BAB II TINJAUAN PUSTAKA

advertisement
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
Sistem Kendali [Sahat Pakpahan, Kontrol Otomatik : Teori dan Penerapan, 1988]
2.1.
Sistem kendali atau sistem kontrol adalah suatu sistem pengaturan
terhadap satu atau beberapa besaran (variabel, parameter) sehingga berada pada
suatu harga atau dalam suatu rangkuman harga (range) tertentu. Tujuan utama
dari sistem kendali adalah untuk mendapatkan optimasi di mana dalam hal ini
diperoleh berdasarkan fungsi sistem kendali itu sendiri, yaitu pengukuran
(measurement), perbandingan (comparison), pencatatan (recording), perhitungan
(computation), dan perbaikan (correction).
Sistem kendali dapat dikelompokkan menjadi :
1. Manual (operator manusia) dan otomatik (mesin peralatan, robotik).
2. Kalang tertutup (closed-loop) dan kalang terbuka (open-loop).
3. Analog (continue) dan digital (discontinue, discrete).
4. Servo dan regulator.
5. Sumber aktuator : elektris, pneumatis (udara, angin), hidrolis (cairan),
mekanis, dan kombinasinya.
Masukan
Pengendali atau Controller
(Heater, Pemanas)
Plant atau Proses
(Temperatur Air)
Keluaran
Gambar 2.1. Contoh diagram blok sistem kendali kalang terbuka. [Katsuhiko Ogata, 1970; Charles L.
Phillips & H. Troy Nagle, 1990]
6
Air
SW 1
Air
Pemanas
AC
Air
Wadah / tempat (Hopper)
Gambar 2.2. Contoh nyata sistem kendali kalang terbuka [Sahat Pakpahan, 1988]
Masukan
+
Temperatur Air
yang Diinginkan
--
Pengendali (Controller),
Penguat (Amplifier),
Penggerak (Actuator : tangan,
kaki, motor, katup / valve)
Plant atau Proses
Elemen Pengukur,
Pencatat, Tampilan (Display)
Sensor / Pengindera
(Transducer : kulit,
mata, telinga)
Keluaran
Temperatur Air
yang Sebenarnya
Gambar 2.3. Contoh diagram blok sistem kendali kalang tertutup secara analog [Sahat Pakpahan, 1988]
Mata melihat temperatur air = 50 0C
Kulit pada tangan terasa mulai panas
Jika sudah mendidih (100 0C), matikan skalar pemanas
Thermometer
00
50 0C
Air
SW 1
Air
Pemanas
AC
Air
Wadah / tempat (Hopper)
Gambar 2.4. Contoh nyata sistem kendali kalang tertutup secara analog [Sahat Pakpahan, 1988]
Tampilan
temperatur
Air
Air
Sensor
Temperatur
Pemanas
+
--
Amp.
ADC
Pengendali
Pemanas
Wadah / tempat (Hopper)
Gambar 2.5. Contoh nyata sistem kendali kalang tertutup secara digital [Sahat Pakpahan, 1988]
7
Urutan operasi secara fungsional melalui elemen sistem kendali
ditunjukkan dengan diagram balok, diagram kotak, atau diagram blok. Arah
proses variabel sistem ditunjukkan dengan arah panah. Variabel di sebelah kiri
diagram blok disebut dengan masukan proses, sedangkan variabel di sebelah
kanan diagram blok disebut dengan keluaran proses. Dalam diagram blok,
variabel sistem kendali biasanya dinyatakan dengan huruf kecil, sedangkan
elemen sistem kendali biasanya dinyatakan dengan huruf besar.
T (0C)
100 0C
80 0C
60 0C
10 0C
t
(menit)
t1
t3
t2
Gambar 2.6.
t5
t4
t7
t6
t9
t8
t10
Contoh grafik hasil pengendalian temperatur air pada waktu tertentu
[Sahat Pakpahan, 1988]
2.2.
Peralatan Medis
Peralatan medis adalah peralatan yang digunakan oleh tenaga medis
(dokter, perawat, analis kesehatan, mantri kesehatan) untuk menganalisa suatu
jenis penyakit yang diderita oleh pasien. Beberapa jenis alat medis di antaranya
adalah : Electro Cardio Graph (ECG), Ultrasonografi (USG), Hematology
Analyzer, diatermi gelombang mikro / ultrasonik, tabung reaksi, pipet, tang spittle,
pinset bedah, pinset anatomi, gunting, forcep, hand scone dan lain-lain.
Dari sekian banyak peralatan kedokteran tersebut dapat dikatagorikan
menjadi 4 yaitu : peralatan elektronika, peralatan dengan bahan baku logam,
peralatan dengan bahan baku gelas atau kaca, peralatan dengan bahan baku karet
atau plastik.
8
(a). ECG
(b). USG
(c). Hematology Analyzer
Gambar 2.7. Contoh peralatan elektronika di bidang medis [www.endo.co.id]
2.2.1. Peralatan elektronika
Peralatan elektronika merupakan peralatan medis yang proses kerjanya
menggunakan sumber daya listrik, misalnya alat Electro Cardio Graph (ECG),
Electro Encephalo Graph (EEG), unit thermography, ventilator, unit monitor
Electro Cardio Graphy (ECG), dan lain-lain.
2.2.2. Peralatan dari bahan baku logam
Beberapa contoh peralatan kedokteran yang berbahan baku logam antara lain
forcep ekstraksi, gunting, pinset, jarum hecting, dan sebagainya.
(a) forcep ekstraksi
(b) gunting
(c) pinset
Gambar 2.8. Peralatan dari bahan baku logam [www.alatkebidanan.com]
9
2.2.3. Peralatan dari bahan baku gelas atau kaca
Peralatan kedokteran yang berasal dari bahan baku gelas atau kaca adalah
peralatan yang terbuat dari gelas atau kaca yang banyak mengandung unsur
silikon. Contohnya adalah ekstraksi vakum (vacum extraction), pipet, tabung
reaksi, buret, dan sebagainya.
(a) ekstraksi vakum
(b) pipet
(c) buret
Gambar 2.9. Peralatan yang terbuat dari gelas atau kaca
[www.lunawula.blogspot.com/2012/09/instrumen.html]
2.2.4. Peralatan dari bahan baku karet atau plastik
Salah satu contoh peralatan dari bahan baku karet atau plastik adalah
sarung tangan, selang injeksi, kateter, dan sebagainya.
(a) sarung tangan
(b) selang injeksi
(c) kateter
Gambar 2.10. Peralatan dari bahan baku karet atau plastik [www.alatkebidanan.com]
10
2.3.
Pasteurisasi dan Sterilisasi
2.3.1. Pasteurisasi
Pasteurisasi tidak mematikan semua mikroorganisme, tetapi hanya yang
bersifat patogen dan tidak membentuk spora. Oleh sebab itu, proses ini sering
diikuti dengan teknik lain misalnya pendinginan atau pemberian suhu.
Pasteurisasi memiliki tujuan :
a. Untuk membunuh bakteri patogen, yaitu bakteri yang berbahaya karena dapat
menimbulkan penyakit pada manusia. Bakteri pada susu yang bersifat patogen
misalnya mycobacterium tuberculosis dan coxiella bunetti, dan mengurangi
populasi bakteri.
b. Untuk memperpanjang daya simpan alat-alat medis.
c. Dapat menimbulkan citarasa yang lebih baik pada produk susu.
d. Pada susu proses ini dapat meng-in active-kan enzim fosfatase dan katalase
yaitu enzim yang membuat susu cepat rusak.
Metode pasteurisasi yang umum digunakan adalah pasteurisasi dengan
suhu tinggi dan waktu singkat (High Temperature Short Time, HTST), yaitu
proses pemanasan susu selama 15 – 16 detik pada suhu 71,7 – 75 C dengan alat
Plate Heat Exchanger. Pasteurisasi dengan suhu rendah dan waktu lama (Low
Temperature Long Time, LTLT), yakni proses pemanasan susu pada suhu 61 C
selama 30 menit. [www.ptp2007.wordpress.com/2007/10/23/pasteurisasi/]
2.3.2. Sterilisasi
Sterilisasi
adalah
proses
membunuh
segala
bentuk
kehidupan
mikroorganisme yang ada dalam suatu sampel, alat-alat atau lingkungan tertentu.
Dalam bidang biomedis, kata sterilisasi sering dipakai untuk menggambarkan
langkah yang diambil untuk meniadakan atau membunuh semua bentuk
kehidupan
sterilisasi.html]
mikroorganisme.
[www.gerbang-pengetahuan.blogspot.com/2011/01/macam-teknik-
11
Teknik sterilisasi pada dasarnya dapat dilakukan dengan dua cara, yaitu
secara fisis dan secara kemis.
2.3.2.1. Sterilisasi Secara Fisis
a. Metode Radiasi
Dalam mikrobiologi, radiasi gelombang elektromagnetik yang banyak
digunakan adalah radiasi sinar ultraviolet, radiasi sinar  (gamma), sinar X, dan
sinar matahari. Sinar matahari banyak mengandung sinar ultraviolet, sehingga
secara langsung dapat dipakai untuk proses sterilisasi. Sinar ultraviolet bisa
diperoleh dengan menggunakan katoda panas (emisi termis), yaitu ke dalam
tabung katoda bertekanan rendah diisi dengan uap air raksa, panjang gelombang
yang dihasilkan dalam proses ini biasanya dalam orde 2500 sampai dengan 2600
A. Lampu merkuri yang banyak terpasang di jalan-jalan sesungguhnya banyak
mengandung sinar ultraviolet. Namun sinar ultraviolet yang dihasilkan itu banyak
diserap oleh tabung gelas yang dilaluinya, sehingga dalam proses sterilisasi
hendaknya memperhatikan dosis ultraviolet.
Sinar ultraviolet yang diserap oleh sel organisme yang hidup, khususnya
oleh nukleoida, maka elektron-elektron dari molekul sel hidup akan mendapat
tambahan energi. Tambahan energi ini kadang-kadang cukup kuat untuk
mengganggu, bahkan merusak ikan intramolekuler, misalnya ikatan atom
hydrogen dan DNA. Perubahan intramolekuler ini menyebabkan kematian pada
sel-sel tersebut. Beberapa plasma sangat peka terhadap sinar ultraviolet, sehingga
mudah menjadi rusak.
Sinar gamma mempunyai tenaga yang lebih besar dari pada sinar
ultraviolet dan merupakan radiasi pengion. Interaksi antara sinar gamma dengan
materi biologis sangat tinggi, sehingga mampu memukul elektron pada kulit atom
dan menghasilkan pasangan ion (pair production). Cairan sel, baik intraselluler
maupun ekstraselluler, akan terionisasi sehingga menyebabkan kerusakan dan
kematian pada mikroorganisme tersebut.
Sterilisasi dengan penyinaran sinar gamma berdaya tinggi dipergunakan
untuk objek-objek yang tertutup plastik atau stick untuk swab, jarum suntik.
12
Untuk makanan maupun obat-obatan tidak boleh menggunakan sinar gamma
untuk sterilisasi, karena akan terjadi perubahan struktur kimia pada makanan
maupun obat-obatan tersebut.
b. Metode Pemanasan dengan Uap Air dan pengaruh tekanan (auto
slave)
Benda yang akan disucihamakan diletakkan di atas lempengan saringan
dan tidak langsung mengenai air di bawahnya. Pemanasan dilakukan hingga air
mendidih (diperkirakan pada suhu 100 C), pada tekanan 15 lb dan temperatur
mencapai 121 C. Organisme yang tidak berspora dapat dimatikan dalam tempo
10 menit saja. Banyak jenis spora yang dapat mati dengan pemanasan 100 C
selama 30 menit. Tetapi ada beberapa jenis spora dapat bertahan pada temperatur
ini selama beberapa jam. Spora-spora yang dapat bertahan selama 10 jam pada
temperatur 100 C dapat dimatikan hanya dalam waktu 30 menit, apabila air yang
mendidih ini ditambahkan dengan natrium carbonat (Na2CO3).
c. Metode Pemanasan secara Kering
Pemanasan secara kering ini kurang efektif apabila temperatur kurang
tinggi. Untuk mencapai efektivitas diperlukan pemanasan mencapai temperatur
antara 160 C sampai dengan 180 C. Pada temperatur ini akan menyebabkan
kerusakan pada sel-sel hidup dan jaringan, hal ini disebabkan terjadinya
autooksidasi, sehingga bakteri pathogen dapat terbakar. Pada sistem pemanasan
kering terdapat udara, seperti yang telah diketahui, bahwa udara merupakan
penghantar panas yang buruk, sehingga sterilisasi melalui pemanasan kering
memerlukan waktu cukup lama, rata-rata waktu yang diperlukan 45 menit. Pada
temperatur 160 C memerlukan waktu 1 jam, sedangkan pada temperatur 180 C
memerlukan waktu 30 menit. Pada metode pemanasan secara kering ini secara
rutin digunakan untuk mensterilisasikan alat-alat pipet, tabung reaksi, stick swab,
jarum operasi, jarum suntik, syringe. Oleh karena temperatur tinggi sangat
mempengaruhi ketajaman jarum atau gunting, maka hindarilah tindakan sterilisasi
dengan metode pemanasan kering terhadap jarum atau gunting.
13
d.
Metode Pemanasan secara Terputus-putus (Intermittent)
John Tyndall (1877) memperoleh dari hasil penelitiannya bahwa pada
temperatur didih (100 C) selama 1 jam tidak dapat membunuh semua
mikroorganisme, tetapi apabila air dididihkan berulang-ulang sampai lima kali
dan setiap air mendidih istirahat berlangsung 1 menit akan sangat berhasil untuk
membunuh kuman. Hal ini dapat dimengerti oleh karena dengan pemanasan
intermittent, lingkaran hidup pembentukan spora dapat diputuskan.
e. Metode Pembakaran Langsung (Incineration)
Alat-alat plantina, chrome yang akan disteril dapat dilakukan melalui
pembakaran secara langsung pada nyala lampu bunzen hingga mencapai merah
padam. Hanya saja dalam proses pembakaran langsung ini, alat-alat tersebut lama
kelamaan menjadi rusak. Keuntungannya adalah mikroorganisme akan hancur
semua.
f. Metode Penyaringan (Filtration)
Metode penyaringan berbeda dengan metode pemanasan. Sterilisasi dengan
metode pemanasan dapat membunuh mikroorganisme, tetapi mikroorganisme
yang mati tetap berada pada material tersebut. Sedangkan sterilisasi dengan
metode penyaringan, mikroorganisme tetap hidup hanya dipisahkan dari material.
Bahan filter atau penyaring adalah sejenis porselin yang berpori yang dibuat
khusus dari masing-masing pabrik. Ada banyak macam filter yaitu berkefeld V,
coarse N, M dan W, fine, chamberland, seitz, dan sintered glass.
Metode filtrasi ini hanya dipakai untuk sterilisasi larutan gula, cairan lain,
seperti serum atau sterilisasi hasil produksi mikroorganisme, seperti enzyme dan
exotoxin dan untuk memisahkan fitrable viris dari bakteri dan organisme lain.
2.3.2.2. Sterilisasi secara Kemis
Sterilisasi secara kemis yang lazim digunakan adalah alcohol 96%, aceton
tab formalin, sulfur dioxide, dan chlorine. Materi yang akan di-sucihama-kan
14
dibersihkan terlebih dahulu, kemudian direndam dalam alcohol atau acetone atau
tab formalin selama  24 jam.
2.3.3. Pelaksanaan Sterilisasi
Sterilisasi dapat dilaksanakan sesuai dengan tujuan yang diinginkan, yaitu
mikroorganisme dapat dibunuh dan peralatan tetap baik, untuk itu perlu
mengetahui, macam peralatan manakah yang akan disucihamakan, dan metode
sterilisasi manakah yang akan diterapkan.
2.3.3.1. Sterilisasi terhadap Bahan Baku Logam dan Gelas
Alat yang terbuat dari logam sebelum disteril harus dicuci terlebih dahulu
sampai bersih. Dibiasakan untuk segera mencuci alat-alat begitu selesai
memakainya, agar kotoran yang melekat mudah dibersihkan. Alat-alat logam
(jarum suntik, pinset, gunting, jarum operasi, scalpel blede) maupun tabung
reaksi, pipet, petridisk, mula-mula dibersihkan terlebih dahulu, baru kemudian
dibungkus dengan kain gas. Setelah itu menggunakan metode pemanasan secara
kering dengan suhu mencapai 160 C, durasi waktu mencapai 1-2 jam, kemudian
didiamkan agar suhu turun perlahan-lahan.
2.3.3.2. Sterilisasi terhadap Bahan Baku Kain dan Media Kultur
Media kultur yang akan disteril, terlebih dahulu dibungkus dengan kertas,
agar setelah disteril dan dikeluarkan dari alat sterilisator tidak terkontaminasi
dengan kuman lagi. Demikian juga kain doek, dibungkus dengan plastik terlebih
dahulu sebelum melakukan sterilisasi. Metode sterilisasi yang akan dipakai di sini
adalah metode pemanasan dengan uap air dan pengaruh tekanan (autoclave).
2.3.3.3. Sterilisasi Bahan Baku dari Karet atau Plastik
Bahan karet, misalnya sarung tangan, apabila akan disterilkan sebaiknya
jangan memakai metode pemanasan. Karena akan mengganggu elastisitas karet
dan karet akan meleleh apabila kena panas. Untuk mensucihamakan bahan baku
karet, mula-mula dibersihkan dari kotoran dengan memakai air bersih dan
15
detergent, kemudian baru dikeringkan. Setelah itu baru ditaburi talk powder dan
disimpan dengan menggunakan tablet formalin.
2.4.
Sensor Temperatur IC LM335
LM135, LM235, dan LM335 merupakan IC sensor temperatur presisi
yang mudah dikalibrasi. IC sensor temperatur ini bekerja seperti sebuah zener dua
terminal dan memiliki tegangan dadal (breakdown voltage) yang berbanding lurus
dengan temperatur absolut pada 10 mV / K. IC sensor temperatur ini bekerja ini
pada rentang arus listrik 400 A s.d. 5 mA tanpa ada perubahan pada unjuk
kerjanya, dengan impedansi dinamik kurang dari 1 . Terkalibrasi pada 25 C, IC
sensor temperatur ini memiliki kesalahan kurang dari 1 C s.d. 100 C. Tidak
seperti sensor temperatur lainnya, keluaran IC sensor temperatur ini linear.
Gambar 2.11. Deskripsi kaki penyemat IC sensor temperatur LM135, LM235, dan LM335.
[www.datasheetcatalog.com/datasheets_pdf/L/M/3/3/LM335.shtml]
Gambar 2.12. Deskripsi kemasan IC sensor temperatur LM135, LM235, dan LM335
[www.datasheetcatalog.com/datasheets_pdf/L/M/3/3/LM335.shtml]
16
Gambar 2.13. Sensor terkalibrasi pada temperatur kamar 25 C
[www.datasheetcatalog.com/datasheets_pdf/L/M/3/3/LM335.shtml]
Keluaran nominal adalah dikalibrasi pada 10 mV /  K. Pada saat kalibrasi
pada temperatur referensi (298,15  K atau 25  C), tegangan keluaran harus 2,982
V dengan cara menyetel atau mengatur cermet multiturn potensiometer 10 K.
Tegangan keluaran VO dari rangkaian (terkalibrasi atau tidak) diberikan oleh
hubungan persamaan matematis sebagai berikut :
VOT  VOT 0
T
T K
 2,982 Volt
T0
298,15 K
....................... (2.1)
di mana T adalah temperatur yang tidak diketahui dan T0 adalah temperatur
referensi (298,15  K atau 25  C).
Pada tugas akhir ini, keluaran IC LM335 dihubungkan ke rangkaian
komparator (IC LF356), dan rangkaian pengubah analog ke digital (IC CA3162E).
2.5.
Transistor
Transistor merupakan salah satu komponen aktif karena dapat memperkuat
suatu sinyal masukan dan menghasilkan suatu sinyal keluaran yang lebih besar.
Untuk mengoperasikan sebuah transistor dalam suatu rangkaian linear diperlukan
beberapa syarat sebagai berikut :
17
1. Diode emitter harus di-bias maju;
2. Diode kolektor harus di-bias balik; dan
1
2
3. Tegangan pada diode kolektor harus lebih kecil daripada tegangan breakdown.
IC
IC
IB
IB
Rc
Rb
D
Vbb
Vcc
VCE
(a).
(b).
Gambar 2.14. (a) Rangkaian untuk mendapatkan kurva arus kolektor.
(b) Kurva arus kolektor
Untuk membuat transistor berfungsi dengan baik, kita perlu mengetahui
karakteristik transistor, dengan cara mengetahui bentuk kurva transistor dan garis
bebannya. Untuk mendapatkan kurva kolektor VCE dapat dilakukan dengan cara
membentuk suatu rangkaian seperti dalam gambar 2.14. (a), atau dengan cara
menggunakan transistor curve tracer (alat yang dapat menggambarkan kurva
transistor). Gagasan dari kedua cara tersebut, yaitu dengan mengubah-ubah
C
tegangan VBB dan VCC untuk memperoleh tegangan dan arus transistor yang
berbeda seperti yang ditunjukkan dalam gambar 2.14. (b).
hFE atau dc suatu transistor merupakan besaran yang penting dalam
perancangan transistor sebagai penguat. hFE atau dc adalah perbandingan antara
IC dengan IB .
 dc 
IC
IB
................................................................................... (2.2)
Dengan adanya dc, maka dengan arus basis yang kecil akan didapatkan
perbandingan arus kolektor yang besar terhadap arus basis. Kondisi ini
B
dimanfaatkan transistor sebagai penguat arus.
18
Dalam gambar 2.14.(a), sumber tegangan VCC membias balik diode
kolektor melalui Rc. Dengan hukum Kirchoff, diperoleh :
VBB  VBE
RB
....................................................................... (2.3)
VCE  VCC  I C RC
....................................................................... (2.4)
IB 
Dalam rangkaian yang diberikan, VCC dan RC adalah konstan, VCE dan IC
adalah variabel. Persamaan (2.4) dapat disusun kembali sehingga didapatkan
persamaan sebagai berikut :
IC  
IC
VCE VCC

RC
RC
..................................................................... (2.5)
Penjenuhan
IB
IB>IB(sat)
IB=IB(sat)
VCC / RC
Titik sumbat
(cutt off)
VCE
Gambar 2.15. Garis beban DC suatu rangkaian transistor
Pada
persamaan
(2.5)
adalah
persamaan
linear.
Gambar
2.15.
menunjukkan grafik dari persamaan (2.5). Perpotongan vertikal adalah pada VCC /
RC. Perpotongan horizontal adalah pada Vcc, kemiringannya adalah sebesar -1 /
RC. Garis ini disebut garis beban DC karena garis ini menyatakan semua titik
operasi yang mungkin. Perpotongan dari garis beban DC dengan arus basis adalah
titik operasi (titik Q) dari transistor.
Titik perpotongan antara garis beban dan kurva IB = 0 disebut titik sumbat
(cut-off). Pada titik ini arus basis adalah 0 dan arus kolektor kecil sehingga dapat
19
diabaikan. Pada titik sumbat, diode kehilangan bias maju (forward), dan kerja
transistor normal terhenti. Untuk perkiraan aproksimasi VCE(cutt off) = VCC.
Perpotongan garis beban dan kurva IB = IB (sat) disebut penjenuhan
(saturation). Pada titik ini arus basis sama dengan IB (sat) dan arus kolektor
adalah maksimum. Saat ini diode kolektor kehilangan bias balik (reverse) dan
kerja transistor yang normal terhenti. Arus kolektor penjenuhan adalah :
I C ( sat ) 
VCC
RC
.......................................................................... (2.6)
Arus basis yang menimbulkan penjenuhan adalah :
IB 
I C ( sat )
 dc
......................................................................... (2.7)
Tegangan kolektor emitor pada penjenuhan adalah VCE = VCE (sat), di
mana VCE (sat) diberikan pada lembar data, secara khusus beberapa persepuluh
volt. Jika arus basis lebih besar daripada IB (sat), arus kolektor tak dapat
bertambah karena diode kolektor tidak lagi dibias balik (reverse). Dengan
perkataan lain perpotongan dari garis beban dan kurva basis yang lebih tinggi
masih menghasilkan titik penjenuhan yang sama.
Pasangan Darlington dapat dibuat dari dua buah transistor NPN atau dua
buah transistor PNP. Pasangan Darlington NPN dibuat dari 2 buah transistor NPN
yang kaki-kaki kolektornya dihubungkan dan emitor transistor pertama
menggerakkan basis transistor kedua. Apabila penguatan transistor pertama
adalah 1 dan penguatan transistor kedua adalah 2 maka penguatan pasangan
Darlington keseluruhannya adalah:
  1 2
..................................................................................... (2.8)
20
2.6.
Komparator atau Pembanding
Komparator atau pembanding merupakan sebuah tipe rangkaian penguat
operasional
(operational
amplifier,
op-amp)
yang
berfungsi
untuk
membandingkan dua buah tegangan masukan dan menghasilkan sebuah tegangan
keluaran yang menunjukkan keadaan lebih besar atau lebih kecil, dari hubungan
kedua buah tegangan masukan tersebut. Salah satu aplikasi op-amp adalah sebagai
komparator untuk menentukan kapan sebuah tegangan masukan melebihi level
atau tingkatan tegangan tertentu.
[Couglin F. Robert dan Driscoll F. Frederick,. Penguat Operational dan
Rangkaian Terpadu Linear, 1992]
a. Deteksi Level Nol (Zero-Level Detection)
Gambar di bawah ini menunjukkan sebuah detektor level nol. Masukan
membalik (inverting atau -) diketanahkan (grounded) untuk menghasilkan sebuah
level nol dan tegangan sinyal masukan Vin (berupa gelombang sinusoidal)
diterapkan pada masukan tidak membalik (non inverting atau +).
V in
+ V cc
-
V out
V out
+
V in
t
- V cc
V out (max)
t
- V out (max)
Gambar 2.16. Komparator
Karena perolehan tegangan pada kalang terbuka sangat tinggi dan
tegangan diferensial di antara dua masukan op-amp yang menggerakkan penguat
ke dalam saturasi sangat kecil, maka menyebabkan tegangan keluaran menuju
batas saturasi atau jenuh. Biasanya op-amp memiliki batas tegangan maksimal 
15 Volt.
21
Pada saat gelombang masukan sinus positif, maka keluaran pada level
positif maksimum. Pada saat gelombang masukan sinus melewati nol, keluaran
penguat menuju keadaan yang berlawanan dan keluaran menuju level negatif
maksimum. Detektor level nol dapat digunakan sebagai rangkaian gelombang
kotak untuk menghasilkan gelombang kotak dari gelombang masukan sinusoidal.
b. Deteksi Tegangan Bukan Nol (Nonzero-Level Detection)
Detektor level nol dapat diubah untuk mendeteksi tegangan positif dan
tegangan negatif dengan cara menghubungkan sebuah sumber tegangan referensi
(acuan) tetap ke masukan membalik.
VRef 
R2
 VCC 
R1  R2
....................................................... (2.9)
+ V cc
+ V cc
V in
R1
+ V cc
-
V out
+
V in
V Ref
R2
- V cc
V in
R1
-
V out
+
V DZ = V Ref
-
V out
+
DZ
- V cc
V Ref
V in
t
V out
V out (max)
t
- V cc
- V out (max)
V Ref
Gambar 2.17. Mengeset tegangan referensi VRef pada deteksi level bukan nol
Ada beberapa cara untuk mengeset tegangan referensi VRef pada deteksi
level bukan nol. Di antaranya adalah menggunakan referensi batere, referensi
pembagi tegangan, atau menggunakan dioda zener. Selama VIn kurang dari atau
lebih kecil dari VRef , keluaran berada pada level negatif maksimum. Pada saat
tegangan masukan melebihi atau lebih besar dari VRef , keluaran berada pada level
positif maksimum.
22
2.7.
Pengubah analog ke digital (Analog to Digital Converters,
ADC)
Ada beberapa metode yang popular untuk mengubah atau mengkonversi
sebuah besaran analog ke dalam sebuah nilai digital. Salah satunya di antara
metode tersebut adalah metode kemiringan (slope method). Tegangan analog yang
akan dikonversikan diterapkan melalui sebuah saklar elektronik ke dalam sebuah
rangkaian integrator atau pembangkit ramp (biasanya sebuah arus konstan yang
mengisi sebuah kapasitor untuk menghasilkan sebuah tegangan ramp linier).
Keluaran digital diperoleh dari sebuah pencacah yang beroperasi selama selang
(interval) kemiringan positif dan negatif dari integrator.
Metode konversi menghasilkan sebagai berikut. Selama sebuah selang
waktu tetap (biasanya jangkauan cacah penuh dari pencacah), tegangan analog
dikoneksikan integrator menimbulkan tegangan pada masukan komparator sampai
beberapa level positif. Pada akhir selang waktu tetap tegangan dari integrator
lebih besar untuk tegangan masukan yang lebih besar. Pada akhir selang waktu
cacah tetap, cacahan diset menuju nol dan saklar elektronik mengkoneksikan
integrator ke sebuah tegangan masukan tetap atau referensi. Keluaran integrator
(kapasitor masukan) kemudian berkurang pada kecepatan tetap. Pencacah
memajukan (advances) selama waktu ini, pada saat pengurangan keluaran
integrator pada kecepatan tetap, meskipun hal ini drop di bawah tegangan
referensi komparator, yang mana waktu logika kontrol menerima sinyal (keluaram
komparator) untuk menghentikan pencacah. Nilai digital disimpan pada pencacah,
kemudian keluaran digital dari konverter.
Penggunaan detak (clok) dan integrator yang sama untuk menunjukkan
performansi konversi selama selang kemiringan positif dan negatif, cenderung
mengkompensasi untuk selama lentingan frekuensi detak dan pembatasan akurasi
integrator. Setting nilai masukna referensi dan kecepatan detak dapat menskala
keluaran pencacah seperti yang diinginkan. Pencacah dapat berupa biner, BCD,
atau bentuk pencacah digital jika diinginkan.
23
2.8.
IC CA3162E
IC CA3162E dan IC CA3162AE merupakan IC DIP 16 sebagai pengubah
analog ke digital yang berjenis monolitik I2R. IC ini menyediakan sebuah
keluaran BCD yang dimultipleks sebanyak 3 digit. IC CA3162E dan IC
CA3162AE digunakan dengan IC CA3161E yang merupakan driver atau decoder
dari BCD ke tujuh ruas dan sebuah komponen eksternal yang sedikit atau minim
untuk menerapkan 3 digit secara lengkap. IC CA3162E dan IC CA3162AE adalah
identik, kecuali untuk jangkauan operasi temperatur secara luas.
Konfigurasi kaki penyemat (pin) dan diagram blok fungsional IC CA3162
ditunjukkan seperti pada gambar 2.18 dan gambar 2.19.
Gambar 2.18. Kaki penyemat (pin) IC CA3162
[www.datasheetcatalog.com/datasheets_pdf/C/A/3/1/CA3162.shtml]
Fitur-fitur atau keistimewaan IC CA3162E adalah sebagai berikut :
1. Konversi A/D adalah Kemiringan ganda (dual-slope);
2. Tampilan BCD yang dimultipleks;
3. Referensi tegangan untuk celah pemisah pita internal sangat stabil;
4. Mampu membaca 99 mV di bawah nol (ground) dengan catu daya tunggal;
5. Memiliki masukan diferensial;
6. Menggunakan pewaktu (timer) internal dan tidak menggunakan detak (clock)
eksternal;
24
7. Ada pilihan kecepatan konversi, yaitu 4 Hz (kecepatan rendah) dan 96 Hz
(kecepatan tinggi);
8. Konversinya ditahan (“hold” inhibits conversion), akan tetapi menjaga
tundaan; dan
9. Penunjukannya terlalu lebih (overrange indication). “ EEE ” untuk pembacaan
lebih besar daripada +999 mV, “ - “untuk pembacaan lebih negatif daripada 99 mV ketika digunakan dengan CA3161E.
Gambar 2.19. Diagram blok fungsional IC CA3162E
[www.datasheetcatalog.com/datasheets_pdf/C/A/3/1/CA3162.shtml]
Diagram blok fungsional IC CA3162E menunjukkan pengubah tegangan
ke arus listrik (V/I converter) dan pembangkit acuan arus listrik (reference current
generator) yang merupakan jantung sistem. Pengubah tegangan ke arus listrik
mengubah tegangan masukan yang diterapkan di antara kaki penyemat (pin) 10
dan 11 menjadi arus listrik yang mengisi atau memuati kapasitor penyatuan
(integrating capasitor) pada kaki penyemat 12 untuk penentuan awal selang
waktu (predetermined time interval). Pada bagian akhir dari selang waktu
pengisian, pengubah tegangan ke arus listrik diputuskan dari kapasitor penyatuan,
dan sebuah acuan tetap celah pemisah pita sumber arus listrik dari polaritas yang
25
berlawanan yang dihubungkan. Jumlah dari detak mencacah yang telah lewat
berlalu, sebelum muatan dikembalikan (restored) ke nilai aslinya, terukur secara
langsung dengan sinyal yang diinduksikan arus listrik. Pengembalian ini diindera
oleh pembanding (comparator) yang akan menghidupkan gerendel pencacah
(latches counter). Pencacah kemudian dimultipleks menjadi keluaran BCD.
Pewaktuan untuk IC CA3162E disuplai dari sebuah osilator cincin (ring
oscillator) 786 Hz, dan masukan pada kaki penyemat 6 menentukan kecepatan
cuplikan (sampling rate). Sebuah masukan 5 V menyediakan sebuah kecepatan
cuplikan tinggi (high speed sampling rate) 96 Hz. Pentanahan (grounding)
ataupun mengambang (floating) pada kaki penyemat 6 menyediakan sebuah
kecepatan cuplikan rendah (low speed sampling rate) 4 Hz. Pada saat kaki
penyemat 6 tetap berada 1,2 V (dengan cara menempatkan sebuah resistor 12 K
di antara kaki penyemat 6 dan catu daya 5 V), sebuah keistimewaan menahan
(hold features) tersedia. Pada saat IC CA3162E berada pada mode menahan (hold
mode), kecepatan cuplikan kontinyu pada 4 Hz, akan tetapi tampilan data ditahan
untuk pembacaan sebelumnya dari aplikasi 1,2 V. Penghilangan 1,2 V
mengembalikan tampilan muatan secara kontinyu. Catatan bahwa, bagaimanapun
juga kecepatan cuplikan masih sisa 4 Hz.
Kaki penyemat nomor 8 dan 9 merupakan penyetelan nol (zero
adjustment). Penyetelan perolehan (gain adjustment) dilakukan oleh kaki
penyemat nomor 13. Sedangkan kaki penyemat nomor 10 dan 11 masing-masing
untuk masukan rendah dan masukan tinggi. Tegangan masukan maksimal ini pada
penyemat nomor 10 atau 11 terhadap ground adalah sebesar  15 V. Keluaran
BCD berturut-turut pada kaki penyemat nomor 2 ( = 20 ), 1 (=21 ), 15 ( = 22 ), dan
16 ( = 23 ). Digit keluaran dipilih oleh kaki penyemat nomor 5 (LSD), 3 (NSD),
dan 4 (MSD). Catu daya DC yang digunakan dikoneksikan dengan kaki penyemat
nomor 7 (GND) dan 14 (V+) dan maksimal +7 V.
Gambar 2.20 menunjukkan pewaktuan cuplikan dan angka memilih pulsa
untuk mode kecepatan tinggi. Catatan bahwa, proses konversi dasar analog ke
digital memerlukan kira-kira 5 ms untuk kedua mode tersebut.
26
Gambar 2.20. Diagram pewaktuan IC CA3162
[www.datasheetcatalog.com/datasheets_pdf/C/A/3/1/CA3162.shtml]
Gambar 2.21. Dasar sistem pembacaan digital menggunakan IC CA3162E dan IC CA3161E
[www.datasheetcatalog.com/datasheets_pdf/C/A/3/1/CA3162.shtml]
Tampilan “ EEE “ atau “ --- “ menunjukkan bahwa jangkauan sistem
masing-masing telah melebihi tanda positif dan negatif. Teganagn negatif sampai
dengan – 99 mV ditampilkan dengan tanda minus pada MSD. Kode BCD adalah
1010 untuk di luar jangkauan negatif (---) dan 1011 untuk di luar jangkauan
positif (EEE).
27
2.9.
IC CA3161E
IC CA3161E merupakan IC DIP 16 berjenis monolitik yang berfungsi
untuk men-decoding BCD ke tujuh ruas dan sebagai penggerak ruas dengan arus
konstan. Pada saat digunakan dengan IC pengubah analog ke digital (yaitu IC
CA3162E), IC CA3161E ini menyediakan sebuah sistem pembacaan yang
lengkap dengan sedikit komponen eksternal.
Fitur-fitur atau keistimewaan IC CA3162E adalah sebagai berikut :
1. Kompatibel dengan masukan level logika TTL;
2. Keluaran ruas dengan arus konstan (25 mA);
3. Menggantikan keperluan resistor pembatas arus keluaran;
4. Kaki penyemat (pin) kompatibel dengan decoder standar industri yang
lainnya; dan
5. Disipasi daya stanby rendah (18 mW).
Konfigurasi kaki penyemat (pin), diagram blok fungsional, dan tabel
kebenaran IC CA3161 IC CA3161 adalah sebagai berikut :
(a).
(b).
Gambar 2.22. (a). Konfigurasi kaki penyemat (pin) (b). Diagram blok fungsional IC CA3161
[www.datasheetcatalog.com/datasheets_pdf/C/A/3/1/CA3161.shtml]
28
Tabel 2.1. Tabel kebenaran IC CA3161 dan tampilan tujuh ruas yang dihasilkan oleh IC CA3162
[www.datasheetcatalog.com/datasheets_pdf/C/A/3/1/CA3161.shtml]
29
2.10. Tampilan Tujuh Ruas (Seven Segment Display, SSD)
Peralatan keluaran yang umum digunakan untuk menampilkan bilangan
desimal adalah tampilan tujuh ruas (Seven Segment Display, SSD). Ketujuh ruas
dari peraga tersebut diberi label a sampai g. Pada dasarnya SSD terdiri atas 7 LED
yang tersusun membentuk konfigurasi angka.
Terdapat dua macam SSD, yaitu : anoda bersama (Common Anoda, CA)
dan katoda bersama (Common Cathoda, CC). Pada common anoda berarti bahwa
anoda dari LED tersebut dihubungkan menjadi satu dan diberi tegangan “high”
untuk mengaktifkan LED tersebut. Sebaliknya common cathoda berarti katodakatoda dari LED tersebut terhubung menjadi satu dan untuk mengaktifkan LED
tersebut, pada katodanya diberikan tegangan “low”. Pada rancang-bangun alat ini
menggunakan SSD CA, yang mana positif dijadikan satu jalur, seperti yang
terlihat pada gambar 2.23.
Gambar 2.23. Tampilan tujuh ruas [www.thelearningpit.com/lp/doc/7seg/7seg.html]
2.11. Relay
Relay adalah komponen yang berguna untuk memutuskan atau
menghubungkan sirkit. Relay ada dua yaitu yang bekerja dengan arus bolak-balik
dan relay yang bekerja dengan arus rata. Relay dengan arus bolak-balik tidak
dapat dipakai dalam proyek-proyek dengan alat-alat elektronika, karenanya untuk
desain rangkaian elektronika selalu menggunakan relay yang bekerja dengan arus
rata.
30
Relay DC juga terdiri dari berbagai macam antara lain:
1. Relay dengan kontak menutup jika dialiri arus
2. Relay dengan kontak terbuka jika dialiri arus
3. Relay dengan kontak dua kutub (bi-polar)
4. Relay dengan kontak-kontak lidi, dimana khusus untuk relay jenis ini dapat
digunakan hanya dengan mendekatkan ke sebuah magnet batang atau
membuatkan sebuah gulungan yang mengelilingi tabung kaca letak relay lidi
tersebut yang nantinya dialiri arus (membangkitkan medan magnet) untuk
menggerakkan kontak lidinya.
Gambar 2.24. Wujud Relay SPDT [www.controlanything.com/Relay/Device/DATASHEETS]
Pada dasarnya relay terdiri dari sebuah lilitan kawat (kumparan koil) yang
terlilit pada suatu initi besi lunak. Jika kumparan dialiri arus listrik maka besi
lunak itu akan menjadi sebuah magnet. Magnet ini akan menarik atau menolak
suatu pegas dan pegas pun akan membuat keadaan terhubung atau kontak
terputus. Kontak-kontak pada relay ada dua macam, yaitu: normal open (saat
keadaan i ≠ 0 kontak putus) dan normal close (saat keadaan i ≠ 0 kontak tertutup).
Relay yang digunakan pada sistem kontrol ini adalah relay dengan keadaan
normal kontak putus.
2.12. Pewaktu (Timer) IC LM555
IC LM / NE / SA / RS 555 merupakan sebuah pewaktu tunggal dan sebuah
pengendali dengan kemampuan kestabilan tinggi yang dapat menghasilkan pulsa
pewaktuan yang akurat. Dengan sebuah operasi satu kestabilan (monostable),
31
waktu tundaan dikendalikan oleh sebuah resistor dan kapasitor eksternal. Dengan
sebuah operasi tidak stabil (astable), frekuensi dan siklus tugas (duty cycle)
dikendalikan secara akurat oleh dua buah resistor dan sebuah kapasitor eksternal.
(a).
(b).
Gambar 2.25. (a). Konfigurasi kaki penyemat (pin) (b). Diagram blok fungsional IC LM555.
[www.datasheetcatalog.com/datasheets_pdf/L/M/5/5/LM555.shtml]
Beberapa keistimewaan atau fitur (features) dari rangkaian terpadu ini
adalah memiliki kemampuan penggerak arus tinggi (200 mA), siklus tugas yang
dapat diatur, stabilitas temperatur 0,005 % / C, pewaktuan dari s s.d. jam, dan
waktu mati singkat (kurang dari 2 s). Sedangkan beberapa aplikasi dari
rangkaian terpadu ini adalah pewaktuan yang presisi, pembangkitan pulsa,
pembangkitan waktu tundaan, pewaktuan yang runtun (sekuensial).
Gambar 2.26. Rangkaian astabil menggunakan IC LM555
[www.datasheetcatalog.com/datasheets_pdf/L/M/5/5/LM555.shtml]
Pada tugas akhir ini IC LM555 menggunakan pewaktu dengan mode
astabil. Bentuk gelombang keluaran mode astabil ini ditunjukkan seperti pada
Gambar 2.27.
32
Gambar 2.27. Bentuk gelombang keluaran mode astabil
[www.datasheetcatalog.com/datasheets_pdf/L/M/5/5/LM555.shtml]
Beberapa parameter pada mode astabil ini adalah sebagai berikut :
Tabel 2.2. Parameter pada mode astabil IC LM555
[www.datasheetcatalog.com/datasheets_pdf/L/M/5/5/LM555.shtml]
No.
Gelombang Keluaran
Sifat
Keterangan *)
Rumus
1.
ton  t H
0,693 C R1  R2 
2.
toff  t L
0,693 C R2
3.
t  tH  tL
0,693 C R1  2 R2 
*) = satuan yang digunakan adalah Ohm, Farad, detik, dan Hertz.
Keterangan notasi parameter pada mode astabil IC LM555 adalah sebagai berikut :
ton  t H
toff  t L
t  tH  tL
merupakan waktu di mana output ada pada keadaan tinggi.
merupakan waktu di mana output ada pada keadaan rendah.
merupakan periode bentuk gelombang keluaran.
Download