13 Bab III Pelaksanaan Penelitian III.1 Alur Pelaksanaan Penelitian

Bab III Pelaksanaan Penelitian
III.1 Alur Pelaksanaan Penelitian
Secara umum alur pelaksanaan penelitian ini disajikan dalam diagram alir berikut
Mulai
Observasi dan studi pustaka
Y
Permasalahan
Hipotesis
T
Perancangan alat
Sensor
counter
display
power supply
benda uji
Penyiapan bahan dan alat
Pengambilan
Benda uji 1
Benda uji 2
Data
Benda uji 3
Benda uji 4
Pengolahan Data
Pembahasan dan Analisa Data
Y
Tesis
T
Selesai
Gambar III. 1. Diagram Alir Pelaksanaan Penelitian
13
Benda uji 5
III.2 Waktu dan Tempat
Pelaksanan penelitian mulai dari Bulan Agustus 2008 hingga Juni 2009.
Penelitian dimulai dari perancangan, pembuatan dan uji coba alat. Uji coba alat di
Laboratorium físika dasar BSCA Institut Teknologi Bandung Jl. Ganesa no. 10
Bandung Jawa Barat.
III.3 Desain Alat Sensor Cahaya pada Percobaan benda Jatuh Bebas
Inti dari aplikasi sensor cahaya pada percobaan gesekan udara benda jatuh bebas
adalah pengukuran waktu yang diperlukan benda uji untuk mencapai jarak
tertentu. Sensor pada penelitian ini menggantikan fungsi stop watch sebagai
pencatat waktu yang umumnya memiliki ketelitian hingga 0,1 detik dan
dioperasikan secara manual menjadi otomatis dengan ketelitiannya 0,001 detik.
Beberapa tahapan perancangan dan pembuatan alat secara garis besar terdiri dari
dua, yakni: desain bagian elektronik dan mekanik. Berikut ini adalah diagram
blok dari rancangan alat tersebut.
Mekanik
Elektronik
Penjatuh Benda
Trigger
Acuan 1
Sensor On
Relay
Acuan 2
Rangkaian
Pemancar/
Penerima
Sensor Off
Timer
Display
Counter
Catu Daya
Gambar III. 2. Diagram Blok Alat Sensor Cahaya dan Bunyi
14
3.3.1. Desain Bagian Elektronik
3.3.1.1 Mendesain Rangkaian Sensor Cahaya
Masalah utama dalam teknik pengukuran otomatis, yakni mengubah besaran
mekanik menjadi besaran listrik yang proporsional.
Pengubah yang
melaksanakan fungsi tersebut secara umum disebut sensor.
Desain Sensor cahaya yang digunakan dalam penelitian ini terdiri atas LED
inframerah sebagai sumber cahaya dan phototransistor sebagai penerima. Infra
merah adalah cahaya atau radiasi elektromagnetik dengan frekuensi yang rendah
dengan panjang gelombang 1000 – 2000 nm, pada penelitian ini digunakan 2
buah sensor yang diletakkan terpisah untuk mulai menghitung (On) dan
menghentikan hitungan (Off). Phototransistor diletakkan terpisah dan berhadapan.
Saat benda jatuh melewati sensor mengakibatkan cahaya terputus sesaat dan
tersambung kembali maka pencatatan waktu dimulai. Sedangkan sensor bunyi
berfungsi untuk menghentikan hitungan ketika benda uji tiba pada
sensor
tersebut, sehingga waktu tercatat secara otomatis pada counter.
Receiver
(Phototransistor)
Transmiter
(LED)
Gambar III. 3. LED sebagai Pemancar (Transmiter) dan Phototransistor
sebagai penerima (Receiver) sensor Cahaya
III.3.1.2 Diagram Blok Rangkaian Pemancar Sensor Cahaya (Transmiter)
Rangkaian pemancar sensor cahaya ini tak lain adalah sebuah rangkaian pewaktu
(timer) monostable. Prinsipnya rangkaian ini akan menghasilkan pulsa tunggal
dengan lama waktu tertentu. Pada keadaan tanpa input, keluaran pin 3 adalah 0
(ground atau normally low). Transistor Q yang ada di dalam IC ini selalu ON dan
15
mencegah kapasitor eksternal C dari proses pengisisian (charging). Ketika ada
sinyal trigger dari 1 ke 0 (VCC to GND) yang diumpankan ke pin 2 dan lebih kecil
dari 1/3 VCC, maka serta merta komparator B men-set keluaran flip-flop. Ini pada
gilirannya memicu transistor Q menjadi OFF. Jika transistor Q1 OFF akan
membuka jalan bagi resistor eksternal R untuk mulai mengisi kapasitor C
(charging). Pada saat yang sama output dari pin 3 menjadi high (VCC), dan terus
high sampai satu saat tertentu yang diinginkan. Misalnya lamanya adalah t detik,
yaitu waktu yang diperlukan untuk mengisi kapasitor C mencapai tegangan 2/3
VCC. Tegangan C ini disambungkan ke pin 6 yang tidak lain merupakan input
positif comp A. Maka jika tegangan 2/3 V CC ini tercapai, komparator A akan menreset flip-flop dan serta merta transistor internal Q1 menjadi ON kembali. Pada
saat yang sama keluaran pin 3 dari IC 1455 tersebut kembali menjadi 0 (GND).
Hambatan luar 220 k
berfungsi menentukan tegangan kali 6. D1 adalah LED
sebagai indikator, D2 dan D3 infra red pemancar cahaya.
Capasitor untuk
meredam noise, selengkapnya bagian dalam IC 1455.
Q
Gambar III. 4. Gambar Bagian dalam IC 1455
Sebagai piranti utama rangkaian pemancar sensor cahaya hanya memerlukan
sedikit komponen luar untuk bekerja, diantaranya resistor dan kapasitor luar,
komponen elektronik selengkapnya yang digunakan R1 220 KΩ, C1 1KpF 50V,
C2 100KpF 50V, IC MC1455, D1 LED, D2 dan D3 Infra red.
rangkaian selengkapnya disajikan dalam gambar berikut,
16
TRANSMITER SENSOR CAHAYA
C1
1KpF50V
4
8
6
R
220K
2
3
(+)
9V DV
C2
100KpF50V
IC
MC1455
5
D1
LED
1
D2
IR
D3
IR
(-)
Gambar III. 5. Bagan bagian Pemancar dan Penerima Sensor Cahaya.
Sedangkan dalam wujud rangkaian jadinya seperti gambar berikut:
Gambar III. 6. Foto infra red control switch (transmiter)
III.3.1.3 Diagram Blok Rangkaian Penerima Sensor Cahaya (Receiver)
Phototransistor SPT sebagai fungsi transfer, menghubungkan antara besaran fisis
(intensitas cahaya) menjadi karakteristik arus/tegangan listrik. Ketika terkena
cahaya SPT berubah hambatanya, ketika cahaya terhalang besaran arus ini akan
tersambung.
Kapasitor pertama berfungsi sebagai coupling, meneruskan arus
yang diperoleh dari perubahan SPT, semakin tinggi frekuensi, semakin kecil
kapasitansi, hubungan tersebut diekspresikan sebagai Xc = 1/ c, sehingga hanya
frekuensi tertentu yang dapat diloloskan.
Berikut ini adalah bagian input dari rangkaian penerima phototransistor.
17
Vcc
SPT
Gambar III. 7. Transistor SPT sebagai Receiver
Transistor NPN dengan emitter ditanahkan berfungsi sebagai penguat.
R2
berfungsi sebagai Feed back dan berfungsi sebagai bias serta untuk menstabilkan
arus, yang menghubungkan output dan input, penggalan rangkaiannya sebagai
berikut:
Vcc
Vo
R
Vi
Gambar III. 8. Transistor sebagai Receiver
Secara teoritis persamaan yang berlaku pada penggalan rangkaian ini adalah:
18
Secara grafis hubungan antara IC dan Vcc adalah sebagai berikut
Icc
Vcc
Gambar III. 9. Grafik Hubungan VCC terhadap Icc
Hambatan dua berfungsi sebagai feed back untuk menstabilkan Kapasitor kedua
juga berfungsi sebagai coupling, menghubungkan penguat 1 ke penguat 2,
sifatnya hanya meloloskan input AC dan menahan sinyal DC.
Penguat dua emitor ditanahkan. R4 dan R5 berfungsi sebagai bias, menentukan
titik kerja. Penguat ada 2 dengan maksud memperoleh penguatan yang lebih
besar. Penguat 1 untuk penstabil karena ada feed back dan penguat 2 untuk
penguatan.
Kapasitor ke tiga fungsinya sama dengan kapasitor 1 dan 2 yakni sebagai
coupling. Rangkaian C dan R sebagai by pass filter, frekuensi tinggi diloloskan
yakni frekuensi rendah disaring, spesifikasi kapasitornya 33 KpF, 50 V. dengan
hubungan
= 1/RC.
Masuk ke Transistor (TR3) yakni kolektor ditanahkan (common colektor)
penguatannya satu, fungsinya sebagai buffer karena rangkaian sebelumnya sudah
di filter, supaya tegangan tidak turun. Rangkaian T transistor 4 (TR4) sebagai
penguat inverting dengan input. Kapasitor empat sebagai by pass, arus langsung
ditanahkan lewat C4.
R8 dan R9 sebagai pembagi tegangan.
Led sebagai
indicator, jika arus besar maka nyalanya terang, arus yang masuk tergantung pada
R10. Dioda D1 sebagai indikator sedangkan D2 dan D3 adalah infra red. Kapasitor
C1 berfungsi untuk meredam noise.
Spesifikasi teknik beberapa komponen elektronika yang digunakan untuk
menyusun blok ini serta gambar rangkaiannya sebagai berikut: Bentuk diagram
Blok tampak pada gambar berikut:
19
(+)
6V-9V DC
R10
C4
R4
R3
C2
D2
R4
R1
D1
C3
Relay
6V DC
D2
TR2
R2
D2
TR2
C1
TR2
R8
D2
C4
D2
TR1
VR
R7
R5
TR5
R9
SPT
C5 R11
(-)
R1.10
R2
R3
R4.7
R5.9.11
R6
R8
VR
TR 1-4
TR5
:
:
:
:
:
:
:
:
:
:
1K
470K
3,9K
180K
47K
22K
470
10K
CS9014
CS9013
C1
: 4,7KpF50V
C2
: 10KpF50V
C3
: 33KpF50V
C4
: 10 F16V
C5.6
: 100 F16V
D1
: LED
D 2-6
: 1N4148
Relay
: 6V DC
SPT(Photo Transistor)
: CL138M-2
Gambar III. 10. Diagram Rangkaian Penerima (Receiver)
Sedangkan setelah menjadi rangkaian sebenarnya bentuknya ditampilkan dalam
gambar berikut:
Gambar III. 11. Bagan bagian penerima (receiver)
III.4 Desain Alat Sensor Bunyi pada Percobaan benda Jatuh Bebas
Penggunaan
sensor
bunyi
pada
penelitian
ini
sebenarnya
merupakan
pengembangan perangkat sensor yang semula pada Tesis I tidak direncanakan.
Penyebabnya adalah ketika praktek, lintasan benda uji yang dijatuhkan dari 2 m
lintasan benda uji tidak lurus, sehingga tidak tepat melewati sensor off, karena
benda terlalu ringan. Kondisi ini sangat menyulitkan peneliti mengambil data.
Setelah digunakan sensor bunyi, meskipun benda uji tidak begitu lurus masih
dapat tepat dideteksi sensor.
20
Sensor Bunyi terdiri atas Komponen mic kondensor yang digabungkan dengan
transisitor sebagai penguat dan transistor saklar. Mic berfungsi untuk merspon
perubahan dalam bentuk bunyi dari linkungannya yang kemudian akan mengalami
penguatan dan selajutnya komponen transistor lainnya bertindak sebagai saklar
elektronik untuk sistem ON /OFF.
Di bawah ini merupakan gambar rangkaian sensor bunyi yang akan dirakit untuk
keperluan penghenti saklar otomatis ketika benda uji menyentuh titik acuan
bawah.
SOUND CONTROL SWITCH
D4
+
12V DC
R2
C3
R4
C8
SW
R6
D3
R9
TR2
RL
C4
C1
4
1
TR1
IC
VR
11
TR3
R1
D1
R3
C2
R5
D2
13
TR4
R10
R7
R8
C5
C6
C7
MIC
-
R1.8
R2
R3
R4
R5
R6
R7
R9
: 100K
: 10K
: 100
: 3,9K
: 680
: 33K
: 470
: 560
R10
VR
: 1K
: 100k
C1.3
C2.6
C4.5
C7
C8
: 2,2KpF50V
: 1 F50V
: 10KpF50V
: 10 F50V
: 47 F50V
D1.2
D3.4
TR1.2.3
TR4
Relay
Mic
IC
: 1N4148
: 1N4002
: CS9014
: CS9013
: 12 V
: Condenser Mic
: SN7473
Gambar III. 12. Skematik Sensor Bunyi
Pada rangkaian sensor suara ini di gunakan mic condenser untuk mendeteksi
adanya bunyi. Posisi dari sensor diatur sedemikian rupa sehingga hanya dapat
menerima bunyi yang disebabkan oleh benda uji yang jatuh. Prinsip utama dari
sensor ini adalah pada waktu bunyi direspon oleh mic kondenser maka akan
melewatkan arus dari sumber ke kutub negatif sumber. Karena pada transistor
pertama pada basis tidak terdapat arus, maka arus sumber dari kolektor tidak bisa
menuju emitor (negatif sumber). Pada kolektor transistor pertama arus tidak bisa
lewat ke kolektor, maka arus akan masuk pada basis transistor ke dua sehingga
akan melewatkan arus sumber dari kolektor ke emitor, sedangkan basis dari
transistor ketiga tidak ada arus yang lewat. Ini menyebabkan arus sumber dari
21
kolektor tidak bisa menuju ke emiter sehingga arus tersebut akan keluar.
Transistor keempat berfungsi menguatkan sinyal listrik yang diterima dan
menghasilkan arus yang cukup untuk masuk kebagian relay yang dapat
mengahasilkan induksi magnit. Perubahan arus yang terjadi pada relay ini akan
mampu membuka dan menutup saklar. Fungsi kapasitor pada rangkaian
ini adalah untuk meredam naik turunnya arus yang disebabkan oleh pembacaan
sensor terhadap kuat intensitas bunyi.
Berikut ini adalah bentuk jadi sensor bunyi yang ditempatkan pada kotak
Gambar III. 13. Sensor bunyi pada papan PCB
III.1.1 Diagram Blok Rangkaian Timer counter
Timer counter adalah alat yang berfungsi mencatat besaran waktu yang dihasilkan
oleh pergerakan benda mulai saat dilepaskan dari acuan atas
sampai benda
menyentuh acuan bawah. Alat timer counter ini dapat bekerja atas beberapa
bagian yaitu :
III.1.1 Trigger.
Trigger adalah bagian pemicu sinyal yang dihasilkan oleh IC 555 sebagai input
oleh komponen pencacah . Memiliki dua kondisi yakni stabil dan tidak stabil.
22
Pada operasi ini, pengatur waktu berfungsi sebagai satu tingkat keluaran (one
shot). Disebut sebagai multivibrator monostable apabila satu tingkat tegangan
keluarannya adalah stabil sedangkan tingkat tegangan keluaran yang lain adalah
quasistable. Rangkaian tersebut akan beristirahat pada saat tingkat tegangan
keluarannya dalam keadaan stabil sampai dipicu menjadi keadaan quasistable.
Keadaan quasistable dibentuk oleh rangkaian multivibrator untuk suatu periode
T1 yang telah ditentukan sebelum berubah kembali ke keadaan stabil. Sebagai
catatan bahwa selama periode T 1 adalah tetap, waktu antara pulsa-pulsa tersebut
tergantung pada pemicu. Tegangan keluaran multivibrator ini. Kapasitor eksternal
pada awalnya diisi dan kemudian dikosongkan kembali oleh suatu transistor yang
berada di dalam IC 555.
Pada aplikasi, suatu pulsa picu negatif kurang dari 1/3 VCC di pin 2, flip-flop di
set untuk menghubung-singkatkan agar terjadi pelepasan kapasitor dan
menggerakan keluaran menjadi tinggi. Dengan 1/3 tegangan catu daya dikenakan
pada terminal masukan dari pembanding/comparator (COMP1) dan 2/3 tegangan
dikenakan pada terminal negative dari comparator (COMP2). Ketika tegangan
pada terminal trigger (TRIGGER) kurang dari 1/3 dari tegangan catu daya,
terminal S dari the flip-flop (FF) menjadi level tinggi
(H)dan FF adalah set
(berada pada nilai yg diharapkan). Ketika tegangan tertinggi-sentuh (threshold)
terminal lebih 2/3 dari tegangan catu daya, terminal R dari sebuah FF menjadi
level H dan si FF berada reset.
Gambar skematik rangkaian trigger disajikan berikut ini:
TRIGGER
Push
on
+ 3-15V
R3
C4
R1
4
8
3
7
C1
IC
555
R2
2
1
C3
D1
C2
R1.2
R3
R4
pulsa
output
R4
5
6
: 470 K
: 100
: 680
C1.4
C2.3
D1
: 47 F
: 10nF
: lead
0V
Gambar III. 14. Skematik rangkaian trigger
23
Sedangkan wujud dari rangkaian tersebut dalam PCB ditunjukkan seperti gambar
berikut:
B
Gambar III. 15. Foto Rangkaian Trigger pada PCB
1,44
Keluaran rangkaian diatas dihitung dengan rumusan :
f
( R1 R2 )C
Komponen yang digunakan pada rangkaian ini; R =1KΩ R = 21,318 KΩ C
1
2
=33nF. untuk mendapatkan nilai pembangkit pulsa dengan frekuensi 1000 Hz
yang nantinya menghasilkan periode waktu 0,001 sekon maka R1 = 1K, R2 =
21,318 K
dan C= 33nF
III.1.2. Bagian Pencacah
Pencacah (counter) merupakan piranti yang penting fungsinya dalam suatu
sistem rangkaian digital. Suatu pencacah akan menghitung jumlah daur yang
dilewati oleh pulsa clock pemicunya. Rangkaian ini tersusun dari beberapa buah
Flip-Flop (FF) JK yang terpicu pada pinggiran positif atau negatif, dengan fungsifungsi set dan clear-nya.
Gambar III. 16. Pencacah 4 bit
Pencacah 4 bit disusun dari 4 buah FF JK dengan keluaran dari setiap FF akan
memicu FF yang ada di belakangnya (gambar 3.9). Suatu sinyal tegangan segi
empat sebagai sinyal clock memicu FF A pada saat pinggiran negatif (belakang)
24
pulsa itu tiba. Selanjutnya keluaran FF A akan memicu FF B, dengan keluaran FF
B memicu FF C, yang pada akhirnya keluaran FF C akan memicu FF D. Dari
gambar 3.9 tampak bahwa dua masukan J dan K pada masing-masing FF itu
pada keadaan tinggi, sehingga keempat FF itu ada dalam keadaan "toggle", artinya
keluaran tiap FF itu akan berpindah keadaan jika pinggiran negatif dari pulsa yang
memicunya tiba.
III.1.3. Bagian Pemecah Sandi Decoder ( IC CD 4033 B)
Komponen utama dari bagian pemecah sandi ini adalah IC CD 4033B, dimana
pemecah sandi (decoder) merupakan suatu rangkaian logika terintegrasi yang
berfungsi untuk menampilkan kode-kode biner menjadi tanda-tanda yang dapat
ditanggapi secara visual. Sesuai dengan ragam cara penyandian, maka dapat
dijumpai beragam tipe dekoder, yang salah satu diantaranya dekoder BCD ke
dasar. Dekoder ini mempunyai 4 saluran masukan, dan 7 saluran keluaran. Sinyal
keluaran 0 dari dekoder ini akan mengaktifkan salah satu ruas LED pada peraga 7
segment. Untuk menyatakan bilangan desimal dalam peraga seven segment,
maka tabel 2. kebenarannya ditunjukkan pada tabel berikut
Tabel II. 2.
Tabel kebenaran pembuka 4 bit ke 7 LED
25
Berdasarkan tabel tersebut dapat ditentukan fungsi logika masing-masing ruas.
Pada percobaan ini, fungsi tersebut dikembangkan sehingga hanya diperlukan
gerbang AND, OR dan NOR masing- masing satu IC untuk menyusun rangkaian
logika tiap ruas. Sebelum pulsa ini sampai kebagian seven segmen , maka akan
melalui resistor terlebih dahulu. Fungsi dari resistor ini adalah sebagai penahan
arus yang masuk ke seven segmen. IC CD 4033 ini terdiri dari dua bagian yaitu:
1. Bagian pertama memiliki 4 input yaitu pin 1,2,3,dan 15 yang berfungsi
sebagai pencacah bilangan biner dari counter tipe IC CD 4033B.
2. Bagian kedua terdiri dari 7 output yaitu pin 6,7,9,10,11,12,13 yang
berfungsi untuk menghidupkan LED pada 7 segmen yang bersesuaian
dengan kode input yang diterima seperti pada gambar.
Counter 4 digit
DISPAY 1
DISPAY 2
DISPAY 3
DISPAY 4
C5
f
g d a e b c
f
g d a e b c
f
C4
6 7 9 10 11 12 13
1
CLOCK
S1
IC 1
f
C3
6 7 9 10 11 12 13
5
g d a e b c
1
IC 2
C2
6 7 9 10 11 12 13
5
g d a e b c
1
IC 3
-
6 7 9 10 11 12 13
5
1
IC 4
6V DV
15
RESET
S2
2 8 14
C6
3 16
15
2 8 14
3 16
15
2 8 14
3 16
15
2 8 14
C1
3 16
R1
R2
C7
Selanjutnya gambar rangkaian trigger dan bentuk rangkaiannya di PCB adalah
Gambar III. 17. Rangkaian counter 4 digit
26
+
Gambar III. 18. Bentuk Rangkaian counter 4 digit Pada PCB
III.5 Desain Bagian Mekanik
Desain bagian mekanik ini terdiri dari statif 2 meter dan 2 dudukan sensor
Bahan :
- Pipa kotak panjang 2 m
- Kaki statif
- Dudukan sensor
- Dudukan benda coba
- Meteran
Prosedur Membuat (lihat gambar di bawah):
-
Las dudukan sensor dua buah
-
Buat klem agar dudukan dapat diubah-ubah posisinya(naik/turun)
-
Las dudukan benda coba kurang lebih 20 cm
-
Las kaki statif
-
Lem meteran besi pada dinding statif
Dudukan benda
Dudukan sensor
klem
Kaki statif
Gambar III. 19.
Desain Statif
III.6 Desain Modul Gerak Jatuh Bebas
Modul percobaan memuat judul, tujuan, cara kerja, tabel hasil pengamatan,
kesimpulan dan daftar pustaka, selengkapnya ada di lampiran B.
27