dasar mekatronika

• Pengantar Mekatronika_Diktat Kuliah, Teknik Mesin Univ.Widyagama Malang
• Bahan ajar elektronika dasar,2007, ahmad fali oklilas, universitas Sriwijaya
• Mechatronic systems_devices,design,control,operta.maint.,2008, Clarence de silva,CRC Press,USA
• Otomasi system produksi, 2005, Laboratorium Sistem produksi ITB, Bandung
• Mechatronics handbook,2002, Robert H.Bishop, CRC Press, Washington DC
• Electromechanical_device & component,2007, Brian S elliot, Mcgraw hill, USA
• Role of Control in mechatronics,____, job van amerogen, Twente University press, Netherlands
• Rangkaian digital, Ahmad Yanuar Syauki, PPBA-UMB
• Teknologi Kontrol moder,___,Agus arif<__
• Mechatronics_principles and applications, ___,Godfrey Onwubolu, Elsevier
•
• Elektronik_ teori dasar dan penerapannya_jilid 1, 1986, ITB, Bandung
Abstraksi

2.3.2.Komponen sistem pneumatik 12
BAB.III DASAR ELEKTRONIKA
3.4.5.9.Serba kecil 56
3.4.6.Kapasitor 59
4.1.3.Jenis sensor & tranduser 78
4.2.4.Termokopel 94
4.2.6.Infrared pyrometer 98
4.3.Sensor Mekanik 99
4.3.1.Sensor Posisi 99

4.3.1.4.Tranduser kapasitip 104
4.3.1.6.Tranduser piezoelectric 107
4.3.2.Sensor Kecepatan 113
4.3.2.1.Tacho generator 113
4.3.3.Sensor tekanan 117
4.3.3.3.Load cell 121
-Orifice plate 125
-Pipa Venturi 126
-Flow Nozzle 127
-Pipa pitot 128
4.4.10.isolasi optis & Tx-Rx serat optik 151
4.4.11.Display digital dgn LED 152
4.4.12.Liquid crystal display 155
5.4.Pengelompokan sistem kontrol 172
5.4.5.Kontrol Numerik 177
5.5.1.2.Sinyal periodik 182
5.5.2.Sinyal diskrit 183
5.5.2.1.Sekuen impuls 184
5.5.2.2.Sekuen step 184
5.5.2.3.Sinus diskrit 185
6.2.1.Masukan analog 187
6.2.2.Keluaran analog 190

7.1.Sistem Logika 203
7.1.1.Gerbang AND 203
7.1.3.Gerbang OR 204
7.1.4.Gerbang NOR 204
7.1.5.Gerbang XOR 205
7.1.6.Gerbang NOT 205
7.2.1.Sejarah PLC 205
7.2.3.2.AND dan NOT AND 208
7.2.3.3.OR dan NOT OR 208
7.2.3.4.OUT dan OUT NOT 209
7.2.3.5.AND LOAD 209
7.2.3.7.OR LOAD(ORLD) 210
7.2.13.Processor 215
7.2.14.2.Memori PLC 217
7.2.16.Cara pengoperasian SYSWIN 220
7.2.16.1.Pembuatan diagram ladder 220

Definisi mekatronika telah ditingkatkan sejak definisi asli yang diperkenalkan oleh Yasakawa Electric Company pada tahun 1969, Yasakawa mendefinisikan mekatronika dalam 2 definisi, sebagaimana yang tercantum dalam dokumentasi trademark-nya yang menyebutkan bahwa kata "Mechatronic adalah kombinasi dari kata "mecha" dari Mechanism dan kata "tronic" dari electronics, dengan kata lain teknologi dan pengembangan produk akan sinergi dengan penggunaan elektronik dalam mekanikal yang saling terikat dan terstruktur ". Definisi mekatronika selanjutnya ditingkatkan setelah yasakawa menyarankan definisi asli. Orang seringkali mengutip definisi mekatronika seperti yang telah di presentasikan oleh Harashima, Tomizuka dan Fukuda di tahun 1996, dengan kata lain definisi mekatronika adalah: "sinergisitas yang terpadu antar ilmu mekanikal dengan elektronika, teknik pengatur & kontrol dalam design, industri manufaktur serta proses produksi" . Dalam waktu yang bersamaan definisi lainya muncul seperti yang dikenalkan oleh Auslander dan Kemf yang mendefinisikan sbb: " mekatronika adalah aplikasi yang kompleks dalam membuat keputusan dalam operasi system mekanikal" kemudian definisi lain muncul di tahun 1997 oleh shetty dan kolk yang menyebutkan bahwa " m ekatronika adalah suatu metodologi yang digunakan untuk mengoptimalkan design produk elektromekanikal", lebih lanjut kita dapat juga menemukan defini yang diperkenalkan oleh W.Bolton yaitu " system mekatronika tidak saja hanya memadukan electrical dengan system mekanikal dan lebih dari pada system control tetapi mekatronika adalah keterpaduan yang komplet dari semuanya", Buur (1990) juga telah mendefinisikan-nya bahwa " Mekatronika adalah teknologi yang mengkombinasikan mekanika dengan elektronik dan teknologi informasi untuk membentuk interaksi fungsi dan keterpaduan ruang dalam komponen, modul, dan system produksi" .
Di Indonesia telah diadakan musyawarah Nasional Mekatronika pada tanggal 28 juli 2008 di Bandung dan mendefinisikan " mekatronika adalah sinergi IPTEK dari teknik mesin, teknik elektronika, teknik informatika dan teknik pengaturan yang bermanfaat untuk
Dasar Mekatronika dan penerapnya By AMIRIN FTUIA
1
merancang, membuat/memproduksi,mengoperasikan dan memlihara sebuah system agar dicapai tujuan yang diinginkan." Mekatronika telah menghasilkan banyak produk-produk baru dan membuat cara-cara yang lebih jitu dalam memperbaiki effisiensi pada produk, juga mekatronika banyak digunakan pada kehidupan sehari-hari kita. Saat ini tidak ada keraguan tentang pentingnya mekatronika sebagi disiplin ilmu dan sains, walau bagaimanapun mekatronika tidak mudah dipahami seperti kelihatnya.munculnya pemahaman beberapa orang yang berfikir bahwa mekatronika adalah salahsatu aspek sains dan teknologi yang di hadapkan dengan system itu termasuk juga ilmu mekanika, elektronika, computer, sensor dan lain-lain. Kelihatanya orang paling bnyal mendefinisikan mekatronika hanya dengan mempertimbangkan komponen-komponen apa saja yang termasuk didalam system dan atau bagaimana fungsi mekanikal direalisasikandengan software computer, sebagaimana definisi yang dijelaskan memberi kesan bahwa mekatronika hanya sebuah koleksi atau aspek sains dan teknologi yang sudah ada sebelumnya seperti halnya elektronika, mekanika, teknik control, teknik computer, intelejensi buatan, mesin mikro, dsb., yang tidak mempunyai nilai orsinilitas sebagai sebuah teknologi.
Ada beberapa buku-buku mekatronika yang kebanyakan hanyalah menjelaskan subjek-subjek yang diambil dari teknologi yang sudah ada sebelumnya, dan ini juga akan memberikan anggapan bahwa mekatronika tidak mempunyai keunikan tersendiri pada teknologi. Mekatronika menyelesaikan permasalahan teknologi dengan menggunakan penggabungan atau kombinasi pengetahuan yang terdiri dari mekanikal, elektronika, dan teknologi computer dalam menyelesaikan masalah. Insinyur-insinyur terdahulu hanya dapat menyelesaikan permasalahan satu dari beberapa disiplin ilmu tersebut diatas, contohnya engineer mekanikal menggunakan metode-metode mekanika dalam menyelesaikan masalah, kemudian karena adanya kesukaran2 tambahan yang tidak bisa diselesaikan dan dengan mengedepankan pengembangan produk, maka para peneliti dan insinyur dituntut untuk menemukan solusi dalam penelitian dan pengembangan, dan ini memotivasi para insinyur mekanika untuk mempelajari pengetahuan lain dan teknologi pengembangan produk baru contohnya insinyur mekanika mencoba mengenalkan elektonika dalam menyelesaikan masalah-masalah mekanikal. Pengembangan mikroprosessor juga memberikan banyak kontribusi dalam inovasi-inovasi yang berani yang berdampak para insinyur dapat mempertimbangkan penyelesaian masalah dengan pandangan luas dan lebih efisien,hasilnya diperoleh produk baru berdasar integritas disiplin ilmu teknologi.
1.2.Manfaat Penerapan Mekatronika
diperoleh dari penerapan mekatronik adalah meningkatkan fleksibilitas mesin dengan menambahkan fungsi-fungsi baru yang mayoritas merupakan kontribusi mikro-prosesor. Sebagai contoh,
2
lengan robot industri dapat melakukan berbagai jenis pekerjaan dengan merubah program peranti lunak di mikro-prosesornya seperti halnya lengan manusia. Ini yang menjadi faktor utamadimungkinkannya proses produksi produk yang beraneka ragam tipenya dengan jumlah yang sedikit-sedikit.
2. Meningkatkan kehandalan. Pada mesin-mesin konvensional (manual) muncul berbagai masalah yang diakibatkan oleh berbagai jenis gesekan pada mekanisme yang digunakan seperti: keusangan, masalah sentuhan, getaran dan kebisingan. Pada penggunaan mesin-mesin tersebut diperlukan sarana dan operator yang jumlahnya banyak untuk mencegah timbulnya masalah- masalah tersebut. Dengan menerapkan switch semikonduktor misalnya,maka masalah-masalah akibat sentuhan tersebut dapat diminimalkan sehingga meningkatkan kehandalan. Selain itu, dengan menggunakan komponen-komponen elektronika untuk mengendalikan gerakan, maka komponen-komponen mesin pengendali gerak bisa dikurangi sehingga meningkatkan kehandalan.
3. Meningkatkan presisi dan kecepatan. Pada mesin-mesin konvensional (manual) yangsebagian besar menggunakan komponen-komponen mesin sebagai pengendali gerak, tingkat presisi dan kecepatan telah mencapai garis saturasi yang sulit untuk diangkat lagi.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 munculnyagetaran. Hal ini melahirkan tantangan baru yaitu menciptakan sistem mesin yang memiliki rigiditas lebih tinggi. Struktur mekatronik dapat dipilah menjadi 2 buah dunia yaitu dunia mekanika dan duniaelektronika. Di dunia mekanika terdapat mekanisme mesin sebagai objek yang dikendalikan.Di dunia elektronika terdapat beberapa elemen mekatronika yaitu: sensor, kontroler,rangkaian penggerak, aktuator dan sumber energi.
1.3.Komponen utama mekatronika
System mekatronika dapat dibagi dalam beberapa area khusus yaitu:
1. Physical system modeling (Konsep mekanikal) 2. Sensors and Actuators (sensor dan Aktuator) 3. Signal and system (Sistem Kontrol) 4. Computer and Logic system ( computer dan system logic) 5. Software and data acquisition (piranti lunak dan Akuisisi data)
3

Komponen utama dari system mekatronika dapat di jelaskan pada gambar dibawah ini dari berbagai sumber
(sumber:Mechatronics handbook,2002, Robert H.Bishop)
Gbr,Komponen utama Mekatronika
4
Sumber lain juga membuat lingkup mekatronika seperti di bawah ini (sumber: role of control in mechatronic, job van amerongen)
Dan masih banyak lagi sumber-sumber lain yang menjelaskan tentang komponen-komponen utama dari ilmu mekatronika sesuai dengan persepsi dan karakteristik dari masing-masing sumber tersebut, namun dalam penulisan ini kita tidak dapat membahas satu persatu dari sub-sub bagian seperti yang di jelaskan dari gambar-gambar diatas, akan tetapi bab-bab yang akan di jelaskan nanti sudah representative dari komponen- komponen utama dari bidang mekatronik
5
II.KONSEP MEKANIKAL
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.
Lebih lanjut formulasi persamaan gerak dalam sistem gerak dapat ditelaah berdasarkan mekanika Newtonian, Mekanika Lagrangian atau Mekanika Hamiltonian. Dalam hal ini akan membahas transmisi, kinematika dan pneumatik hidrolika.
2.1.Transmisi mekanik Sistem transmisi, dalam otomotif, adalah sistem yang menjadi
penghantar energi dari mesin ke diferensial dan as. Dengan memutar as, roda dapat berputar dan menggerakkan mobil.
Gambar. Transmisi
Transmisi diperlukan karena mesin pembakaran yang umumnya digunakan dalam mobil merupakan mesin pembakaran internal yang menghasilkan putaran (rotasi) antara 600 sampai 6000 rpm. Sedangkan, roda berputar antara 0 sampai 2500 rpm. Sekarang ini, terdapat dua sistem transmisi yang umum, yaitu transmisi manual dan transmisi otomatis. Terdapat juga sistem-sistem transmisi yang merupakan gabungan antara kedua sistem tersebut, namun ini merupakan perkembangan terakhir yang baru dapat ditemukan pada mobil-mobil berteknologi tinggi. Transmisi manual merupakan salah satu jenis transmisi yang banyak dipergunakan dengan alasan perawatan yang lebih
6

mudah. Biasanya pada transimi manual terdiri dari 3 sampai dengan 7 speed.
Transmisi semi otomatis adalah transmisi yang dapat membuat kita dapat merasakan system transmisi manual atau otomatis, bila kita sedang menggunakan sistem transmisi manual kita tidak perlu menginjak pedal kopling karena pada sistem transmisi ini pedal kopling sudah teratur secara otomatis. Transmisi otomatis terdiri dari 3 bagian utama, yaitu : Torque converter, Planetary gear unit, dan Hydraulic control unit. Torque converter berfungsi sebagai kopling otomatis dan dapat memperbesar momen mesin. Sedangkan Torque converter terdiri dari Pump impeller, Turbine runner, dan Stator. Stator terletak diantara impeller dan turbine. Torque converter diisi dengan ATF (Automatic Transmition Fluid). Momen mesin dipindahkan dengan adanyaaliran fluida.
Fungsi Transmisi Manual
• Merubah dan mengatur Moment putar dan putaran pada roda penggerak sesuai dengan kebutuhan (posisi 1, 2, 3 ……… n)
• Memungkinkan kendaraan berhenti meskipun mesin dalam keadaan hidup (Posisi Netral)
• Memungkinkan kendaraan berjalan mundur (posisi R / mundur)
2.1.1.Roda gigi Roda gigi adalah sebuah konstruksi mekanikal yang
menginteraksikan gigi-gigi dalam mentransmisikan gerakan atau merubah tingkat atau arah gerakan. Gigi-gigi dari rodagigi harus maching bentuknya sebelum mereka akan berinteraksi dengan baik. Faktor bentuk yang penting dari sebuah roda gigi adalah Pitch dan sudut tekan. Soal sudut tekan akan di bahas lebih lanjut dalam matakuliah elemen mesin III, tapi untuk pitch adalah sebuah konsep sederhana:
Gear pitch (modulus) = jumlah gigi / diameter pitch (dlm mm)
Dalam SI unit gear biasanyadikenal dengan modulus sebagai nama lain dari Pitch, tetapi konsepnya sama yaitu jumlah gigi dibagi dengan diameter pitch.
-Diameter Pitch Lihatlah bagaimana gigi-gigi berinteraksi, mereka tidak hanya
berinteraksi pada ujung-ujung sentuhan gigi, maka diameter luar tidak begitu menarik, sama dengan root diameter (diameter seberang gigi bawah), apa kegunaanya dimana kontak antara dua gigi-gigi terjadi? Lihat gambar di bawah ini
7
-Direction of rotation (Arah putaran) Xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx lihat pd matakuliah elemen mesin
- Stacked gears (roda gigi bertingkat) Xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx lihat pd matakuliah elemen mesin
- Force (Gaya) Xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx lihat pd matakuliah elemen mesin
-Speed and Torque (Torsi dan kecepatan) Xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx lihat pd matakuliah elemen mesin
-Gear types (tipe-tipe roda gigi) Xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx lihat pd matakuliah elemen mesin
2.2.Kinematika
Kinematika adalah cabang dari mekanika yang membahas gerakan benda tanpa mempersoalkan gaya dinamika, yang mempersoalkan gaya yang mempengaruhi gerakan. penyebab gerakan. Hal terakhir ini berbeda dari dinamika, yang mempersoalkan gaya yang dipengaruhi oleh gerakan. Setiap hari kita selalu melihat sepeda motor, mobil, pesawat atau kendaraan beroda lainnya.
2.2.1 DIAGRAM KINEMATIS Dalam mempelajari gerakan -gerakan dari bagian -bagian mesin,
biasanya kita gambarkan bagian-bagian tersebut dalam bentuk sketsa sehingga hanya bagian-bagian yang akan memberi efek pada gerakan yang diperhatikan.
8

Gambar diatas menyatakan elemen-elemen utama dalam sebuah mesin diesel. Bagian -bagian yang diam, terdidri dari bantalan -bantalan kruk as dan dinding silinder diberi label 1. Engkol dan kruk as adalah batang penghubung 2, batang penghubung 3, dan torak atau peluncur adalah penghubung 4. Batang penghubung (link0 adalah suatu nama yang diberikan pada setiap benda yang mempunyai gerakan relatif terhadap yang lainnya. Posisi, kecepatan dan percepatan sudut dari batang tergantung hanya pada panjang dari engkol dan batang hubung dan tidak dipenguruhi oleh lebar atau ketebalan dari batang. Gambar sksla yang menyatakan suatu mesin sehingga hanya dimensi yang memberi efek pada gerakannya disebut diagram kinematis.
2.2.2 MEKANISME Sebuah rantai kinematis adalah sebuah system dari batang batang
penghubung yang berupa benda benda kaku yang apakah digabungkan bersama atau dalam keadaan saling bersinggungan sehingga memungkinkan mereka untuk bergerak relatif satu terhadap yang lain . Jika salah satu dari batang penghubungnya tetap dan gerakan dari sebarang batang penghubung yang lain ke posisinya yang baru akan menyebabkan setiap batang penghubung yang lain bergerak ke posisi posisi tertentu yang telah diramalkan system tersebut adalah sebuah rantai kinematis yang dibatasi .Jika salah satu dari batang penghubung ditahan tetap gerakan dari batang penghubung yang lain ke posisinya yang baru tidak akan menyebabkan setiap batang batang penghubung yang lain bergerakke posisi tertentu yang telah diramalkan maka system tersebut adalah suatu rantai kinematis tak terbatas.
2.2.3 INVERSI
Dengan membuat suatu batang penghubung yang berbeda dalam rantai kinematis sebagai bagian yang tidak bergerak, kita memperoleh mekanisme yang berbeda. Penting untuk dicatat bahwa inverse dari suatu mekanisme tidak akan mengubah gerakan antara batang-batang penghubungnya. Sebagai contoh, gambar diatas jika batang penghubung
2 berputar ? 0
searah jarum jam relatif terhadap batang penghubung 1, batang penghubung 4 akan bergerak kekanan sepanjang garis lurus pada
9

penghubung1. Hal ini akan selalu demikian tidak peduli batang penghubung mana yang ditahan tetap.
2.2.4 PASANGAN Dua benda yang saling kontak akan membentuk suatu pasangan.
Pasangan lebih rendah (lower pairing) terjadi jika dua permukaan saling kontak. Contohnya dari pasangan lebih rendah adalah sebuah torak dengan dinding silindernya.
Pasangan lebih tinggi (higher pairing) menyatakan suatu kontak yang berupa titik atau garis. Contohnya dari pasangan lebih tinggi adalah torak dengan silindernya tetapi toraknya dibuat seperti bola, maka toraknya akan kontak dengan dinding silinder sepanjang suatu lingkaran.
2.2.5 BIDANG GERAKAN Sebuah benda mempunyai bidang gerakan jika semua titik-titiknya
bergerak dalam bidang-bidang parallel terhadap bidang referensinya. Bidang referensi tersebut dise but bidang gerakan (plane motion). Bidang gerakan dapat merupakan salah satu dari 3 tipe : gerakan menurut garis lurus (translasi0, putaran atau kombinasi dari translasi dan rotasi.
2.2.6 TRANSLASI Sebuah benda mempunyai gerakan berupa translasi, jika ia
bergerak sedemikian hingga semua garis-garis lurus dalam benda tersebut bergerak mengikuti posisi-posisi yang sejajar. Translasi garis lurus (rectilinear translation) adalah suatu gerakan dimana semua titik dari suatu benda bergerak dalam jalur garis lurus. Suatu translasi dimana titik- titik dalam suatu benda bergerak sepanjang jalur yang berupakurva disebut translasi menurut kurva (curvilinear translation).
2.2.7 PUTARAN Dalam putaran (rotasi) semua titik dalam sebuah benda selalu
mempunyai jarak yang tetap dari sebuah garis yang tegak lurus terhadap bidang geraknya. Garis ini adalah sumbu putaran (axis of rotation) dan
10
titik-titik dalam benda tersebut membuat lintasan menurut jalur berupa lingkaran terhadap garis tersebut.
2.2.8 TRANSLASI DAN ROTASI
Kebanyakan bagian -bagian mesin mempunyai gerakan yang merupakan kombinasi dari rotasi dan translasi. Dalam gambar (a) perhatikan gerakan dari batang hubung sewaktu ia bergerak dari posisi BC ke B’C’. Posisi - posisi ini ditunjukkan dalam gambar (b). Disini kita lihat bahwa gerakannya ekivalen terhadap suatu translasi dari BC ke B’’C’’ yang diikuti oleh sutu rotasi dari B’’C’’ ke B’C’. Gerakan ekivalen yang lain diilukiskan dalam ga mbar (c). Disini ditunjukkan suatu putaran dari suatu batang terhadap C dari posisi BC ke B’’C’’, diikuti dengan suatu translasi dari B’’C’’ ke B’C’. Jadi gerakan dari batang hubung dapat dianggap sebagai suatu putaran terhadap beberapa titik ditambah suatu translasi.
2.3.Pneumatik Pneumatik berasal dari bahasa Yunani “pneuma” yang berarti
tiupan atau hembusan. Sistem pneumatik itu sendiri mempunyai beberapa kelebihan dan kekurangan yang dipengaruhi terutama oleh sifat udara terkompresi sebagai penggeraknya. Sifat-sifat udara yang mempengaruhi sifat-sifat pengontrolan sistem pneumatik antara lain :
• Udara tidak mempunyai bentuk khusus. Bentuknya selalu sesuai dengan tempatnya/wadahnya.
• Dapat dimampatkan /kompresible.
11

• Memenuhi semua ruang dengan sama rata - Dapat dikontrol baik laju alirannya maupun tekanan dan gaya yang bekerja.
2.3.1.Keuntungan dan Kerugian Udara Bertekanan
Udara bertekanan memiliki banyak sekali keuntungan, tetapi dengan sendirinya juga terdapat segi-segi yang merugikan atau pembatasan-pembatasan pada penggunaan nya. Hal-hal yang menguntungkan dari pneumatik pada mekanisasi yang sesuai dengan tujuan sudah diakui oleh cabang-cabang industri yang lebih banyak lagi. Pneumatik mulai digunakan untuk pengendalian maupun penggerakan mesin-mesin dan alat-alat.
2.3.2.Komponen system pneumatic 1. Kompresor digunakan untuk menghisap udara di atmosfer dan
menyimpannya kedalam tangki penampung atau receiver. Kondisi udara dalam atmosfer dipengaruhi oleh suhu dan tekanan. Kompressor adalah mesin untuk memampatkan udara atau gas. Secara umum biasanya mengisap udara dari atmosfer, yang secara fisika merupakan campuran beberapa gas dengan susunan 78% Nitrogren, 21% Oksigen dan 1% Campuran Argon, Carbon Dioksida, Uap Air, Minyak, dan lainnya. Namun ada juga kompressor yang mengisap udara/ gas dengan tekanan lebih tinggi dari tekanan atmosfer dan biasa disebut penguat (booster). Sebaliknya ada pula kompressor yang menghisap udara/ gas bertekanan lebih rendah dari tekanan atmosfer dan biasanya disebut pompa vakum. Jika suatu gas/ udara didalam sebuah ruangan tertutup diperkecil volumenya, maka gas/ udara tersebut akan mengalami kompresi. Kompressor yang menggunakan azas ini disebut kompressor jenis displacement dan prinsip kerjanya dapat dilukiskan seperti pada gambar dibawah ini :
Disini digunakan torak yang bergerak bolak balik oleh sebuah penggerak mula (prime mover) didalam sebuah silinder untuk menghisap, menekan dan mengeluarkan udara secara berulang- ulang. Dalam hal ini udara tidak boleh bocor melalui celah antara dinding torak dengan dinding silinder yang saling bergesekan. Untuk itu digunakan cincin torak sebagai perapat.Jika torak ditarik keatas, tekanan dalam silinder dibawah torak akan menjadi negatif (kecil dari tekanan atmosfer) sehingga udara akan masuk melalui celah katup isap. Kemudian bila torak ditekan kebawah, volume udara yang terkurung dibawah torak akan mengecil sehingga tekanan akan naik.Berdasarkan prinsip kerjanya, kompressor terdiri
12
dari 2 (dua) jenis yaitu Displacement (torak) seperti dijelaskan diatas dan Dynamic (rotary) yang mengalirkan udara melalui putaran sudu berkecepatan tinggi.
Kompresi Udara Proses kompresi udara yang terjadi pada kompressor torak dapat dijelaskan dengan menggunakan pendekatan seperti terlihat pada gambar di bawah ini :
Torakmemulai langkah kompresinya pada titik (1) diagram P-V, kemudian bergerak kekiri dan udara dimampatkan hingga tekanan naik ke titik (2). Pada titik ini tekanan dalam silinder mencapai harga tekanan Pd yang lebih tinggi dari pada tekanan dalam pipa keluar (atau tangki tekan) sehingga katup keluar pada kepala silinder akan terbuka. Jika torak terus bergerak ke kiri, udara akan didorong keluar silinder pada tekanan tetap sebesar Pd. Di titik (3) torak mencapai titik mati atas, yaitu titik akhir gerakan torak pada langkah kompresi dan pengeluaran.
Kondensasi Uap air Udara yang dihisap dan dimampatkan didalam kompressor akan mengandung uap air dalam jumlah cukup besar. Jika uap ini didinginkan udara yang keluar dari kompressor maka uap akan mengembun menjadi air. Air ini akan terbawa ke mesin/ peralatan yang menggunakannya dan mengakibatkan gangguan pada pelumasan, korosi dan peristiwa water hammer pada piping system. Aftercooler adalah heat-exchanger yang berguna untuk mendinginkan udara/ gas keluaran kompresor untuk membuang uap air yang tidak diinginkan sebelum dikirim ke alat lain. Uap air dipisahkan dari udara dengan cara pendinginan dengan air atau oli pendingin. Sumber Ingersoll-Rand [--]. Dapat dilihat pada gambar dibawah ini
13

2. Fungsi dari Oil and Water Trap adalah sebagai pemisah oli dan air dari udara yang masuk dari kompresor. Jumlah air persentasenya sangat kecil dalam udara yang masuk kedalam sistem Pneumatik, tetapi dapat menjadi penyebab serius dari tidak berfungsinya sistem.
3. Fungsi unit ini adalah sebagai pemisah kimia untuk memisahkan sisa uap lembab yang mana boleh jadi tertinggal waktu udara melewati unit Oil and Water Trap.
4. Setelah udara yang dikompresi melewati unit Oil and Water Trap dan unit Dehydrator, akhirnya udara yang dikompresi akan melewati Filter untuk memisahkan udara dari kemungkinan adanya debu dan kotoran yang mana munkin tedapat dalam udara.
5. Sistem tekanan udara siap masuk pada tekanan tinggi menambah tekanan pada bilik dan mendesak beban pada piston.
6. Restrictor adalah tipe dari pengontrol klep yang digunakan dalam system Pneumatik, Restrictor yang biasa digunakan ada dua (2) tipe, yaitu tipe Orifice dan Variable Restrictor.
Perawatan sistem Pneumatik terdiri dari memperbaiki, mencari gangguan, pembersihan dan pemasangan komponen, dan uji coba pengoperasian. Tindakan pencegahan untuk menjaga udara dalam sistem selalu terjaga kebersihannya. Saringan dalam komponen harus selalu dibersihkan dari partikel-partikel metal yang mana hal tersebut dapat menyebabkan keausan pada komponen. Setiap memasang komponen Pneumatik harus dijaga kebersihannya dan diproteksi dengan pita penutup atau penutup debu dengan segera setelah pembersihan. Memastikan ketika memasang kembali komponen tidak ada partikel metal yang masuk kedalam sistem. Sangat penting mencegah masuknya air, karena dapat menjadi penyebab sistem tidak dapat memberikan tekanan. Operasi dalam temperatur rendah, walaupun terdapat jumlah air yang sangat kecil dapat menjadi penyebab serius tidak berfungsinya sistem. Setiap tahap perawatan harus memperhatikan masuknya air kedalam sistem. Kebocoran bagian dalam komponen, selama kebocoran pada O- Ring atau posisinya, yang mana ketika pemasangan tidak sempurna atau tergores oleh partikel metal atausudah batas pemakaian
2.4.Hidrolika Bertahun-tahun lalu manusia telah menemukan kekuatan dari
perpindahan air, meskipunmereka tidak mengetahui hal tersebut merupakan prinsip hidrolik. Sejak pertama digunakan prinsip ini, mereka terus menerus mengaplikasikan prinsip ini untuk banyak hal untuk kemajuan dan kemudahan umat manusia.
Hidrolik adalah ilmu pergerakan fluida, tidak terbatas hanya pada fluida air. Jarang dalam keseharian kita tidak menggunakan prinsip hidrolik, tiap kali kita minum air, tiap kali kita menginjak rem kita mengaplikasikan prinsip hidrolik. Sistem hidrolik banyak memiliki keuntungan. Sebagai sumber kekuatan untuk banyak variasi pengoperasian. Keuntungan sistem hidrolik antara lain:
14

a. Ringan b. Mudah dalam pemasangan c. Sedikit perawatan d. Sistem hidrolik hampir 100 % efisien, bukan berarti mengabaikan
terjadinya gesekan fluida.
Untuk mengerti prinsip hidrolik kita harus mengetahui perhitungan dan beberapa hokum yang berhubungan dengan prinsip hidrolik.
• Area adalah ukuran permukaan (in2, m2) - Force adalah jumlah dorongan atau tarikan pada objek (lb, kg)
• Unit pressure adalah jumlah kerkuatan dalam satu unit area (lb/in2, Psi)
• Stroke (panjang) adalah diukur berdasarkan jarak pergerakan pistin dalam silinder (in,m)
• Volume diukur berdasarkan jumlah dalam in3, m3 yang dihitung berdasarkan jumlah
fluida dalam reservoir atau dalam pompa atau pergerakan silinder. Fluida yang digunakan dalam bentuk liquid atau gas. Fluida yang digunakan dalam system hidrolik umumnya oli. Suatu aliran didalam silinder yang dilengkapi dengan sebuah penghisap yang mana kita dapat memakaikan sebuah tekanan luar po tekanan p disuatu titik P yang sebarang sejarak h dibawah permukaan yang sebelah atas dari cairan tersebut diberikan oleh persamaan.
p = po + gh.
Prinsip Pascal, tekanan yang dipakaikan kepada suatu fluida tertutup diteruskan tanpa berkurang besarnya kepada setiap bagian fluida dan dinding-dinding yang berisi fluida tersebut. Hasil ini adalah suatu konsekuensi yang perlu dari hokum-hukum mekanika fluida, dan bukan merupakan sebuah prinsip bebas.
Komponen Sistem Hidrolika Motor hidrolik berfungsi untuk mengubah energi tekanan cairan
hidrolik menjadi energi mekanik. Pompa umumnya digunakan untuk memindahkan sejumlah volume cairan yang digunakan agar suatu cairan tersebut memiliki bentuk energi. Katup pada sistem dibedakan atas fungsi, disain dan cara kerja katup Pompa hidrolik berfungsi untuk mentransfer energi mekanik menjadi energi hidrolik. Pompa hidrolik bekerja dengan cara menghisap oli dari tangki hidrolik dan mendorongnya kedalam sistem hidrolik dalam bentuk aliran (flow).
Aliran ini yang dimanfaatkan dengan cara merubahnya menjadi tekanan. Tekanan dihasilkan dengan cara menghambat aliran oli dalam sistem hidrolik. Hambatan ini dapat disebabkan oleh orifice, silinder, motor hidrolik, dan aktuator.
15

Pompa hidrolik yang biasa digunakan ada dua macam yaitu Positive dan Non - positive Displacement Pump. Cara Memanfaatkan Tenaga Pada Sistem hidrolik
Ada dua macam peralatan yang biasanya digunakan dalam merubah energi hidrolik menjadi energi mekanik yaitu motor hidrolik dan aktuator. Motor hidrolik mentransfer energi hidrolik menjadi energi mekanik dengan cara memanfaatkan aliran oli dalam sistem merubahnya menjadi energi putaran yang dimanfaatkan untuk menggerakan roda, transmisi, pompa dll. Perawatan dari sistem hidrolik, memerlukan penggunaan fluida hidrolik yang layak, pemilihan tube dan seal yang layak. Dan kita harus dapat mengetahui bagaimana pengecekan untuk kebersihan nya yang layak. Perbaikan pada sistem hidrolik, adanya satu prosedur perawatan dilakukan pada mekanik hidrolik. Sebelum perbaikan dimulai, spesifikasi tipe fluida harus diketahui . warna dari fluida pada sistem dapat juga digunakan sebagai penentu dari tipe fluida. Perawatan efektif dari sistem hidrolik yang diperlukan adalah melihat kelayakan seal, tube, selang yang digunakan. Untuk sistem hidrolik (3000 psi) digunakan tube stainless steel, dan untuk sistem hidrolik tekanan rendah dapat digunakan tube dari alumunium alloy.
BAB III
16
3.1.1 Definisi - Definisi Rangkaian listrik adalah suatu kumpulan elemen atau komponen
listrik yang saling dihubungkan dengan cara-cara tertentu dan paling sedikit mempunyai satu lintasan tertutup. Elemen atau komponen yang akan dibahas pada mata kuliah Rangkaian Listrik terbatas pada elemen atau komponen yang memiliki dua buah terminal atau kutub pada kedua ujungnya. Untuk elemen atau komponen yang lebih dari dua terminal dibahas pada mata kuliah Elektronika.
Pembatasan elemen atau komponen listrik pada Rangkaian Listrik dapat dikelompokkan kedalam elemen atau komponen aktif dan pasif. Elemen aktif adalah elemen yang menghasilkan energi dalam hal ini adalah sumber tegangan dan sumber arus, mengenai sumber ini akan dijelaskan pada bab berikutnya. Elemen lain adalah elemen pasif dimana elemen ini tidak dapat menghasilkan energi, dapat dikelompokkan menjadi elemen yang hanya dapat menyerap energi dalam hal ini hanya terdapat pada komponen resistor atau banyak juga yang menyebutkan tahanan atau hambatan dengan simbol R, dan komponen pasif yang dapat menyimpan energi juga diklasifikasikan menjadi dua yaitu komponen atau lemen yang menyerap energi dalam bentuk medan magnet dalam hal ini induktor atau sering juga disebut sebagai lilitan, belitan atau kumparan dengan simbol L, dan kompone pasif yang menyerap energi dalam bentuk medan magnet dalam hal ini adalah kapasitor atau sering juga dikatakan dengan kondensator dengan symbol C, pembahasan mengenai ketiga komponen pasif tersebut nantinya akan dijelaskan pada bab berikutnya. Elemen atau komponen listrik yang dibicarakan disini adalah :
1. Elemen listrik dua terminal a) Sumber tegangan b) Sumber arus c) Resistor ( R ) d) Induktor ( L ) e) Kapasitor ( C )
2. Elemen listrik lebih dari dua terminal a) Transistor b) Op-amp
Berbicara mengenai Rangkaian Listrik, tentu tidak dapat dilepaskan dari pengertian dari rangkaian itu sendiri, dimana rangkaian adalah interkoneksi dari sekumpulan elemen atau komponen penyusunnya ditambah dengan rangkaian penghubungnya dimana disusun dengan cara-cara tertentu dan minimal memiliki satu lintasan tertutup. Dengan kata lain hanya dengan satu lintasan tertutup saja kita dapat menganalisis suatu rangkaian.
17

Yang dimaksud dengan satu lintasan tertutup adalah satu lintasan saat kita mulai dari titik yang dimaksud akan kembali lagi ketitik tersebut tanpa terputus dan tidak memandang seberapa jauh atau dekat lintasan yang kita tempuh. Rangkaian listrik merupakan dasar dari teori rangkaian pada teknik elektro yang menjadi dasar atay fundamental bagi ilmu-ilmu lainnya seperti elektronika, sistem daya, sistem computer, putaran mesin, dan teori control.
3.1.2. Arus listrik
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.
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 diaman pun kita meninjau arus tersebut pada wakttu berbeda akan mendapatkan nilai yang sama
18

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).
3.1.3 Tegangan
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.
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.
19

2. Tegangan naik/ voltage rise Jika dipandang dari potensial lebih rendah ke potensial lebih tinggi
dalam hal ini dari terminal B ke terminal A.
Pada buku ini istilah yang akan dipakai adalah pengertian pada item nomor 1 yaitu tegangan turun. Maka jika beda potensial antara kedua titik tersebut adalah sebesar 5 Volt, maka VAB = 5 Volt dan VBA = -5 Volt
3.1.4 Energi & Daya
Kerja yang dilakukan oleh gaya sebesar satu Newton sejauh satu meter. Jadi energi adalah sesuatu kerja dimana kita memindahkan sesuatu dengan mengeluarkan gaya sebesar satu Newton dengan jarak tempuh atau sesuatu tersebut berpindah dengan selisih jarak satu meter.
Pada alam akan berlaku hukum Kekekalan Energi dimana energi sebetulnya tidak dapat dihasilkan dan tidak dapat dihilangkan, energi hanya berpindah dari satu bentuk ke bentuk yang lainnya. Contohnya pada pembangkit listrik, energi dari air yang bergerak akan berpindah menjadi energi yang menghasilkan energi listrik, energi listrik akan berpindah menjadi energi cahaya jika anergi listrik tersebut melewati suatu lampu, energi cahaya akan berpinda menjadi energi panas jika bola lampu tersebut pemakaiannya lama, demikian seterusnya. Untuk menyatakan apakah energi dikirim atau diserap tidak hanya polaritas tegangan tetapi arah arus juga berpengaruh. Elemen/komponen listrik digolongkan menjadi :
1) Menyerap energi Jika arus positif meninggalkan terminal positif menuju terminal elemen/komponen, atau arus positif menuju terminal positif elemen/komponen tersebut.
2) Mengirim energi Jika arus positif masuk terminal positif dari terminal elemen/komponen, atau arus positif meninggalkan terminal positif elemen/komponen.
20

Energi yang diserap/dikirim pada suatu elemen yang bertegangan v dan muatan yang melewatinya a Δq adalah Δw = v Δq Satuannya : Joule (J)
3.2.Elemen Rangkaian List rik
Seperti dijelaskan pada bab sebelumnya, bahwa pada Rangkaian Listrik tidak dapat dipisahkan dari penyusunnya sendiri, yaitu berupa elemen atau komponen. Pada bab ini akan dibahas elemen atau komponen listrik aktif dan pasif.
3.2.1 Elemen Aktif
Elemen aktif adalah elemen yang menghasilkan energi, pada mata kuliah Rangkaian Listrik yang akan dibahas pada elemen aktif adalah sumber tegangan dan sumber arus. Pada pembahasan selanjutnya kita akan membicarakan semua yang berkaitan dengan elemen atau komponen ideal. Yang dimaksud dengan kondisi ideal disini adalah bahwa sesuatunya berdasarkan dari sifat karakteristik dari elemen atau komponen tersebut dan tidak terpengaruh oleh lingkungan luar. Jadi untuk elemen listrik seperti sumber tegangan, sumber arus, kompone R, L, dan C pada mata kuliah ini diasumsikan semuanya dalam kondisi ideal.
1. Sumber Tegangan (Voltage Source) Sumber tegangan ideal adalah suatu sumber yang menghasilkan tegangan yang tetap, tidak tergantung pada arus yang mengalir pada sumber tersebut, meskipun tegangan tersebut merupakan fungsi dari t. Sifat lain : Mempunyai nilai resistansi dalam Rd = 0 (sumber tegangan ideal)
• Sumber Tegangan Bebas/ Independent Voltage Source Sumber yang menghasilkan tegangan tetap tetapi mempunyai sifat khusus yaitu harga tegangannya tidak bergantung pada
21

harga tegangan atau arus lainnya, artinya nilai tersebut berasal dari sumbet tegangan dia sendiri.
• Sumber Tegangan Tidak Bebas/ Dependent Voltage Source Mempunyai sifat khusus yaitu harga tegangan bergantung pada harga tegangan atau arus lainnya.
2. Sumber Arus ( current source) Sumber arus ideal adalah sumber yang menghasilkan arus yang tetap, tidak bergantung pada tegangan dari sumber arus tersebut. Sifat lain : Mempunyai nilai resistansi dalam Rd = ∞ (sumber arus ideal)
• Sumber Arus Bebas/ Independent Current Source Mempunyai sifat khusus yaitu harga arus tidak bergantung pada harga tegangan atau arus lainnya.
• Sumber Arus Tidak Bebas/ Dependent Current Source Mempunyai sifat khusus yaitu harga arus bergantung pada harga tegangan atau arus lainnya
3.2.2 Elemen Pasif
Resistor (R) Sering juga disebut dengan tahanan, hambatan, penghantar, atau
resistansi dimana resistor mempunyai fungsi sebagai penghambat arus, pembagi arus , dan pembagi tegangan. Nilai resistor tergantung dari hambatan jenis bahan resistor itu sendiri (tergantung dari bahan pembuatnya), panjang dari resistor itu sendiri dan luas penampang dari resistor itu sendiri.
Satuan dari resistor : Ohm ( )
Jika suatu resistor dilewati oleh sebuah arus maka pada kedua ujung dari resistor tersebut akan menimbulkan beda potensial atau tegangan. Hukum yang didapat dari percobaan ini adalah: Hukum Ohm. Mengenai pembahasan dari Hukum Ohm akan dibahas pada bab selanjutnya.
22
Kapasitor (C) Sering juga disebut dengan kondensator atau kapasitansi.
Mempunyai fungsi untuk membatasi arus DC yang mengalir pada kapasitor tersebut, dan dapat menyimpan energi dalam bentuk medan listrik. Nilai suatu kapasitor tergantung dari nilai permitivitas bahan pembuat kapasitor, luas penampang dari kapsitor tersebut dan jarak antara dua keping penyusun dari kapasitor tersebut.
Jika sebuah kapasitor dilewati oleh sebuah arus maka pada kedua ujung kapaistor tersebut akan muncul beda potensial atau tegangan, dimana secara matematis dinyatakan :
23
kapasitor dalam bentuk medan listrik. Jika kapasitor dipasang tegangan konstan/DC, maka arus sama dengan nol. Sehingga kapasitor bertindak sebagai rangkaian terbuka/ open circuit untuk tegangan DC
Induktor/ Induktansi/ Lilitan/ Kumparan (L)
Seringkali disebut sebagai induktansi, lilitan, kumparan, atau belitan. Pada induktor mempunyai sifat dapat menyimpan energi dalam bentuk medan magnet.
Satuan dari induktor : Henry (H)
Arus yang mengalir pada induktor akan menghasilkan fluksi magnetik (φ ) yang membentuk loop yang melingkupi kumparan. Jika ada N lilitan, maka total fluksi adalah :
24
3.3. Hukum-hukum rangkaian
Hukum Ohm Jika sebuah penghantar atau resistansi atau hantaran dilewati oleh
sebuah arus maka pada kedua ujung penghantar tersebut akan muncul beda potensial, atau Hukum Ohm menyatakan bahwa tegangan melintasi berbagai jenis bahan pengantar adalah berbanding lurus dengan arus yang mengalir melalui bahan tersebut. Secara matematis :
V = I.R
Hukum Kirchof f I / Kirchoff ’s Current Law (KCL) Jumlah arus yang memasuki suatu percabangan atau node atau
simpul samadengan arus yang meninggalkan percabangan atau node atau simpul, dengan kata lain jumlah aljabar semua arus yang memasuki sebuah percabangan atau node atau simpul samadengan nol. Secara matematis :
Σ Arus pada satu titik percabangan = 0 Σ Arus yang masuk percabangan = Σ Arus yang keluar percabangan
Dapat diilustrasikan bahwa arus yang mengalir samadengan aliran sungai, dimana pada saat menemui percabangan maka aliran sungai tersebut akan terbagi sesuai proporsinya pada percabangan tersebut. Artinya bahwa aliran sungai akan terbagi sesuai dengan jumlah percabangan yang ada, dimana tentunya jumlah debit air yang masuk akan sama dengan jumlah debit air yang keluar dari percabangan tersebut
25

atau penjumlahan tegangan pada masing-masing komponen penyusunnya yang membentuk satu lintasan tertutup akan bernilai samadengan nol. Secara matematis :
ΣV = 0
26
Semikonduktor merupakan elemen dasar dari komponen elektronika seperti dioda, transistor dan sebuah IC (integrated circuit).
Disebut semi atau setengah konduktor, karena bahan ini memang bukan konduktor murni.
Bahan- bahan logam seperti tembaga, besi, timah disebut sebagai konduktor yang baik sebab logam memiliki susunan atom yang sedemikian rupa, sehingga elektronnya dapat bergerak bebas.
Sebenarnya atom tembaga dengan lambang kimia Cu memiliki inti 29 ion (+) dikelilingi oleh 29 elektron (-). Sebanyak 28 elektron menempati orbit-orbit bagian dalam membentuk inti yang disebut nucleus.
Dibutuhkan energi yang sangat besar untuk dapat melepaskan ikatan elektron-elektron ini. Satu buah elektron lagi yaitu elektron yang ke-29, berada pada orbit paling luar.
Orbit terluar ini disebut pita valensi dan elektron yang berada pada pita ini dinamakan elektron valensi. Karena hanya ada satu elektron dan jaraknya 'jauh' dari nucleus, ikatannya tidaklah terlalu kuat. Hanya dengan energi yang sedikit saja elektron terluar ini mudah terlepas dari ikatannya.
ikatan atom tembaga
Pada suhu kamar, elektron tersebut dapat bebas bergerak atau berpindah-pindah dari satu nucleus ke nucleus lainnya. Jika diberi tegangan potensial listrik, elektron-elektron tersebut dengan mudah berpindah ke arah potensial yang sama. Phenomena ini yang dinamakan sebagai arus listrik.
Isolator adalah atom yang memiliki elektron valensi sebanyak 8 buah, dan dibutuhkan energi yang besar untuk dapat melepaskan elektron- elektron ini.
Dapat ditebak, semikonduktor adalah unsur yang susunan atomnya memiliki elektron valensi lebih dari 1 dan kurang dari 8. Tentu saja yang paling "semikonduktor" adalah unsur yang atomnya memiliki 4 elektron valensi.
Susunan Atom Semikonduktor
Bahan semikonduktor yang banyak dikenal contohnya adalah Silicon (Si), Germanium (Ge) dan Galium Arsenida (GaAs).
Germanium dahulu adalah bahan satu-satunya yang dikenal untuk membuat komponen semikonduktor. Namun belakangan, silikon menjadi
27
popular setelah ditemukan cara mengekstrak bahan ini dari alam. Silikon merupakan bahan terbanyak ke dua yang ada dibumi setelah oksigen (O2).
Pasir, kaca dan batu-batuan lain adalah bahan alam yang banyak mengandung unsur silikon. Dapatkah anda menghitung jumlah pasir dipantai.
Struktur atom kristal silikon, satu inti atom (nucleus) masing-masing memiliki 4 elektron valensi.
Ikatan inti atom yang stabil adalah jika dikelilingi oleh 8 elektron, sehingga 4 buah elektron atom kristal tersebut membentuk ikatan kovalen
dengan ion-ion atom tetangganya. Pada suhu yang sangat rendah (0 o
K), struktur atom silikon divisualisasikan seperti pada gambar berikut.
struktur dua dimensi kristal Silikon
Ikatan kovalen menyebabkan elektron tidak dapat berpindah dari satu inti atom ke inti atom yang lain. Pada kondisi demikian, bahan semikonduktor bersifat isolator karena tidak ada elektron yang dapat berpindah untuk menghantarkan listrik.
Pada suhu kamar, ada beberapa ikatan kovalen yang lepas karena energi panas, sehingga memungkinkan elektron terlepas dari ikatannya. Namun hanya beberapa jumlah kecil yang dapat terlepas, sehingga tidak memungkinkan untuk menjadi konduktor yang baik.
Ahli-ahli fisika terutama yang menguasai fisika quantum pada masa itu mencoba memberikan doping pada bahan semikonduktor ini.
Pemberian doping dimaksudkan untuk mendapatkan elektron valensi bebas dalam jumlah lebih banyak dan permanen, yang diharapkan akan dapat mengahantarkan listrik. Kenyataanya demikian, mereka memang iseng sekali dan jenius.
Tipe-N
Misalnya pada bahan silikon diberi doping phosphorus atau arsenic yang pentavalen yaitu bahan kristal dengan inti atom memiliki 5 elektron valensi. Dengan doping, Silikon yang tidak lagi murni ini (impurity semiconductor ) akan memiliki kelebihan elektron.
Kelebihan elektron membentuk semikonduktor tipe-n. Semikonduktor tipe-n disebut juga donor yang siap melepaskan elektron.
28
Tipe-P
Kalau silikon diberi doping Boron, Gallium atau Indium, maka akan didapat semikonduktor tipe-p. Untuk mendapatkan silikon tipe-p, bahan dopingnya adalah bahan trivalen yaitu unsur dengan ion yang memiliki 3 elektron pada pita valensi.
Karena ion silikon memiliki 4 elektron, dengan demikian ada ikatan kovalen yang bolong (hole). Hole ini digambarkan sebagai akseptor yang siap menerima elektron. Dengan demikian, kekurangan elektron menyebabkan semikonduktor ini menjadi tipe-p.
doping atom trivalen
Resistansi
Semikonduktor tipe-p atau tipe-n jika berdiri sendiri tidak lain adalah sebuah resistor. Sama seperti resistor karbon, semikonduktor memiliki resistansi. Cara ini dipakai untuk membuat resistor di dalam sebuah komponen semikonduktor. Namun besar resistansi yang bisa didapat kecil karena terbatas pada volume semikonduktor itu sendiri.
Dioda PN
Jika dua tipe bahan semikonduktor ini dilekatkan-pakai lem barangkali ya :), maka akan didapat sambungan P-N (p-n junction) yang dikenal sebagai dioda.Pada pembuatannya memang material tipe P dan tipe N bukan disambung secara harpiah, melainkan dari satu bahan (monolitic) dengan memberi doping (impurity material) yang berbeda.
29
sambungan p-n
Jika diberi tegangan maju (forward bias), dimana tegangan sisi P lebih besar dari sisi N, elektron dengan mudah dapat mengalir dari sisi N mengisi kekosongan elektron (hole) di sisi P.
forward bias
Sebaliknya jika diberi tegangan balik (reverse bias), dapat dipahami tidak ada elektron yang dapat mengalir dari sisi N mengisi hole di sisi P, karena tegangan potensial di sisi N lebih tinggi.
Dioda akan hanya dapat mengalirkan arus satu arah saja, sehingga dipakai untuk aplikasi rangkaian penyearah (rectifier ). Dioda, Zener, LED, Varactor dan Varistor adalah beberapa komponen semikonduktor sambungan PN yang dibahas pada kolom khusus.
Transistor Bipolar
Transistor merupakan dioda dengan dua sambungan ( junction). Sambungan itu membentuk transistor PNP maupun NPN. Ujung-ujung terminalnya berturut-turut disebut emitor, base dan kolektor. Base selalu berada di tengah, di antara emitor dan kolektor.
Transistor ini disebut transistor bipolar, karena struktur dan prinsip kerjanya tergantung dari perpindahan elektron di kutup negatif mengisi kekurangan elektron (hole) di kutup positif. bi = 2 dan polar = kutup. Adalah William Schockley pada tahun 1951 yang pertama kali menemukan transistor bipolar.
Transistor npn dan pnp
30
Akan dijelaskan kemudian, transistor adalah komponen yang bekerja sebagai sakelar (switch on/off ) dan juga sebagai penguat (amplifier ). Transistor bipolar adalah inovasi yang mengantikan transistor tabung (vacum tube). Selain dimensi transistor bipolar yang relatif lebih kecil, disipasi dayanya juga lebih kecil sehingga dapat bekerja pada suhu yang lebih dingin.
Dalam beberapa aplikasi, transistor tabung masih digunakan terutama pada aplikasi audio, untuk mendapatkan kualitas suara yang baik, namun konsumsi dayanya sangat besar. Sebab untuk dapat melepaskan elektron, teknik yang digunakan adalah pemanasan filamen seperti pada lampu pijar.
Bias DC
Transistor bipolar memiliki 2 junction yang dapat disamakan dengan penggabungan 2 buah dioda. Emiter-Base adalah satu junction dan Base-Kolektor junction lainnya. Seperti pada dioda, arus hanya akan mengalir hanya jika diberi bias positif, yaitu hanya jika tegangan pada material P lebih positif daripada material N (forward bias).
Pada gambar ilustrasi transistor NPN berikut ini, junction base-emiter diberi bias positif sedangkan base-colector mendapat bias negatif (reverse bias).
arus elektron transistor npn
Karena base-emiter mendapat bias positif maka seperti pada dioda, elektron mengalir dari emiter menuju base. Kolektor pada rangkaian ini lebih positif sebab mendapat tegangan positif. Karena kolektor ini lebih positif, aliran elektron bergerak menuju kutup ini. Misalnya tidak ada kolektor, aliran elektron seluruhnya akan menuju base seperti pada dioda. Tetapi karena lebar base yang sangat tipis, hanya sebagian elektron yang dapat bergabung dengan hole yang ada pada base.
Sebagian besar akan menembus lapisan base menuju kolektor. Inilah alasannya mengapa jika dua dioda digabungkan tidak dapat menjadi sebuah transistor, karena persyaratannya adalah lebar base harus sangat tipis sehingga dapat diterjang oleh elektron. Jika misalnya tegangan base- emitor dibalik (reverse bias), maka tidak akan terjadi aliran elektron dari emitor menuju kolektor.
31

Jika pelan-pelan 'keran' base diberi bias maju (forward bias), elektron mengalir menuju kolektor dan besarnya sebanding dengan besar arus bias base yang diberikan. Dengan kata lain, arus base mengatur banyaknya elektron yang mengalir dari emiter menuju kolektor. Ini yang dinamakan efek penguatan transistor, karena arus base yang kecil menghasilkan arus emiter-colector yang lebih besar.
Istilah amplifier (penguatan) menjadi salah kaprah, karena dengan penjelasan di atas sebenarnya yang terjadi bukan penguatan, melainkan arus yang lebih kecil mengontrol aliran arus yang lebih besar. Juga dapat dijelaskan bahwa base mengatur membuka dan menutup aliran arus emiter-kolektor (switch on/off ).Pada transistor PNP, fenomena yang sama dapat dijelaskan dengan memberikan bias seperti pada gambar berikut. Dalam hal ini yang disebut perpindahan arus adalah arus hole.
arus hole transistor pnp
Untukmemudahkanpembahasanprinsipbias transistorlebihlanjut,berikutadalahterminologi
parameter transistor. Dalam hal ini arah arus adalah dari potensial yang lebih besar ke potensial yang lebih kecil.
arus potensial
IC : arus kolektor IB : arus base IE : arus emitor VC : tegangan kolektor VB : tegangan base VE : tegangan emitor VCC : tegangan pada kolektor VCE : tegangan jepit kolektor-emitor VEE : tegangan pada emitor VBE : tegangan jepit base-emitor ICBO : arus base-kolektor
32
VCB : tegangan jepit kolektor-base
Perlu diingat, walaupun tidak perbedaan pada doping bahan pembuat emitor dan kolektor, namun pada prakteknya emitor dan kolektor tidak dapat dibalik.
penampang transistor bipolar Dari satu bahan silikon (monolitic), emitor dibuat terlebih dahulu,
kemudian base dengan doping yang berbeda dan terakhir adalah kolektor. Terkadang dibuat juga efek dioda pada terminal-terminalnya sehingga arus hanya akan terjadi pada arah yang dikehendaki.
3.4.2 DIODA Kita dapat menyelidiki karakteristik statik dioda, dengan cara
memasang dioda seri dengan sebuah catu daya dc dan sebuah resistor.
Kurva karakteristik statik dioda
merupakan fungsi dari arus ID, arus yang melalui dioda, terhadap tegangan VD, beda tegang antara titik a dan b (lihat gambar 1 dan gambar 2)
karakteristik statik dioda
Karakteristik statik dioda dapat diperoleh dengan mengukur tegangan dioda (Vab) dan arus yang melalui dioda, yaitu ID. Dapat diubah dengan dua cara, yaitu mengubah VDD.Bila arus dioda ID kita plotkan terhadap tegangan dioda Vab, kita peroleh karakteristik statik dioda. Bila anoda berada pada tegangan lebih tinggi daripada katoda (VD positif) dioda dikatakan mendapat bias forward. Bila VD negatip disebut bias reserve atau bias mundur. Pada gambar 2 VC disebut cut-in-voltage, IS arus saturasi dan VPIV adalah peak-inverse voltage.
Bila harga VDD diubah, maka arus ID dan VD akan berubah pula. Bila kita mempunyai karakteristik statik dioda dan kita tahu harga VDD dan RL,
33

maka harga arus ID dan VD dapat kita tentukan sebagai berikut. Dari gambar 1. VDD = Vab + (I· RL) atau I = -(Vab/RL) + (VDD / RL)
Bila hubungan di atas kita lukiskan pada karakteristik statik dioda kita akan mendapatkan garis lurus dengan kemiringan (1/RL). Garis ini disebut garis beban (load line). Ini ditunjukkan pada gambar 3.
Kita lihat bahwa garis beban memotong sumbu V dioda pada harga VDD yaitu bila arus I=0, dan memotong sumbu I pada harga (VDD/RL). Titik potong antara karakteristik statik dengan garis beban memberikan harga tegangan dioda VD(q) dan arus dioda ID(q).
Dengan mengubah harga VDD kita akan mendapatkan garis-garis beban sejajar seperti pada gambar 3.
Bila VDD<0 dan |VDD| < VPIV maka arus dioda yang mengalir adalah kecil sekali, yaitu arus saturasi IS. Arus ini mempunyai harga kira-kira 1 µA untuk dioda silikon.
Pengenalan vacuum Tube
Pada bagian ini penulis bermaksud mengajak para rekan rekan tube mania untuk ngobrol mengenai prinsip kerja dari Tabung.
1. Emisi Electron
Membahas mengenai cara kerja tabung tak akan bisa lepas dari Proses Emisi Electron karena sesungguhnya cara kerja tabung yang paling mendasar ialah proses emisi elektron dan pengendaliannya. Emisi elektron ialah proses pelepasan elektron dari permukaan suatu substansi atau material yang disebabkan karena elektron elektron tersebut mendapat energi dari luar.
Dalam realita yang ada proses emisi elektron cenderung terjadi pada logam dibandingkan pada bahan lainnya, hal ini disebabkan karena logam banyak memiliki elektron bebas yang selalu bergerak setiap saat. Banyaknya elektron bebas pada logam disebabkan karena daya tarik ini atom logam terhadap elektron, terutama pada elektron yang terletak pada kulit terluar dari atom logam (elektron valensi) tidak terlalu kuat dibandingkan yang terjadi pada bahan lainnya. Akan tetapi walaupun daya tarik tesebut tidak
34

terlalu kuat, masihlah cukup untuk menahan elektron agar tidak sampai lepas dari atom logam. Agar supaya elektron pada logam bisa melompat keluar melalui permukaan logam, sehingga terjadi proses emisi elektron, maka diperlukanlah sejumlah energi untuk mengatasi daya tarik inti atom terhadap elektron. Besarnya energi yang diperlukan oleh sebuah elektron untuk mengatasi daya tarik inti atom sehingga bisa melompat keluar dari permukaan logam, didefinisikan sebagai Fungsi Kerja (Work Function).Fungsi kerja biasanya dinyatakan dalam satuan eV (electron volt), besarnya fungsi kerja adalah berbeda untuk setiap logam.
Proses penerimaan energi luar oleh elektron agar bisa beremisi dapat terjadi dengan beberapa cara, dan jenis proses penerimaan energi inilah yang membedakan proses emisi elektron yaitu :
1. Emisi Thermionic (Thermionic emission) 2. Emisi medan listrik (Field emission) 3. Emisi Sekunder (Secondary emission) 4. Emisi Fotolistrik (Photovoltaic emission)
2. Emisi Thermionic
Pada emisi jenis ini, energi luar yang masuk ke bahan ialah dalam bentuk energi panas. Oleh elektron energi panas ini diubah menjadi energi kinetik. Semakin besar panas yang diterima oleh bahan maka akan semakin besar pula kenaikan energi kinetik yang terjadi pada elektron, dengan semakin besarnya kenaikan energi kinetik dari elektron maka gerakan elektron menjadi semakin cepat dan semakin tidak menentu. Pada situasi inilah akan terdapat elektron yang pada ahirnya terlepas keluar melalui permukaan bahan.
Pada proses emisi thermionic dan juga pada proses emisi lainnya, bahan yang digunakan sebagai asal ataupun sumber elektron disebut sebagai "emiter" atau lebih sering disebut "katoda" (cathode), sedangkan bahan yang menerima elektron disebut sebagai anoda. Dalam konteks tabung hampa (vacuum tube) anoda lebih sering disebut sebagai "plate". Dalam proses emisi thermionik dikenal dua macam jenis katoda yaitu :
a) Katoda panas langsung (Direct Heated Cathode, disingkat DHC)
b) Katoda panas tak langsung (Indirect Heated Cathode, disingkat IHC)
35

Pada Figure 2 dapat dilihat struktur yang disederhanakan dan dari simbol juga katoda pada DHC, katoda ini jenis sebagai selainsumber elektron juga dialiri oleh arus
Struktur yang disederhanakan dan juga simbol dari IHC dapat dilihat pada Figure 3. Katoda jenis ini tidak dialiri langsung oleh arus heater, panas yang dibutuhkan untuk memanasi katoda dihasilkan oleh heater element (elemen pemanas) dan panas ini dialirkan secara konduksi dari heater elemen ke katoda dengan perantaraan insulasi listrik, yaitu bahan yang baik dalam menghantarkan panas tetapi tidak mengalirkan arus listrik. Pada proses emisi thermionik bahan yang akan digunakan sebagai katoda harus memiliki sifat sifat yang memadai untuk berperan dalam proses yaitu :
a. Memiliki fungsi kerja yang rendah, dengan fungsi kerja yang rendah maka energi yang dibutuhkan untuk menarik elektron menjadi lebih kecil sehingga proses emisi lebih mudah terjadi.
b. Memiliki titik lebur (melting point) yang tinggi. Pada proses emisi thermionic katoda harus dipanaskan pada suhu yang cukup tinggi untuk memungkinkan terjadinya lompatan elektron, dan suhu ini bisa mencapaai 1500 derajat celcius.
c. Memiliki ketahanan mekanik (mechanical strenght) yang tinggi Pada saat terjadinya emisi maka terjadi pula lompatan ion positif dari plate menuju ke katoda. Lompatan ion positif tersebut oleh katoda akan dirasakan sebagai benturan, sehingga agar supaya katoda tidak mengalami deformasi maka bahan dari katoda harus memiliki mechanical strenght yang tinggi. Pada aplikasi yang sesungguhnya
36
ada tiga jenis material yang digunakan untuk membuat katoda, yaitu :
-Tungsten
Material ini adalah material yang pertama kali digunakan orang untuk membuat katode. Tungsten memiliki dua kelebihan untuk digunakan sebagai katoda yaitu memiliki ketahanan mekanik dan juga titik lebur yang tinggi (sekitar 3400 derajat Celcius), sehingga tungsten banyak digunakan untuk aplikasi khas yaitu tabung X-Ray yang bekerja pada tegangan sekitar 5000V dan temperature tinggi. Akan tetapi untuk aplikasi yang umum terutama untuk aplikasi Tabung Audio dimana tegangan kerja dan temperature tidak terlalu tinggi maka tungsten bukan material yang ideal, hal ini disebabkan karena tungsten memiliki fungsi kerja yang tinggi( 4,52 eV) dan juga temperature kerja optimal yang cukup tinggi (sekitar 2200 derajat celcius)
-Thoriated Tungsten
Material ini ialah campuran antara tungsten dan thorium. Thorium adalah material yang secara individual memiliki fungsi kerja 3,4 eV, campuran antara thorium dan tungsten memiliki fungsi kerja 2,63eV, yaitu suatu nilai fungsi kerja yang lebih rendah dibandingan dengan fungsi kerja tungsten ataupun thorium dalam keadaan tidak dicampur. Selain itu hasil pencampuran kedua logam tersebut memiliki temperature kerja optimal yang lebih rendah daripada tungsten yaitu 1700 derajat celcius hal ini berarti besarnya energi yang dibutuhkan untuk pemanasan pada aplikasi pemakaian logam campuran ini juga lebih rendah.
-Katoda berlapis oksida (Oxide-Coated Cathode)
Katoda tipe ini terbuat dari lempengan nickel yang dilapis dengan barium dan oksida strontium. Sebagai hasil dari pelapisan tersebut maka dihasilkanlah katoda yang memiliki fungsi kerja yang dan temperature kerja optimal rendah yaitu sekitar 750 derajat celsius. Katoda jenis ini umumnya digunakan untuk aplikasi yang menggunakan tegangan tidak lebih dari 1000 V.
3. Emisi Medan List rik (Field Emission)
Pada emisi jenis ini yang menjadi penyebab lepasnya elektron dari bahan
37

ialah adanya gaya tarik medan listrik luar yang diberikan pada bahan. Pada katoda yang digunakan pada proses emisi ini dikenakan medan listrik yang cukup besar sehingga tarikan yang terjadi dari medan listrik pada elektron menyebabkan elektron memiliki energi yang cukup untuk lompat keluar dari permukaan katoda. Emisi medan listrik adalah salah satu emisi utama yang terjadi pada vacuum tube selain emisi thermionic.
4. Emisi Sekunder ( Secondary emission)
Pada emisi sekunder ini energi yang menjadi penyebab lepasnya elektron datang dalam bentuk energi mekanik yaitu energi yang diberikan dalam proses tumbukan antara elektron luar yang datang dengan elektron yang ada pada katoda. Pada proses tumbukan terjadi pemindahan sebagian energi kinetik dari elektron yang datang ke elektron yang ada pada katoda sehingga elektron yang ada pada katoda tersebut terpental keluar dari permukaan katoda. Pada kenyataannya proses emisi sekunder tidak dapat berlangsung sukses dengan sendirinya untuk melepaskan elektron dari permukaan akan tetapi proses emisi ini masih membutuhkan dukungan dari emisi jenis lainnya secara bersamaan yaitu emisi medan listrik. Dukungan proses emisi medan listrik dibutuhkan pada proses emisi sekunder, karena walaupun elektron sudah terpental keluar dari permukaan katoda akan tetapi energi yang dimiliki oleh elektron ini seringkali tidak cukup untuk
menjangkau anoda sehingga dibutuhkanlah dukungan energi dari proses emisi medan listrik.
38
5. Emisi Fotolistr ik (Photo Electric Emission)
Pada emisi fotolistrik energi diberikan ke elektron pada katoda melalui foton yaitu paket paket energi cahaya, yang oleh elektron kemudian diubah menjadi energi mekanik sehingga elektron tersebut dapat terlepas dari permukaan katoda. Sama seperti proses emisi sekunder emisi fotolistrik juga tidak dapat berjalan dengan sempurna tanpa bantuan proses emisi medan listrik, hal ini disebabkan karena energi yang didapat oleh elektron dari foton belum cukup untuk membuat elektron tersebut mampu menjangkau anoda.
Sampai pada bagian ini kita baru saja meyelesaikan obrolan kita mengenai emisi electron dan sekarang obrolan akan kita lanjutkan ke pembahasan mengenai vacuum tube dan cara kerjanya.
Yang dimaksud dengan vacuum tube ialah peralatan elektronik dimana aliran elektron terjadi pada ruang hampa. Ada beberapa jenis vacuum tube yang umum digunakan yaitu
• - Dioda
• - Trioda
• -Tetroda
• - Pentoda
3.4.3 PENYEARAH
Penggunaan dioda yang paling umum adalah sebagai penyearah . Penyearah adalah suatu rangkaian yang berfungsi untuk mengubah tegangan bolak-balik menjadi tegangan searah. Penyearah dengan dioda mengikuti sifat dioda yang akan menghantar pada satu arah dengan drop tegangan yang kecil yaitu sebesar 0,7 volt.
Ada dua type rangkaian penyearah dengan menggunakan dioda yaitu penyearah gelombang penuh dan penyearah setengah gelombang yang mana kedua rangkaian tersebut akan diuji pada praktikum
3.4.3.1 Penyearah Setengah Gelombang
39
Penyearah Setengah Gelombang dengan Kapasitor
Untuk mendapatkan suatu tegangan DC yang baik dimana bentuk tegangan hasil penyearahan adalah mendekati garis lurus maka tegangan keluaran dari suatu rangkaian penyearah seperti terlihat pada gambar 1.1 dihubungkan dengan suatu kapasitor secara paralel terhadap beban seperti pada gambar 1.2 dimana arus dari keluaran rangkaian penyearah selain akan melewati beban juga akan mengisi kapasitor sehingga pada saat tegangan hasil penyearahan mengalami penurunan maka kapasitor akan membuang muatannya kebeban dan tegangan beban akan tertahan sebelum mencapai nol. Hal ini dapat dijelaskan pada gambar berikut:
Hasil penyearahan yang tidak ideal akan mengakibatkan adanya ripple seperti terlihat pada gambar diatas dimana tegangan ripple yang dihasilkan dapat ditentukan oleh persamaan berikut :
Ripple (peak to peak) = Idc . (T / C)
Dimana Idc dalam hal ini adalah tegangan keluaran dibagi dengan R beban. T adalah periode tegangan ripple (detik) dan C adalah nilai kapasitor (Farad) yang digunakan.
3.4.3.2 Penyearah Gelombang Penuh
40

3.4.4 DIODA ZENER Sebagian dioda semikonduktor bila dihubungkan dengan suatu tegangan balik yang cukup akan melakukan suatu arus balik. Hal ini tidak ditunjukkan sebelumnya karena biasanya akan merusak dioda. Akan tetapi dioda Zener justru adalah suatu dioda yang dirancang untuk bisa melakukan arus balik dengan aman dan dengan drop tegangan hanya beberapa volt saja. Simbol dioda zener adalah seperti pada gambar 2.1 dimana bentuk simbol tersebut menyerupai dioda biasa kecuali garis melintang pada kepala panah yang digunakan untuk menyatakan sudut karakteristik balik. Pada arah maju dioda zener berperilaku seperti dioda biasa.
AK
3.4.5 Transis tor
41
Pada umumnya, transistor memiliki 3 terminal. Tegangan atau arus yang dipasang di satu terminalnya mengatur arus yang lebih besar yang melalui 2 terminal lainnya. Transistor adalah komponen yang sangat penting dalam dunia elektronik modern. Dalam rangkaian analog, transistor digunakan dalam amplifier (penguat). Rangkaian analog melingkupi pengeras suara, sumber listrik stabil, dan penguat sinyal radio. Dalam rangkaian-rangkaian digital, transistor digunakan sebagai saklar berkecepatan tinggi. Beberapa transistor juga dapat dirangkai sedemikian rupa sehingga berfungsi sebagai logic gate, memori, dan komponen- komponen lainnya.
Cara Kerja Semikonduktor
Pada dasarnya, transistor dan tabung vakum memiliki fungsi yang serupa; keduanya mengatur jumlah aliran arus listrik.

) terbentuk. Menaikan konsentrasi garam akan meningkatkan konduksi, namun tidak banyak. Garam dapur sendiri adalah nonkonduktor (isolator ), karena pembawa muatanya tidak bebas.
Silikon murni sendiri adalah sebuah isolator, namun jika sedikit pencemar ditambahkan, seperti Arsenik, dengan sebuah proses yang dinamakan doping, dalam jumlah yang cukup kecil sehingga tidak mengacaukan tata letak kristal silikon, Arsenik akan memberikan elektron bebas dan hasilnya memungkinkan terjadinya konduksi arus listrik. Ini karena Arsenik memiliki 5 atom di orbit terluarnya, sedangkan Silikon hanya 4. Konduksi terjadi karena pembawa muatan bebas telah ditambahkan (oleh kelebihan elektron dari Arsenik). Dalam kasus ini, sebuah Silikon tipe-n (n untuk negatif, karena pembawa muatannya adalah elektron yang bermuatan negatif) telah terbentuk.
Selain dari itu, Silikon dapat dicampur dengn Boron untuk membuat semikonduktor tipe-p. Karena Boron hanya memiliki 3 elektron di orbit paling luarnya, pembawa muatan yang baru, dinamakan "lubang" (hole, pembawa muatan positif), akan terbentuk di dalam tata letak kristal silikon.
Dalam tabung hampa, pembawa muatan (elektron) akan dipancarkan oleh emisi thermionic dari sebuah katode yang dipanaskan oleh kawat filamen. Karena itu, tabung hampa tidak bisa membuat pembawa muatan positif (hole).
Dapat disimak bahwa pembawa muatan yang bermuatan sama akan saling tolak menolak, sehingga tanpa adanya gaya yang lain, pembawapembawa muatan ini akan terdistribusi secara merata di dalam materi semikonduktor. Namun di dalam sebuah transistor bipolar (atau diode junction) dimana sebuah semikonduktor tipe-p dan sebuah semikonduktor
42
tipen dibuat dalam satu keping Silikon, pembawapembawa muatan ini cenderung berpindah ke arah sambungan P-N tersebut (perbatasan antara semikonduktor tipe-p dan tipe-n), karena tertarik oleh muatan yang berlawanan dari seberangnya.
Kenaikan dari jumlah pencemar (doping level) akan meningkatkan konduktivitas dari materi semikonduktor, asalkan tata-letak kristal Silikon tetap dipertahankan. Dalam sebuah transistor bipolar, daerah terminal emiter memiliki jumlah doping yang lebih besar dibandingkan dengan terminal basis. Rasio perbandingan antara doping emiter dan basis adalah satu dari banyak faktor yang menentukan sifat penguatan arus (current gain) dari transistor tersebut.
Jumlah doping yang diperlukan sebuah semikonduktor adalah sangat kecil, dalam ukuran satu berbanding seratus juta, dan ini menjadi kunci dalam keberhasilan semikonduktor. Dalam sebuah metal, populasi pembawa muatan adalah sangat tinggi; satu pembawa muatan untuk setiap atom. Dalam metal, untuk merubah metal menjadi isolator, pembawa muatan harus disapu dengan memasang suatu beda tegangan. Dalam metal, tegangan ini sangat tinggi, jauh lebih tinggi dari yang mampu menghancurkannya. Namun, dalam sebuah semikonduktor hanya ada satu pembawa muatan dalam beberapa juta atom. Jumlah tegangan yang diperlukan untuk menyapu pembawa muatan dalam sejumlah besar semikonduktor dapat dicapai dengan mudah. Dengan kata lain, listrik di dalam metal adalah inkompresible (tidak bisa dimampatkan), seperti fluida. Sedangkan dalam semikonduktor, listrik bersifat seperti gas yang bisa dimampatkan. Semikonduktor dengan doping dapat dirubah menjadi isolator, sedangkan metal tidak.
Gambaran di atas menjelaskan konduksi disebabkan oleh pembawa muatan, yaitu elektron atau lubang, namun dasarnya transistor bipolar adalah aksi kegiatan dari pembawa muatan tersebut untuk menyebrangi daerah depletion zone. Depletion zone ini terbentuk karena transistor tersebut diberikan tegangan bias terbalik, oleh tegangan yang diberikan di antara basis dan emiter. Walau transistor terlihat seperti dibentuk oleh dua diode yang disambungkan, sebuah transistor sendiri tidak bisa dibuat dengan menyambungkan dua diode. Untuk membuat transistor, bagian- bagiannya harus dibuat dari sepotong kristal silikon, dengan sebuah daerah basis yang sangat tipis.
Cara Kerja Transistor
Dari banyak tipe-tipe transistor modern, pada awalnya ada dua tipe dasar transistor, bipolar junction transistor (BJT atau transistor bipolar) dan field-effect transistor (FET), yang masing-masing bekerja secara berbeda.
Transistor bipolar dinamakan demikian karena kanal konduksi utamanya menggunakan dua polaritas pembawa muatan: elektron dan lubang, untuk membawa arus listrik. Dalam BJT, arus listrik utama harus melewati satu daerah/lapisan pembatas dinamakan depletion zone, dan ketebalan lapisan ini dapat diatur dengan kecepatan tinggi dengan tujuan untuk mengatur aliran arus utama tersebut.
43

FET (juga dinamakan transistor unipolar) hanya menggunakan satu jenis pembawa muatan (elektron atau hole, tergantung dari tipe FET). Dalam FET, arus listrik utama mengalir dalam satu kanal konduksi sempit dengan depletion zone di kedua sisinya (dibandingkan dengan transistor bipolar dimana daerah Basis memotong arah arus listrik utama). Dan ketebalan dari daerah perbatasan ini dapat dirubah dengan perubahan tegangan yang diberikan, untuk merubah ketebalan kanal konduksi tersebut. Lihat artikel untuk masing-masing tipe untuk penjelasan yang lebih lanjut.
Jenis-Jenis Transistor
Simbol Transistor dari Berbagai Tipe Secara umum, transistor dapat dibeda-bedakan berdasarkan banyak kategori:
• Materi semikonduktor: Germanium, Silikon, Gallium Arsenide
• Kemasan fisik: Through Hole Metal, Through Hole Plastic, Surface Mount, IC, dan lain-lain
• Tipe: UJT, BJT, JFET, IGFET ( MOSFET), IGBT, HBT, MISFET, VMOSFET, MESFET, HEMT, dan lain-lain
• Polaritas: NPN atau N-channel, PNP atau P-channel
44
• Maximum frekwensi kerja: Low, Medium, atau High Frequency, RF transistor, Microwave, dan lain-lain
• Aplikasi: Amplifier, Saklar, General Purpose, Audio, Tegangan Tinggi, dan lain-lain
BJT
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. Ketiga terminal tersebut adalah emiter (E), kolektor (C), dan basis (B).
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 β atau hFE. β biasanya berkisar sekitar 100 untuk transistor-transisor BJT.
FET
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 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. kalau perlu mendesain sinyal level meter, histeresis pengatur suhu, osilator, pembangkit sinyal, penguat audio, penguat mic, filter aktif semisal tapis nada bass, mixer, konverter sinyal, integrator, differensiator, komparator dan sederet aplikasi lainnya, selalu pilihan yang mudah adalah dengan membolak-balik data komponen yang bernama op- amp. Komponen elektronika analog dalam kemasan IC (integrated circuits) ini memang adalah komponen serbaguna dan dipakai pada
45

banyak aplikasi hingga sekarang. Hanya dengan menambah beberapa resitor dan potensiometer, dalam sekejap (atau dua kejap) sebuah pre- amp audio kelas B sudah dapat jadi dirangkai di atas sebuah proto-board.
Penguat diferensial Op-amp dinamakan juga dengan penguat diferensial (differential
amplifier). Sesuai dengan istilah ini, op-amp adalah komponen IC yang memiliki 2 input tegangan dan 1 output tegangan, dimana tegangan output-nya adalah proporsional terhadap perbedaan tegangan antara kedua inputnya itu. Penguat diferensial seperti yang ditunjukkan pada gambar-1 merupakan rangkaian dasar dari sebuah opamp.
gambar-1 : penguat diferensial Pada rangkaian yang demikian, persamaan pada titik Vout adalah Vout
= A(v1-v2) dengan A adalah nilai penguatan dari penguat diferensial ini. Titik input v1 dikatakan sebagai input non-iverting, sebab tegangan vout satu phase dengan v1. Sedangkan sebaliknya titik v2 dikatakan input inverting sebab berlawanan phasa dengan tengangan vout.
Diagram Op-amp
Op-amp di dalamnya terdiri dari beberapa bagian, yang pertama adalah penguat diferensial, lalu ada tahap penguatan (gain), selanjutnya ada rangkaian penggeser level (level shifter ) dan kemudian penguat akhir yang biasanya dibuat dengan penguat push-pull kelas B. Gambar-2(a) berikut menunjukkan diagram dari op-amp yang terdiri dari beberapa bagian tersebut.
46

Simbol op-amp adalah seperti pada gambar-2(b) dengan 2 input, non- inverting (+) dan input inverting (-). Umumnya op-amp bekerja dengan dual supply (+Vcc dan –Vee) namun banyak juga op-amp dibuat dengan single supply (Vcc – ground). Simbol rangkaian di dalam op-amp pada gambar-2(b) adalah parameter umum dari sebuah op-amp. Rin adalah resitansi input yang nilai idealnya infinit (tak terhingga). Rout adalah resistansi output dan besar resistansi idealnya 0 (nol). Sedangkan AOL adalah nilai penguatan open loop dan nilai idealnya tak terhingga.
Saat ini banyak terdapat tipe-tipe op-amp dengan karakterisktik yang spesifik. Op-amp standard type 741 dalam kemasan IC DIP 8 pin sudah dibuat sejak tahun 1960-an. Untuk tipe yang sama, tiap pabrikan mengeluarkan seri IC dengan insial atau nama yang berbeda. Misalnya dikenal MC1741 dari motorola, LM741 buatan National Semiconductor, SN741 dari Texas Instrument dan lain sebagainya. Tergantung dari teknologi pembuatan dan desain IC-nya, karakteristik satu op-amp dapat berbeda dengan opamp lain. Tabel-1 menunjukkan beberapa parameter op-amp yang penting beserta nilai idealnya dan juga contoh real dari parameter LM714.
tabel-1 : parameter op-amp yang penting
47
Penguatan Open-loop
Op-amp idealnya memiliki penguatan open-loop (AOL) yang tak terhingga. Namun pada prakteknya opamp semisal LM741 memiliki penguatan yang terhingga kira-kira 100.000 kali. Sebenarnya dengan penguatan yang sebesar ini, sistem penguatan opamp menjadi tidak stabil. Input diferensial yang amat kecil saja sudah dapat membuat outputnya menjadi saturasi.
Unity-gain frequency
Op-amp ideal mestinya bisa bekerja pada frekuensi berapa saja mulai dari sinyal dc sampai frekuensi giga Herzt. Parameter unity-gain frequency menjadi penting jika op-amp digunakan untuk aplikasi dengan frekuensi tertentu. Parameter AOL biasanya adalah penguatan op-amp pada sinyal DC. Response penguatan op-amp menurun seiring dengan menaiknya frekuenci sinyal input. Op-amp LM741 misalnya memiliki unity-gain frequency sebesar 1 MHz. Ini berarti penguatan op-amp akan menjadi 1 kali pada frekuensi 1 MHz. Jika perlu merancang aplikasi pada frekeunsi tinggi, maka pilihlah op-amp yang memiliki unity-gain frequency lebih tinggi.
Slew rate
Di dalam op-amp kadang ditambahkan beberapa kapasitor untuk kompensasi dan mereduksi noise. Namun kapasitor ini menimbulkan kerugian yang menyebabkan response op-amp terhadap sinyal input menjadi lambat. Op-amp ideal memiliki parameter slew-rate yang tak terhingga. Sehingga jika input berupa sinyal kotak, maka outputnya juga kotak. Tetapi karena ketidak idealan op-amp, maka sinyal output dapat berbentuk ekponensial. Sebagai contoh praktis, op-amp LM741 memiliki slew-rate sebesar 0.5V/us. Ini berarti perubahan output op-amp LM741 tidak bisa lebih cepat dari 0.5 volt dalam waktu 1 us.
Parameter CMRR
Ada satu parameter yang dinamakan CMRR (Commom Mode Rejection Ratio). Parameter ini cukup penting untuk menunjukkan kinerja op-amp tersebut. Op-amp dasarnya adalah penguat diferensial dan mestinya tegangan input yang dikuatkan hanyalah selisih tegangan antara input v1 (non-inverting) dengan input v2 (inverting). Karena ketidak- idealan op-amp, maka tegangan persamaan dari kedua input ini ikut juga dikuatkan. Parameter CMRR diartikan sebagai kemampuan op-amp untuk menekan penguatan tegangan ini (common mode) sekecilkecilnya. CMRR didefenisikan dengan rumus CMRR = ADM/ACM yang dinyatakan dengan satuan dB. Contohnya op-amp dengan CMRR = 90 dB, ini artinya penguatan ADM (differential mode) adalah kira-kira 30.000 kali dibandingkan penguatan ACM (commom mode). Kalau CMRR-nya 30 dB, maka artinya perbandingannya kira-kira hanya 30 kali.
48

Kalau diaplikasikan secara real, misalkan tegangan input v 1 = 5.05 volt dan tegangan v2 = 5 volt, maka dalam hal ini tegangan diferensialnya (differential mode) = 0.05 volt dan tegangan persamaan-nya (common mode) adalah 5 volt. Pembaca dapat mengerti dengan CMRR yang makin besar maka op-amp diharapkan akan dapat menekan penguatan sinyal yang tidak diinginkan (common mode) sekecil-kecilnya. Jika kedua pin input dihubung singkat dan diberi tegangan, maka output op-amp mestinya nol. Dengan kata lain, op-amp dengan CMRR yang semakin besar akan semakin baik.
LM714 termasuk jenis op-amp yang sering digunakan dan banyak dijumpai dipasaran. Contoh lain misalnya TL072 dan keluarganya sering digunakan untuk penguat audio. Tipe lain seperti LM139/239/339 adalah opamp yang sering dipakai sebagai komparator. Di pasaran ada banyak tipe op-amp. Cara yang paling baik pada saat mendesain aplikasi dengan op-amp adalah dengan melihat dulu karakteristik opamp tersebut. Saat ini banyak op-amp yang dilengkapi dengan kemampuan seperti current sensing, current limmiter, rangkaian kompensasi temperatur dan lainnya. Ada juga op-amp untuk aplikasi khusus seperti aplikasi frekuesi tinggi, open colector output, high power output dan lain sebagainya. Data karakteristik op-amp yang lengkap, ya ada di datasheet.
Analisa Rangkaian Op-Amp Popular
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 beberapa aplikasi opamp yang paling dasar, dimana rangkaian feedback (umpan balik) negatif memegang peranan penting. Secara umum, umpanbalik positif akan menghasilkan osilasi sedangkan umpanbalik negatif menghasilkan penguatan yang dapat terukur.
Op-amp ideal
Op-amp pada dasarnya adalah sebuah differential amplifier (penguat diferensial) yang memiliki dua masukan. Input (masukan) op-amp seperti yang telah dimaklumi ada yang dinamakan input inverting dan non- inverting. Op-amp ideal memiliki open loop gain (penguatan loop terbuka) yang tak terhingga besarnya. Seperti misalnya op-amp LM741 yang sering digunakan oleh banyak praktisi elektronika, memiliki karakteristik tipikal
open loop gain sebesar 10 4
~ 10 5
. Penguatan yang sebesar ini membuat opamp menjadi tidak stabil, dan penguatannya menjadi tidak terukur (infinite). Disinilah peran rangkaian negative feedback (umpanbalik negatif) diperlukan, sehingga op-amp dapat dirangkai menjadi aplikasi dengan nilai penguatan yang terukur (finite). Impedasi input op-amp ideal mestinya adalah tak terhingga, sehingga mestinya arus input pada tiap
49
memiliki impedansi input Zin = 10 6
Ohm. Nilai impedansi ini masih relatif sangat besar sehingga arus input op-amp LM741 mestinya sangat kecil.
Ada dua aturan penting dalam melakukan analisa rangkaian op-amp berdasarkan karakteristik op-amp ideal. Aturan ini dalam beberapa literatur dinamakan golden rule, yaitu :
Aturan 1 : Perbedaan tegangan antara input v+ dan v-adalah nol (v+ - v-= 0 atau v+ = v-) Aturan 2 : Arus pada
input Op-amp adalah nol (i+ = i- = 0)
Inilah dua aturan penting op-amp ideal yang digunakan untuk menganalisa rangkaian op-amp.
Inverting amplifier
Rangkaian dasar

dasar mekatronika

Documents