge, foil-nya dipasang disuatu substrate fleksibel sehingga dapat dipasang didaerah tempat pengukuran strain dilakukan.

Power Film Resistor

Material yang digunakan untuk membuat resistor ini sama dengan jenis metal film. Tetapi karakteristik dayanya lebih tinggi. Power film resistor mempuyai nilai yang lebih tinggi dan respon frekuensinya yang lebih baik dibandingkan power wirewould resistor. Resistor ini banyak digunakan untuk aplikasi power karena membutuhkan frekuensi respon yang baik, daya yang tinggi dan nilai yang lebih besar daripada power wirewould resistor. Biasanya komponen ini memiliki toleransi yang cukup besar.

b) Variable resistor

Untuk kelas resistor yang keduaini terdapat 2 tipe. Untuk tipe pertama dinamakan variable resistor dan nilainya dapat diubah sesuai keinginan dengan mudah dan sering digunakan untuk pengaturan volume, bass, balance, dll. Sedangkan yang kedua adalah semi-fixed resistor. Nilai dari resistor ini biasanya hanya diubah pada kondisi tertentu saja. Contoh penggunaan dari semi-fixed resistor adlah tegangan referensi yang digunakan untuk ADC, fine tune circuit, dll.

Gambar 2.39 Variable Resistor

Ada beberapa model pengaturan nilai variable resistor, yang sering digunakan adalah dengan cara memutar. Pengubahan nilai dengan cara memutar biasanya terbatas sampai 300 derajat putaran. Ada beberapa model variable resistor yang harus diputar berkali-kali untuk mendapatkan semua nilai resistor. Model ini dinamakan Potentiometers atau Trimmer Potentiometers.

c) CDS ( Cadmium Sulfide Photocell )

Jenis resistor ini perubahan nilainya tergantung pada banyaknya cahaya yang mengenai dirinya. Biasanya resistor ini juga disebut LDR (Light Depend Resistor). Banyak sekali tipe dari komponen ini tergantung pada sensitivitas cahaya, ukuran, nilai hambatan, dll.

Gambar 2.40 Cadmium Sulfide Photocell

Pada gambar diatas, terdapat contoh salah satu bentuk CDS Photocell. CDS ini mempunyai diameter 8 mm, tinggi 4 mm, dengan bentuk silinder. Pada kondisi ruangan yang terang nilai hambatannya adalah 200 , sedangkan saat kondisi ruangan gelap maka nilai hambatannya 2 M.

d) Termistor ( Thermally Sensitive Resistor )

Resistor ini nilai hambatannya berubah berdasarkan temperature dan biasanya digunakan untuk sensor suhu. Ada tiga tipe termistor antara lain :

NTC (Negative Temperature Coefisient Thermistor)

Pada saat suhu disekitarnya naiknilai hambatannya menurun.

PTC (Positive Temperature Coefisient Thermistor)

Pada saat suhu disekitarnya naik nilai hambatannya naik.

CTR (Critical Temperature resistor)

Nilai hambatannya akan menurun dengan cepat ketika suhu disekitarnya naik diatas suhu yang spesific point.

Gambar 2.41 Termistor

2.3.2Mengidentifikasi Nilai Resistor

Untuk mengetahui nilai resistansi dari suatu resistor caranya dengan membaca warna dari resistor atau membaca suatu nilai yang tertera pada badan resistor. Untuk resistor dengan 4 warna gelang, 2 pertama adalah nilainya yang ketiga adalah factor 10ndan yang keempat adalah toleransinya. Misalnya gelang pertama adalah merah berarti nilainya = 2, gelang kedua ungu sehingga nilainya = 7, gelang ketiga oranye maka factor 10n = 103 = 1000 dan gelang keempat adalah emas berarti toleransinya = 5%, maka nilai resistansinya adalah 27000 = 27K. Untuk perhitungan nilai resistor dengan jumlah gelang 5 dan 6 hampir sama dengan perhitungan nilai resistor pada 4 gelang. Bedanya hanya pada factor 10n, dimana untuk jumlah gelang 5 dan 6 terletak pada gelang nomor 4 dan 5. Untuk gelang ke 6 merupakan nilai koefisien suhu dari resistor. Suhu tersebut diukur dalam ppm/ C ( Part Per Milion degree Centrigade ).

2.3.3 Nilai Standart Resistor

Electronics Industries Assciation ( EIA), dan beberapa sumber yang lain telah menetapkan suatu nilai standart dari resistor yang biasanya diberi kode E. ada 2 kode yang nilai resistansinya banyak dijumpai dipasaran yaitu : E12 dan E24.

Batas daerah nilai untuk kode E12 ada 12 yaitu : 1.0, 1.2, 1.5, 1.8, 2.2, 2.7, 3.3, 3.9, 4.7, 5.6, 6.8, dan 8.2. kode ini biasanya digunakan pada resistor dengan menggunakan material carbon film standart. Nilai maksimum yang ada hanya sampai 10 M.2.4 TRANSISTOR

Transistor merupakan komponen aktif yang terbuat dari bahan semikonduktor yang merupakan jenis bahan yang tidak sepenuhnya konduktor atau isolator, namun memiliki sifat keduanya, dan memegang peranan penting dalam suatu rangkaian elektronika. Pada umumnya transistor digunakan sebagai penguat (amplifier) dan transistor juga dapat berfungsi sebagai sakelar. Komponen ini boleh dikata termasuk komponen yang susunannya sederhana bila dibandingkan dengan Integrated Circuit. Transistor berasal dari kata transfer resistor. Penamaan ini berdasarkan pada prinsip kerjanya yakni mentransfer atau memindahkan arus.

Gambar 2.42 Transistor

2.4.1 Prinsip Kerja Transistor

Menurut dari prinsip kerjanya transistor dibagi menjadi dua jenis yaitu; Transistor Bipolar (dwi kutub) dan Transistor Efek Medan (FET Field Effect Transistor).1. BJT

NPN

PNPGambar 2.43 Lambang rangkaian PNP dan NPN

BJT (Bipolar Junction Transistor) adalah salah satu dari dua jenis transistor. Cara kerja BJT dapat dibayangkan sebagai dua dioda yang terminal positif atau negatifnya berdempet, sehingga ada tiga terminal. Perubahan arus listrik dalam jumlah kecil pada terminal basis dapat menghasilkan perubahan arus listrik dalam jumlah besar pada terminal kolektor. Prinsip inilah yang mendasari penggunaan transistor sebagai penguat elektronik. Rasio antara arus pada koletor dengan arus pada basis biasanya dilambangkan dengan atau hFE. biasanya berkisar sekitar 100 untuk transistor-transisor BJT.

2. FET

P-Channel N-ChannelGambar 2.44 Lambang Channel FET, Kiri: P-Channel, Kanan: N-Channel

FET dibagi menjadi dua keluarga: Junction FET (JFET) dan Insulated Gate FET (IGFET) atau juga dikenal sebagai Metal Oxide Silicon (atau Semiconductor) FET (MOSFET). Berbeda dengan IGFET, terminal gate dalam JFET membentuk sebuah dioda dengan kanal (materi semikonduktor antara Source dan Drain). Secara fungsinya, ini membuat N-channel JFET menjadi sebuah versi solid-state dari tabung vakum, yang juga membentuk sebuah dioda antara grid dan katode. Dan juga, keduanya (JFET dan tabung vakum) bekerja di "depletion mode", keduanya memiliki impedansi input tinggi, dan keduanya menghantarkan arus listrik dibawah kontrol tegangan input.

FET lebih jauh lagi dibagi menjadi tipe enhancement mode dan depletion mode. Mode menandakan polaritas dari tegangan gate dibandingkan dengan source saat FET menghantarkan listrik. Jika kita ambil N-channel FET sebagai contoh: dalam depletion mode, gate adalah negatif dibandingkan dengan source, sedangkan dalam enhancement mode, gate adalah positif. Untuk kedua mode, jika tegangan gate dibuat lebih positif, aliran arus di antara source dan drain akan meningkat. Untuk P-channel FET, polaritas-polaritas semua dibalik. Sebagian besar IGFET adalah tipe enhancement mode, dan hampir semua JFET adalah tipe depletion mode.

Gambar 2.45 Transistor yang dipandang sebagai gabungan dua dioda

Pada prinsipnya, suatu transistor terdiri dari atas dua buah dioda yang disatukan. Transistor merupakan komponen elektronika dengan 3 elektrode / kaki, yakni: Basis (B), collector (C), dan Emitor(E). Tiga material yang umum digunakan sebagai bahan baku pembuat transistor adalah: Germanium (sudah jarangf digunakan), Silikon (banyak digunakan), dan Gallium. Agar transistor dapat bekerja, kepada kaki-kakinya harus diberikan tegangan, tegangan ini dinamakan bias voltage. Basis emitor diberikan forward voltage, sedangkan basis kolektor diberikan reverse voltage. Sifat transisitoradalah bahwa antara kolektor dan emitor akan ada arus (transistor akan menghantar) bila ada arus basis. Makin besar arus basis makin besar penghatarannya. Suatu arus listrik yang kecil pada basis akan menimbulkan arus yang jauh yang lebih besar diantara kolektor dan emitornya, maka dari itu transistor digunakan untuk memperkuat arus.

Gambar 2.46 rangkaian Transistor

Terdapat dua jenis transistor ialah jenis NPN dan PNP. Pada transistor jenis NPN tegangan basis dan kolektornya positif terhadap emitor, sedangkan pada transistor PNP tegangan basis dankolektornya negatif terhadap tegangan emitor.Transistor dapat dipergunakan antara lain untuk:

1. Sebagai penguat arus, tegangan dan daya (AC dan DC)

2. Sebagai penyearah

3. Sebagai mixer

4. Sebagai osilator

5. Sebagai switch

Kerusakan-kerusakan yang sering terjadi pada transistor:

1. Adanya pemutusan hubungan dari rangkaian elektronik.

2. Terjadi konseleting / hubung singkat antar elektroda transistor.

3. Terjadi kebocoran diantara elektrode-elektrode transistor.

Penyebab terjadinya kerusakan pada sebuah transistor:

1. Penanganan yang tidak tepat saat pemasangan pada rangkaian.

2. Transistor terlalu panas karena suhunya melebihi batas maksimal kemempuannya. Bagi transistor dari bahan Gremanium, suhu maksimal 75 C sedang transistor silikon suhu maksimal mencapai 150 C.

3. Kesalahan pengukuran.

4. Pemasangan yang salah pada rangkaian.

2.5 Induktor

Induktor termasuk komponen pasif karena tidak dapat menguatkan sinyal maupun mengubah suatu energy kebentuk lainnya. Seringkali Induktor disebut sebagai induktansi, lilitan, kumparan atau belitan. Pada inductor mempunyai sifat yaitu dapat menyimpan energy dalam bentuk medan magnet. Satuan dari inductor sendiri adalah Henry (H).

Gambar 2 47 Induktor

Gambar 2.48 Lambang Induktor

Arus yang mengalir pada inductor akan menghasilkan fliks magnetic () yang membentuk loop yang melingkupi kumparan. Jika ada N Lilitan, maka total fluks adalah :

= LI

v = = L Dari karakteristik v-I, dapat diturunkan sifat penyimpan energy pada inductor

Misal: pada saat t = 0 maka I = 0

Pada saat t = t maka I = I

Merupakan energy yang disimpan pada inductor L dalam bentuk medan magnet.

Jika inductor dipasang arus konstan / DC, maka tegangan sama dengan nol. Sehingga inductor bertindak sebagai rangkaian hubungan singkat (short circuit). Tetapi bagi arus AC inductor bersifat menghambat.

2.6 Integrated Circuit

Sirkuit terpadu(bahasa Inggris:integrated circuitatauIC) adalah komponen dasar yang terdiri dariresistor,transistordan lain-lain. IC adalah komponen yang dipakai sebagai otak peralatanelektronika.

Padakomputer, IC yang dipakai adalahmikroprosesor. Dalam sebuah mikroprosesorIntel Pentium 4dengan ferkuensi 1,8 trilyun getaran per detik terdapat 16 juta transistor, belum termasuk komponen lain. Fabrikasi yang dipakai oleh mikroprosesor adalah 60nm.2.6.1Pengertian dasar

Kita dapat mendifinisikan rangkaian terintegrasi (integrated circuit - IC) sebagai komponen atau elemen mandiri di atas permukaan yang kontinu membentuk rangkaian yang terpadu. Komponen atau elemen tersebut dapat berupa diode, transistor, resistor, kapasitor dan lain-lainya terdifinisi di atas wafer silikon atau bahan semikonduktor yang lain. Setelah melalui proses pabrikasi yang kompleks akhirnya IC digunakan dalam rangkaian dalam bentuk yang terbungkus rapi dan mudah untuk digunakan.

Gambar 2.49 Integrated Circuit

2.6.2 IC Monolitik dan IC Hybrid Rangkaian terintegrasi termasuk kelompok monolitik jika semua komponen atau elemen (diode, transistor, resistor, kapasitor dan seterusnya) terbuat dan terdifinisi dalam satu permukaan keping semikonduktor yang disebut sebagai chip. Pada IC monolitik semua komponen tersebut dibuat dalam waktu yang bersamaan termasuk interkoneksi antar komponen.

Gambar 2.50 Skema Rangkaian IC Kiri: Monolitik, Kanan: Hybrid

Bentuk lain adalah IC hybrid dimana komponen-komponen dibuat di atas substrat keramik, dihubungkan satu-dengan lainnya dengan kawat halus membentuk rangkaian.2.6.3 Komponen pada Rangkaian Terintegrasi Piranti elektronika merupakan rangkaian elemen aktif seperti transistor dikombinasikan dengan komponen lain seperti resistor, kapasitor dan induktor. Secara praktis masing-masing komponen dapat diproduksi secara terpisah (diskrit) kemudian dirangkaikan dengan menghubungkannya dengan kawat logam. Konsep dasar ini tetap digunakan dalam sistem elektronika-mikro seperti telah direalisasi dalam bentuk IC. Perbedaannya adalah bahwa semua komponen dan interkoneksi antar komponen dibuat dalan satu permukaan substrat.Termasuk elemen pasif dalam elektronika adalah resistor, kapasitor dan induktor. Masing-masing komponen memiliki kemampuan sesuai dengan fungsinya yang masing-masing diukur sebagai resintansi, kapasitansi dan induktansi.Resistansi : menunjukkan besarnya energi yang terdesipasi oleh elektron saat mereka bergerak melalui struktur atom konduktor. Dalam bentuk diskrit resistor terbuat dari karbon atau bahan lain yang bukan penghantar yang baik. Dalam elektronik-mikro resistor merupakan lapisan tipis suatu tipe semikonduktor dikelilingi oleh semikonduktor tipe lain.Kapasitansi: merupakan ukuran energi yang tersimpan dalam medan listrik yang mengelilingi muatan konduktor. Kapasitor diskrit terbuat dari dua keping konduktor yang dipisahkan oleh bahan isolator. Pada elektronika-mikro kapasitor dibuat pada permukaan kristal semikonduktor dilapisi isolator tipis kemudian di atasnya dibuat lapisan logam.

Induktansi: merupakan ukuran energi yang disimpan dalam medan magnet yang dikontrol oleh arus listrik. Induktor diskrit dibuat dari kumparan kawat dan di dalamnya kadang-kadang diisi dengan bahan feromagnetik. Belum ada induktor yang baik pada elektronika-mikro.

Skema komponen pasif diskrit dan pada elektronika-mikro disertai dengan simbul dan isyarat arus sebagai respon dari tegangan yang diberikan.

2.6Transformator

Transformator atau transformer atau trafo adalah komponen elektromagnet yang dapat mengubah taraf suatu tegangan AC ke taraf yang lain.

Gambar 2.51 Transformator step-down

Gambar 2.52 Adaptor AC-DC merupakan piranti yang menggunakan transformator step-down

2.6.1Prinsip kerjaTransformator bekerja berdasarkan prinsip induksi elektromagnetik. Tegangan masukan bolak-balik yang membentangi primer menimbulkan fluks magnet yang idealnya semua bersambung dengan lilitan sekunder. Fluks bolak-balik ini menginduksikan GGL dalam lilitan sekunder. Jika efisiensi sempurna, semua daya pada lilitan primer akan dilimpahkan ke lilitan sekunder.

2.6.2Hubungan Primer-Sekunder

Gambar 2.53 Rangkaian Transformator

Rumus untuk fluks magnet yang ditimbulkan lilitan primer :

Rumus untuk GGL induksi yang terjadi di lilitan sekunder :

.

Karena kedua kumparan dihubungkan dengan fluks yang sama, maka dimana dengan menyusun ulang persamaan akan didapat sedemikian hingga . Dengan kata lain, hubungan antara tegangan primer dengan tegangan sekunder ditentukan oleh perbandingan jumlah lilitan primer dengan lilitan sekunder.

Gambara 2.54 Fluks pada transformator2.6.3Kerugian dalam transformatorPerhitungan diatas hanya berlaku apabila kopling primer-sekunder sempurna dan tidak ada kerugian, tetapi dalam praktek terjadi beberapa kerugian yaitu:

1. kerugian tembaga. Kerugian dalam lilitan tembaga yang disebabkan oleh resistansi tembaga dan arus listrik yang mengalirinya.

2. Kerugian kopling. Kerugian yang terjadi karena kopling primer-sekunder tidak sempurna, sehingga tidak semua fluks magnet yang diinduksikan primer memotong lilitan sekunder. Kerugian ini dapat dikurangi dengan menggulung lilitan secara berlapis-lapis antara primer dan sekunder.

3. Kerugian kapasitas liar. Kerugian yang disebabkan oleh kapasitas liar yang terdapat pada lilitan-lilitan transformator. Kerugian ini sangat memengaruhi efisiensi transformator untuk frekuensi tinggi. Kerugian ini dapat dikurangi dengan menggulung lilitan primer dan sekunder secara semi-acak (bank winding)

4. Kerugian histeresis. Kerugian yang terjadi ketika arus primer AC berbalik arah. Disebabkan karena inti transformator tidak dapat mengubah arah fluks magnetnya dengan seketika. Kerugian ini dapat dikurangi dengan menggunakan material inti reluktansi rendah.

5. Kerugian efek kulit. Sebagaimana konduktor lain yang dialiri arus bolak-balik, arus cenderung untuk mengalir pada permukaan konduktor. Hal ini memperbesar kerugian kapasitas dan juga menambah resistansi relatif lilitan. Kerugian ini dapat dikurang dengan menggunakan kawat Litz, yaitu kawat yang terdiri dari beberapa kawat kecil yang saling terisolasi. Untuk frekuensi radio digunakan kawat geronggong atau lembaran tipis tembaga sebagai ganti kawat biasa.

6. Kerugian arus eddy (arus olak). Kerugian yang disebabkan oleh GGL masukan yang menimbulkan arus dalam inti magnet yang melawan perubahan fluks magnet yang membangkitkan GGL. Karena adanya fluks magnet yang berubah-ubah, terjadi olakan fluks magnet pada material inti. Kerugian ini berkurang kalau digunakan inti berlapis-lapisan.2.6.4EfisiensiEfisiensi transformator dapat diketahui dengan rumus

Karena adanya kerugian pada transformato, maka efisiensi transformator tidak dapat mencapai 100%. Untuk transformator daya frekuensi rendah, efisiensi bisa mencapai 98%.

2.6.5Jenis-jenis transformator2.6.5.1Step-UpTransformator step-up adalah transformator yang memiliki lilitan sekunder lebih banyak daripada lilitan primer, sehingga berfungsi sebagai penaik tegangan. Transformator ini biasa ditemui pada pembangkit tenaga listrik sebagai penaik tegangan yang dihasilkan generator menjadi tegangan tinggi yang digunakan dalam transmisi jarak jauh.

Gambar 2.55 Rangkaian Transformator Step-Up

2.6.5.2Step-DownTransformator step-down memiliki lilitan sekunder lebih sedikit daripada lilitan primer, sehingga berfungsi sebagai penurun tegangan. Transformator jenis ini sangat mudah ditemui, terutama dalam adaptor AC-DC.

Gambar 2.56 Rangkaian Transformator Step-Down

2.6.5.3AutotransformatorTransformator jenis ini hanya terdiri dari satu lilitan yang berlanjut secara listrik, dengan sadapan tengah. Dalam transformator ini, sebagian lilitan primer juga merupakan lilitan sekunder. Fasa arus dalam lilitan sekunder selalu berlawanan dengan arus primer, sehingga untuk tarif daya yang sama lilitan sekunder bisa dibuat dengan kawat yang lebih tipis dibandingkan transformator biasa. Keuntungan dari autotransformator adalah ukuran fisiknya yang kecil dan kerugian yang lebih rendah daripada jenis dua lilitan. Tetapi transformator jenis ini tidak dapat memberikan isolasi secara listrik antara lilitan primer dengan lilitan sekunder.

Selain itu, autotransformator tidak dapat digunakan sebagai penaik tegangan lebih dari beberapa kali lipat (biasanya tidak lebih dari 1,5 kali).

Gambar 2.57 Rangkaian Autotransformator

2.6.5.4Autotransformator variabelAutotransformator variabel sebenarnya adalah autotransformator biasa yang sadapan tengahnya bisa diubah-ubah, memberikan perbandingan lilitan primer-sekunder yang berubah-ubah.

Gambar 2.58 Autotransformator variabel2.6.5.5Transformator isolasiTransformator isolasi memiliki lilitan sekunder yang berjumlah sama dengan lilitan primer, sehingga tegangan sekunder sama dengan tegangan primer. Tetapi pada beberapa desain, gulungan sekunder dibuat sedikit lebih banyak untuk mengkompensasi kerugian. Transformator seperti ini berfungsi sebagai isolasi antara dua kalang. Untuk penerapan audio, transformator jenis ini telah banyak digantikan oleh kopling kapasitor.

2.6.5.6Transformator pulsaTransformator pulsa adalah transformator yang didesain khusus untuk memberikan keluaran gelombang pulsa. Transformator jenis ini menggunakan material inti yang cepat jenuh sehingga setelah arus primer mencapai titik tertentu, fluks magnet berhenti berubah. Karena GGL induksi pada lilitan sekunder hanya terbentuk jika terjadi perubahan fluks magnet, transformator hanya memberikan keluaran saat inti tidak jenuh, yaitu saat arus pada lilitan primer berbalik arah.

2.6.5.7Transformator tiga fasaTransformator tiga fasa sebenarnya adalah tiga transformator yang dihubungkan secara khusus satu sama lain. Lilitan primer biasanya dihubungkan secara bintang (Y) dan lilitan sekunder dihubungkan secara delta ().

BAB 3

PEMROSESAN SINYAL

3.1 Pemrosesan Sinyal

Dalam dunia elektronika, dikenal dua macam sinyal yaitu sinyal analog dan sinyal digital. Secara umum, sinyal didefinisikan sebagai suatu besaran fisis yang merupakan fungsi waktu, ruangan atau beberapa variabel.

Sinyal adalah awalnya dalam bentuk analog tegangan atau arus listrik, misalnya yang dihasilkan oleh mikrofon atau beberapa jenis transduser. Dalam beberapa situasi, seperti output dari sistem pembacaan CD (compact disc) player, data yang sudah dalam bentuk digital. Sinyal analog harus dikonversi ke dalam bentuk digital sebelum teknik DSP (Digital Signal Processing) dapat diterapkan.Tegangan listrik analog sinyal, misalnya, dapat didigitalkan menggunakan sirkuit elektronik yang disebut analog-ke-digital converter atau ADC (Analog Digital Converter). Ini menghasilkan keluaran digital sebagai aliran bilangan biner nilai-nilai yang mewakili tegangan listrik ke perangkat input pada setiap sampling instan.

Sinyal umumnya harus diproses dalam berbagai cara. Sebagai contoh, sinyal output dari sebuah transduser mungkin terkontaminasi dengan listrik yang tidak diinginkan noise. Elektroda menempel pada dada pasien ketika EKG diambil mengukur perubahan tegangan listrik kecil karena aktivitas jantung dan otot-otot lain. Sinyal sering sangat dipengaruhi oleh induk pickup karena gangguan listrik dari suplai utama. Pengolahan sinyal menggunakan rangkaian penyaring dapat menghapus atau setidaknya mengurangi bagian yang tidak diinginkan dari sinyal. Semakin dewasa ini, yang menyaring sinyal untuk meningkatkan kualitas sinyal atau untuk mengekstrak informasi penting yang dilakukan oleh DSP teknik bukan oleh analog elektronik.

Sinyal diproses sehingga mengandung informasi yang mereka dapat ditampilkan, dianalisis, atau dikonversikan ke sinyal jenis lain yang mungkin digunakan. Dalam dunia nyata, produk mendeteksi sinyal analog seperti suara, cahaya, suhu atau tekanan dan memanipulasi mereka. Seperti konverter analog-ke-digital converter kemudian mengambil dunia nyata sinyal dan mengubahnya menjadi format digital 1s and 0s. Dari sini, para DSP mengambil alih oleh menangkap informasi digital dan memprosesnya. Kemudian memberi makan informasi digital kembali untuk digunakan di dunia nyata. Hal ini dalam salah satu dari dua cara, baik digital atau dalam format analog dengan pergi melalui Digital-to-Analog converter. Semua ini terjadi pada kecepatan yang sangat tinggi.

1. Sinyal waktu kontinyu (continous-time signal) 2. Sinyal waktu diskrit (discrete-time signal) Pada sinyal kontinyu, variable independent (yang berdiri sendiri) terjadi terus-menerus dan kemudian sinyal dinyatakan sebagai sebuah kesatuan nilai dari variable independent. Sebaliknya, sinyal diskrit hanya menyatakan waktu diskrit dan mengakibatkan variabel independent hanya merupakan himpunan nilai diskrit.

Fungsi sinyal dinyatakan sebagai x dengan untuk menyertakan variable dalam tanda (.). Untuk membedakan antara sinyal waktu kontinyu dengan sinyak waktu diskrit kita menggunakan symbol t untuk menyatakan variable kontinyu dan symbol n untuk menyatakan variable diskrit. Sebagai contoh sinyal waktu kontinyu dinyatakan dengan fungsi x(t) dan sinyal waktu diskrit dinyatakan dengan fungsi x(n). Sinyal waktu diskrit hanya menyatakan nilai integral dari variable independent. 3.2 Sinyal digital

Proses pengolahan sinyal digital, diawali dengan proses pencuplikan sinyal masukan yang berupa sinyal kontinyu. Proses ini mengubah representasi sinyal yang tadinya berupa sinyal kontinyu menjadi sinyal diskrete. Proses ini dilakukan oleh suatu unit ADC (Analog to Digital Converter). Unit ADC ini terdiri dari sebuah bagian Sample/Hold dan sebuah bagian quantiser. Unit sample/hold merupakan bagian yang melakukan pencuplikan orde ke-0, yang berarti nilai masukan selama kurun waktu T dianggap memiliki nilai yang sama. Pencuplikan dilakukan setiap satu satuan waktu yang lazim disebut sebagai waktu cuplik (sampling time). Bagian quantiser akan merubah menjadi beberapa level nilai, pembagian level nilai ini bisa secara uniform ataupun secara non-uniform misal pada Gaussian quantiser.

Unjuk kerja dari suatu ADC bergantung pada beberapa parameter, parameter utama yang menjadi pertimbangan adalah sebagai berikut :

Kecepatan maksimum dari waktu cuplik.

Kecepatan ADC melakukan konversi.

Resolusi dari quantiser, misal 8 bit akan mengubah menjadi 256 tingkatan nilai.

Metoda kuantisasi akan mempengaruhi terhadap kekebalan noise.

Gambar 3.2.1 Proses sampling

Sinyal input asli yang tadinya berupa sinyal kontinyu, x(T) akan dicuplik dan diquantise sehingga berubah menjadi sinyal diskrete x(kT). Dalam representasi yang baru inilah sinyal diolah. Keuntungan dari metoda ini adalah pengolahan menjadi mudah dan dapat memanfaatkan program sebagai pengolahnya. Dalam proses sampling ini diasumsikan kita menggunakan waktu cuplik yang sama dan konstan, yaitu Ts. Parameter cuplik ini menentukan dari frekuensi harmonis tertinggi dari sinyal yang masih dapat ditangkap oleh proses cuplik ini. Frekuensi sampling minimal adalah 2 kali dari frekuensi harmonis dari sinyal.

Untuk mengurangi kesalahan cuplik maka lazimnya digunakan filter anti-aliasing sebelum dilakukan proses pencuplikan. Filter ini digunakan untuk meyakinkan bahwa komponen sinyal yang dicuplik adalah benar-benar yang kurang dari batas tersebut. Sebagai ilustrasi, proses pencuplikan suatu sinyal digambarkan pada gambar berikut ini.

Gambar 3.2.2 Pengubahan dari sinyal kontinyu ke sinyal diskret

Setelah sinyal diubah representasinya menjadi deretan data diskrete, selanjutnya data ini dapat diolah oleh prosesor menggunakan suatu algoritma pemrosesan yang diimplementasikan dalam program. Hasil dari pemrosesan akan dilewatkan ke suatu DAC (Digital to Analog Converter) dan LPF (Low Pass Filter) untuk dapat diubah menjadi sinyal kontinyu kembali. Secara garis besar, blok diagram dari suatu pengolahan sinyal digital adalah sebagai berikut :

Gambar 3.2.3 Blok Diagram Sistem Pengolahan Sinyal Digital

Proses pengolahan sinyal digital dapat dilakukan oleh prosesor general seperti halnya yang lazim digunakan di personal komputer, misal processor 80386, 68030, ataupun oleh prosesor RISC seperti 80860. Untuk kebutuhan pemrosesan real time, dibutuhkan prosesor yang khusus dirancang untuk tujuan tersebut, misal ADSP2100, DSP56001, TMS320C25, atau untuk kebutuhan proses yang cepat dapat digunakan paralel chip TMS320C40. Chip-chip DSP ini memiliki arsitektur khusus yang lazim dikenal dengan arsitektur Harvard, yang memisahkan antara jalur data dan jalur kode. Arsitektur ini memberikan keuntungan yaitu adanya kemampuan untuk mengolah perhitungan matematis dengan cepat, misal dalam satu siklus dapat melakukan suatu perkalian matrix. Untuk chip-chip DSP, instruksi yang digunakan berbeda pula. Lazimnya mereka memiliki suatu instruksi yang sangat membantu dalam perhitungan matrix, yaitu perkalian dan penjumlahan dilakukan dalam siklus (bandingkan dengan 80386, proses penjumlahan saja dilakukan lebih dari 1 siklus mesin).

Sinyal digital merupakan hasil teknologi yang dapat mengubah signal menjadi kombinasi urutan bilangan 0 dan 1 (juga dengan biner), sehingga tidak mudah terpengaruh oleh derau, proses informasinya pun mudah, cepat dan akurat, tetapi transmisi dengan sinyal digital hanya mencapai jarak jangkau pengiriman data yang relatif dekat. Biasanya sinyal ini juga dikenal dengan sinyal diskret. Sinyal yang mempunyai dua keadaan ini biasa disebut dengan bit. Bit merupakan istilah khas pada sinyal digital. Sebuah bit dapat berupa nol (0) atau satu (1). Kemungkinan nilai untuk sebuah bit adalah 2 buah (2^1). Kemungkinan nilai untuk 2 bit adalah sebanyak 4 (2^2), berupa 00, 01, 10, dan 11. Secara umum, jumlah kemungkinan nilai yang terbentuk oleh kombinasi n bit adalah sebesar 2^n buah.

System digital merupakan bentuk sampling dari sytem analog. digital pada dasarnya di code-kan dalam bentuk biner (atau Hexa). besarnya nilai suatu system digital dibatasi oleh lebarnya / jumlah bit (bandwidth). jumlah bit juga sangat mempengaruhi nilai akurasi system digital.

Signal digital ini memiliki berbagai keistimewaan yang unik yang tidak dapat ditemukan pada teknologi analog yaitu:

Mampu mengirimkan informasi dengan kecepatan cahaya yang dapat membuat informasi dapat dikirim dengan kecepatan tinggi.

Penggunaan yang berulang ulang terhadap informasi tidak mempengaruhi kualitas dan kuantitas informsi itu sendiri.

Informasi dapat dengan mudah diproses dan dimodifikasi ke dalam berbagai bentuk.

Dapat memproses informasi dalam jumlah yang sangat besar dan mengirimnya secara interaktif.

Gambar 3.2.4 Proses Konversi Sinyal Analog Menjadi Sinyal Digital

3.2.1 Prinsip kerja ADC :

1. Sinyal Analog yang telah difilter (membuang frekuensi tinggi dari source signal dengan menggunakan Band Limiting Filter).

2. Mengambil sample pada interval waktu tertentu (sampling) sehingga dihasilkan sinyal waktu diskrit.

3. Menyimpang amplitudo sample dan mengubahnya kedalam bentuk diskrit (kuantisasi)

4. Merubah bentuk menjadi nilai biner (sinyal digital).

Gambar 3.2.5 Bentuk sinyal pada proses konversi sinyal Analog ke Digital

Pengolahan sinyal digital memerlukan komponen-komponen digital, register, counter, decoder, mikroprosessor, mikrokontroler dan sebagainya.

Saat ini pengolahan sinyal banyak dilakukan secara digital, karena kelebihannya antara lain :

1. Kualitas suara lebih jernih, selain lebih jelas signal digital memiliki sedikit kesalahan

2. Kecepatan lebih tinggi

3. Lebih sedikit kesalahan

4. untuk menyimpan hasil pengolahan, sinyal digital lebih mudah dibandingkan sinyal analog. Untuk menyimpan sinyal digital dapat menggunakan media digital seperti CD, DVD, Flash Disk, Hardisk. Sedangkan media penyimpanan sinyal analog adalah pita tape magnetik.

5. lebih kebal terhadap noise karena bekerja pada level 0 dan 1.

6. lebih kebal terhadap perubahan temperatur.

7. lebih mudah pemrosesannya.

Sinyal digital inilah yang bisa dibaca oleh perangkat digital kita (mikrokontroler,komputer). Agar sinyal analog dapat diolah oleh komputer, maka harus dirubah dulu menjadi sinyal digital.

3.2.2 Pemrosesan sinyal digital

Pemrosesan sinyal digital (DSP) berkaitan dengan representasi sinyal dengan urutan angka atau simbol dan pengolahan sinyal ini. . Pemrosesan sinyal digital dan sinyal analog pengolahan adalah sub bidang dari pemrosesan sinyal. DSP meliputi subbidang seperti: audio dan pengolahan ujaran, sonar dan radar pengolahan sinyal, pengolahan array sensor, estimasi spektral, statistik pemrosesan sinyal, pengolahan gambar digital, pemrosesan sinyal untuk komunikasi, biomedis pemrosesan sinyal, pengolahan data seismik, dll

Karena tujuan DSP biasanya untuk mengukur atau menyaring dunia real yang kontinu, sinyal analog, langkah pertama biasanya untuk mengubah sinyal dari analog ke bentuk digital, dengan menggunakan analog-ke-digital converter (ADC). Sering kali, sinyal keluaran yang diperlukan adalah sinyal keluaran analog lain, yang memerlukan digital-to-analog converter (DAC). Bahkan jika proses ini lebih kompleks daripada analog pengolahan dan memiliki rentang nilai diskrit, stabilitas pemrosesan sinyal digital berkat deteksi dan koreksi kesalahan dan menjadi lebih rentan terhadap kebisingan menjadikannya menguntungkan atas pemrosesan sinyal analog bagi banyak orang, walaupun tidak semua, aplikasi.

DSP algoritma telah lama dijalankan pada komputer standar, pada prosesor khusus yang disebut prosesor sinyal digital, atau tujuan-dibangun pada perangkat keras seperti aplikasi-spesifik sirkuit terpadu (Asics). ini ada tambahan teknologi yang digunakan untuk pemrosesan sinyal digital termasuk lebih kuat tujuan umum mikroprosesor, lapangan gerbang programmable array (FPGAs), sinyal digital controller (sebagian besar untuk aplikasi industri, seperti kontrol motor), dan stream prosesor.

3.2.3 KELEBIHAN PEMROSESAN SINYAL DIGITAL

Ada beberapa alasan mengapa digunakan pemrosesan sinyal digital pada suatu sinyal analog. Pertama, suatu sistem digital terprogram memiliki fleksibilitas dalam merancang-ulang operasi-operasi pemrosesan sinyal digital hanya dengan melakukan perubahan pada program yang bersangkutan, sedangkan proses merancang-ulang pada sistem analog biasanya melibatkan rancang-ulang 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 lebih baik. Faktor toleransi yang terdapat pada komponen-komponen 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 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.3.3 Sinyal Analog

Sinyal analog adalah sinyal data dalam bentuk gelombang yang yang kontinyu, yang membawa informasi dengan mengubah karakteristik gelombang. Sinyal analog bekerja dengan mentransmisikan suara dan gambar dalam bentuk gelombang kontinu (continous varying). Dua parameter/karakteristik terpenting yang dimiliki oleh isyarat analog adalah amplitude dan frekuensi. Isyarat analog biasanya dinyatakan dengan gelombang sinus, mengingat gelombang sinus merupakan dasar untuk semua bentuk isyarat analog. Hal ini didasarkan kenyataan bahwa berdasarkan analisis fourier, suatu sinyal analog dapat diperoleh dari perpaduan sejumlah gelombang sinus. Dengan menggunakan sinyal analog, maka jangkauan transmisi data dapat mencapai jarak yang jauh, tetapi sinyal ini mudah terpengaruh oleh noise. Gelombang pada sinyal analog yang umumnya berbentuk gelombang sinus memiliki tiga variable dasar, yaitu:

Amplitudo merupakan ukuran tinggi rendahnya tegangan dari sinyal analog.

Frekuensi adalah jumlah gelombang sinyal analog dalam satuan detik.

Phase adalah besar sudut dari sinyal analog pada saat tertentu.

Salah satu contoh sinyal analog yang paling mudah adalah suara. Contoh Sinyal Analog yang lainnyklll seperti : 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:

Gambar 3.3.1 Proses Sinyal Suara yang diubah Menjadi Sinyal Digital

Penjelasan:

1. Suara manusia berupa sinyal analog dengan amplitudo yang berubah secara kontinyu terhadap waktu ( sinyal akustik ) yang ditangkap oleh mikrofon (Mic) diubah kedalam bentuk sinyal listrik, karena fungsi dari mikrofon sendiri merupakan transduser dari sinyal akustik menjadi sinyal listrik.

2. Suara yang telah dirubah menjadi sinyal listrik dari mikrofon selanjutnya diproses dengan mengubah ampilitudo gelombang suara/bunyi kedalam waktu interval tertentu (sampling) sehingga menghasilkan representasi digital dari suara, yang dikenal dengan proses Analog To Digital Conversion (ADC).

Pengolahan sinyal analog memanfaatkan komponen-komponen analog seperti dioda, transistor, Op-Amp, dan lainnya.

3.3.1. Kerugian pada sinyal sistem analog

Pengiriman signal analog dapat dianalogikan mengirim air lewat pipa. Aliran pipa kehilangan tenaganya saat disalurkan melalui sebuah pipa. Semakin jauh pipa semakin banyak tenaga yang berkurang dan aliran semakin menjadi lemah. Demikian pula signal analog akan menjadi lemah setelah melewati jarak yang jauh. elain bertambah jauh signal analog juga memungut interferensi elektrik atau noise dari dalam alur. Kabel listrik, petir dan mesin-mesin listrik semua menginjeksikan noise dalam bentuk elektrik pada signal analog. Untuk mengatasi kelemahan tersebut maka diperlukan alat penguat signal yang disebut amplifier.3.4 MatlabPID Controller

PID Controller merupakan salah satu jenis pengatur yang banyak digunakan. Selain itu sistem ini mudah digabungkan dengan metoda pengaturan yang lain seperti Fuzzy dan Robust. Sehingga akan menjadi suatu sistem pengatur yang semakin baik Tulisan ini dibatasi pada sistem dengan Unity Feedback System, yang gambarnya sebagai berikut

Gambar 3.4.1 Blok diagram untuk Unity Feedback SystemPID Controller memiliki transfer function sebagai sebagai berikut :

(1)

PID Controller sebenarnya terdiri dari 3 jenis cara pengaturan yang saling dikombinasikan, yaitu P (Proportional) Controller, D (Derivative) Controller, dan I (Integral) Controller. Masing-masing memiliki parameter tertentu yang harus diset untuk dapat beroperasi dengan baik, yang disebut sebagai konstanta. Setiap jenis, memiliki kelebihan dan kekurangan masing-masing, hal ini dapat dilihat pada tabel di bawah ini :

Tabel 3.4.2 Respon PID Controller Terhadap Perubahan Konstanta[1]Closed-Loop ResponseRise TimeOvershootSettling TimeSS Error

KpDecreaseIncreaseSmall changeDecrease

KiDecreaseIncreaseIncreaseEliminate

KdSmall changeDecreaseDecreaseSmall change

Parameter-parameter tersebut, tidak bersifat independen, sehingga pada saat salah satu nilai konstantanya diubah, maka mungkin sistem tidak akan bereaksi seperti yang diinginkan. Tabel di atas hanya dipergunakan sebagai pedoman jika akan melakukan perubahan konstanta. Untuk merancang suatu PID Controller, biasanya dipergunakan metoda trial & error. Sehingga perancang harus mencoba kombinasi pengatur beserta konstantanya untuk mendapatkan hasil terbaik yang paling sederhana.

Metode Konvensional

Desain sebuah sistem kontrol, dimulai dengan membuat blok diagram sistem. Blok diagram (yang berisi transfer function) tersebut selanjutnya akan dianalisa dengan menggunakan aksi pengontrolan yang berbeda. Dengan perubahan sinyal input sehingga perancang dapat melihat respon sistem jika mendapat input sinyal tertentu. Kombinasi antara sinyal input dan jenis aksi pengontrolan ini akan menghasilkan respon yang berbeda-beda.

Dahulu untuk melihat respon suatu sistem dengan berbagai macam kombinasi sinyal input dan aksi pengontrolan merupakan hal yang sulit dan membosankan. Adapun prosedur yang harus dilalui adalah sebagai berikut [2]:

1. Mendapatkan transfer function sistem (dalam s-domain) dengan Laplace Transform.

2. Menentukan jenis aksi pengontrolan beserta dengan konstantanya.

3. Menggabungkan transfer function yang sudah didapatkan dengan jenis aksi pengontrolan.

4. Menentukan sinyal input yang akan dimasukkan (biasanya fungsi step, fungsi ramp dan pulse) dan menggabungannya ke dalam transfer function yang baru.

5. Melakukan perhitungan invers Laplace Transform untuk mendapatkan fungsi dalam t-domain.

6. Menggambar respon berdasarkan fungsi dalam t-domain.

Untuk melakukan langkah-langkah di atas diperlukan ketelitian yang tinggi dan hasil penggambarannya sering kali kurang (tidak) akurat. Selain itu, jika perancang ingin mengamati respon sistem terhadap sinyal input yang lain, maka proses-proses tersebut sebagian besar akan diulang kembali. Hal ini bertambah kompleks jika perubahan yang dilakukan tidak terbatas pada sinyal input, tetapi juga pada jenis aksi pengontrolannya.

Sehingga untuk mendapatkan respon dari berbagai macam kombinasi, membutuhkan waktu yang relatif lama. Selain itu, perancang juga melakukan proses perhitungan yang rumit dan membosankan.

Metode Simulasi Menggunakan Komputer

Perkembangan teori kontrol juga diikuti oleh software pendukungnya. Mulai dari software untuk pemrograman sistem, sampai dengan software untuk proses simulasinya. Salah satu software yang dapat dipergunakan untuk simulasi tersebut adalah MatLab dari Mathworks, Inc.

Software ini dilengkapi dengan berbagai toolbox yang memudahkan pemakai untuk melakukan perhitungan-perhitungan tertentu. Bahkan saat ini sudah dikembangkan toolbox khusus untuk simulasi yang diberi nama Simulink. [3]

Aplikasi MatLab dalam bidang pengaturan dilengkapi Control Toolbox. Toolbox ini sudah dilengkapi dengan berbagai macam fungsi pendukung yang dipergunakan dalam analisa sistem kontrol. Beberapa fungsi pendukung yang sering dipergunakan untuk menganalisa suatu sistem adalah : feedback, step, rlocus, series, dll. Untuk menganalisa suatu sistem, software hanya memerlukan masukan berupa transfer function yang ditulis dalam Laplace Transform (dalam s-domain) atau matriks. Untuk selanjutnya, pemakai tinggal memilih analisa yang akan dipergunakan. Tulisan ini akan membahas penggunaannya secara khusus untuk merancang PID Controller pada suatu sistem.

Sebagai contoh, suatu sistem kontrol memiliki transfer function sebagai berikut :

(2)

Dengan kriteria perancangan sebagai berikut :

1. memi