BAB 3 PERANCANGAN

BAB 3
PERANCANGAN
3.1 Deskripsi Umum Alat
Alat yang dirancang adalah perangkat pelayangan magnetik dengan menggunakan
benda berbentuk bola untuk dilayangkan pada rentang waktu tertentu.
Perancangan berdasarkan model dari Barry Hansen pada tahun 2001 [2]. Alat
yang dirancang terdiri dari beberapa komponen:
1. Kumparan elektromagnet
2. Sistem sensor infra merah (sebagai umpan balik / masukan pengontrol)
3. Sistem pengontrol
4. Sistem aktuator
Skema sistem lup tertutup dari alat yang dirancang digambarkan pada Gambar
3.1.
Gambar 3.1. Skema Perancangan Sistem Lup Tertutup
Dalam perancangan ini digunakan gabungan beberapa rangkaian elektronik
karena perancangan pengontrol diimplemantasikan secara analog. Skema lengkap
rancangan dapat dilihat pada Gambar 3.2.
20
Gambar 3.2 .Skema Lengkap Rancangan Perangat Pelayangan Magnetik Bola
3.2 Komponen Permodelan
3.2.1 Kumparan elektromagnet (solenoida)
Kumparan yang digunakan adalah kumparan yang memiliki panjang inti kecil,
tetapi jumlah lilitannya banyak.
Hal ini dimaksudkan agar garis-garis gaya
magnet lebih terkonsentrasi. Digunakan batang ulir besi berukuran panjang 5 cm,
dengan diameter 0,8 cm. Tebal lilitan sebesar 0,75 cm. Solenoida dilengkapi
dengan skrup untuk melekatkan pada rangka perangkat.
Untuk lebih mengkonsentrasikan garis-garis gaya magnet, pada bagian sekrup
yang melekatkan solenoid dengan rangka perangkat, ditambahkan sebuah magnet
permanen berkekuatan 60 mT. Dengan magnet ini, garis-garis gaya lebih terarah
sehingga besar gaya tarik yang dihasilkan lebih terkonsentrasi pada bola.
3.2.2 Bola
Sesuai teori dasar, bahan inti induktor yang dapat dimagnetisasi disebut
ferromagnetik, termasuk diantaranya nikel, kobalt, dan besi (baja mengandung
lebih dari 99% besi). Beberapa logam lain yang tidak terpengaruhi oleh magnet
antara lain tembaga, aluminium, timah dan seng. Untuk itu harus digunakan benda
21
ferromagnetik agar dapat tertarik oleh gaya magnet yang dihasilkan oleh
kumparan.
Bola yang digunakan adalah bola besi berongga agar didapatkan luas permukaan
yang besar dengan massa yang lebih ringan. Hal ini dilakukan untuk mengurangi
besar arus yang dibutuhkan, tetapi pergerakan bola tetap mudah diamati. Sehingga
diperlukan bola yang besar tetapi memiliki massa relatif kecil.
3.2.3 Rangkaian Sensor infra merah
Sensor yang digunakan adalah rangkaian elektronik menggunakan sebuah LED
infra merah sebagai pengirim sinyal (transmitter) dan dua buah phototransistor
sebagai penerima sinyal cahaya (receiver). Phototransistor berfungsi sebagai
penerima sinyal referensi (reference signal), dan sinyal posisi (position signal).
Pertambahan arus pada basis photo transistor berbanding lurus dengan penerimaan
cahaya. Dengan demikian, tertutupnya sebagian atau seluruhnya phototransistor
dengan bola menyebabkan penurunan arus basis, yang menyebabkan penurunan
arus kolektor-emitter. Arus kolektor-emitter diubah menjadi tegangan dengan
adanya resistor antara kolektor dengan sumber arus positif sehingga dapat diukur.
Tegangan keluaran dari phototransistor harus diolah sehingga dapat menjadi
sinyal masukan yang baik bagi rangkaian pengontrol. Ada beberapa tahapan yang
harus dilalui sinyal tersebut yaitu distabilkan, dibandingkan, lalu diperkuat
perbandingannya. Proses ini dapat dilalui dengan melewatkan sinyal ke dalam
beberapa rangkaian elektronik sesuai kebutuhan proses. Proses yang harus dilalui
dapat dilihat pada Gambar 3.3.
Gambar 3.3. Ilustrasi Rangkaian Pengolahan Sinyal Sensor
22
Rangkaian pengikut tegangan digunakan agar nilai tegangan dari kedua
fototransistor tidak turun secara drastis akibat impedansi dari beban keluaran
sinyal termasuk rangkaian penguat beda, rangkaian pengontrol, dan rangkaian
aktuator. Jadi rangkaian pengikut tegangan sebagai penyangga mengisolasi nilai
tegangan dari fototransistor dari beban tahap selanjutnya.
Setelah melalui rangkaian pengikut tegangan, sensor melalui rangkaian penguat
beda. Kombinasi ini merupakan rangkaian penguat instrumentasi. Pada rangkaian
penguat perbedaan, selisih tegangan antara kedua phototransistor diperkuat agar
nilai maksimumnya mendekati nilai catu daya searah.
3.2.4 Rangkaian Pengontrol
Pengontrol yang digunakan adalah pengontrol on-off. Untuk itu pengontrol
berfungsi memberi sinyal kepada aktuator untuk memberikan tindakan yang
diinginkan pada kumparan. Aksi yang dilakukan pengontrol bertujuan untuk
mempertahankan bola pada posisi yang diinginkan yaitu setinggi letak
fototransistor penerima sinyal posisi. Skema rangkaian pengontrol digambarkan
pada Gambar 3.4.
Gambar 3.4. Skema Rangkaian Pengontrol
Setelah keluar dari rangkaian sensor, sinyal memasuki rangkaian pengontrol. Pada
rangkaian pengontrol, sinyal melalui 2 tahap, yaitu pengubahan bentuk sinyal dan
penguatan linier tak membalik. Pengubahan bentuk sinyal dengan rangkaian
diferensial dilakukan agar sinyal berbentuk ramp, sehingga aksi kontrol on-off
lebih cepat dan tajam. Sedangkan penguatan linier dengan menggunakan
rangkaian penguat tak membalik dimaksudkan untuk memperbesar beda tegangan
antara keadaan on, dan keadaan off agar tidak ada rentang diantaranya.
23
Untuk menjalankan fungsi on-off, maka dibuat logika dari rangkaian sensor.
Berdasarkan Gambar 2.4 dan persamaan 2.7 maka didapatkan persamaan sebagai
berikut :
Vout =
Rf
(Vb − Va)
Ro
(3.1)
Bila nilai tegangan referensi sebagai Vb (pada kaki masukan tak membalik) dan
nilai tegangan sinyal posisi sebagai Va (pada kaki masukan membalik), maka
setelah dihubungkan dengan transistor yang berfungsi sebagai penghubung
pengontrol-aktuator didapatkan hasil logika komunikasi sebagai berikut:
1. Bila tegangan sinyal referensi lebih kecil 0.01 V daripada tegangan sinyal
posisi, artinya posisi bola terlalu tinggi sehingga sebagian transistor
referensi tertutup bola, maka perbedaan tegangan yang dihasilkan adalah
negatif. Karena yang dialirkan adalah masukan negatif, maka aktuator
tidak bekerja, dan kumparan tidak berfungsi sebagai magnet.
2. Bila tegangan sinyal referensi lebih besar 0,01 V daripada tegangan sinyal
posisi, maka yang dihasilkan adalah keluaran positif karena perbedaan
tegangan menjadi positif sehingga aktuator bekerja dan kumparan
berfungsi sebagai elektromagnet.
3. Saat nilai sinyal tegangan referensi tidak ada (=nol), maka rangkaian
penguat perbedaan berfungsi sebagai rangkaian penguat perbedaan
membalik, karena Vb dianggap ditanahkan sehingga nilai negatif dari
perbedaan menjadi positif dan aktuator bekerja.
4. Bila nilai sinyal tegangan referensi dan posisi sama, komparator
menghasilkan keluaran nol, sehingga transistor tidak bekerja, dan aktuator
tidak bekerja.
3.2.5 LED Indikator
24
Untuk memudahkan pengamatan dipasang beberapa buah indikator. Indikator
yang digunakan adalah LED dengan pancaran cahaya warna merah. Fungsi
indikator tersebut adalah sebagai berikut :
1.Indikator daya
: memberikan informasi apakah perangkat sudah
terhubung dengan sumber tegangan atau belum
2.Indikator tombol on/off
: memberikan informasi apakah perangkat sudah
siap digunakan atau belum.
3.Indikator kumparan
: memberikan informasi apakah kumparan
dalam keadaan bekerja atau tidak.
3.2.6 Kerangka Perangkat
Kerangka perangkat dibuat dari bahan fiber glass yang tembus pandang untuk
nilai estetika juga kemudahan pengamatan rangkaian.
3.2.7 Rangkaian Aktuator
Rangkaian aktuator terdiri dari catudaya searah, solenoida, dioda, dan
transistor. Dioda berfungsi untuk menyearahkan arus yang melalui kumparan.
Sedangkan bekerja atau tidaknya kumparan dan seluruh rangkaian aktuator ini
bergantung pada arus basis pada transistor seperti dijelaskan pada sub bab
3.2.4. Kumparan terhubung dengan kolektor transistor, sedangkan emiter dari
transistor terhubung dengan ground. Tegangan basis bergantung pada keluaran
dari noninverting amplifier pada rangkaian listrik di atas yang disebut juga
rangkaian penguat keluaran. Bila arus basis positif, maka akan mengalir arus
melalui kumparan dan akan menarik bola. Sebaliknya, bila mendapat catu
negatif atau nol, maka arus yang mengalir melalui kumparan juga tidak ada.
25
Gambar 3.5. Rangkaian aktuator
Gambar rangkaian aktuator dapat dilihat pada Gambar 3.5. Dioda D2
merupakan sebuah LED yang digunakan untuk mengindikasikan apakah
kumparan bekerja atau tidak. Saat kumparan bekerja, LED juga menyala,
demikian juga sebaliknya saat kumparan dalam keadaan tidak dilalui arus,
LED juga tidak dilalui arus sehingga tidak menyala.
3.2.8 Sumber Tegangan
Sumber tegangan yang digunakan adalah sumber tegangan searah 12 V dan 15
V. Tegangan 12 V digunakan untuk menghidupkan kumparan, sedangkan
tegangan 15 V digunakan untuk sumber tegangan rangkaian analog kecuali
kumparan.
Digunakan sumber arus bolak-balik yang dilewatkan pada dua buah trafo.
Tegangan yang dihasilkan trafo adalah tegangan searah 12V dan 15 V.
26