Instrumentasi Sistem Kendali

Diktat
Instrumentasi Sistem Kendali
Oleh :Jana Utama,ST.
Jurusan Teknik Elektro
Universitas Komputer Indonesia
2010
Matakuliah
: Instrumentasi Sistem Kendali
Pokok Pembahasan
• Dasar Sistem Kontrol dan Mekatronika
– Mengenal Mekatronika (Sistem control, sistem
listrik, dan mekanik)
– Istilah-istilah Sistem Pengukuran
– Teknik Digital
• Sistem Penggerak
– Motor DC
– Motor Stepper
– Motor Servo
• Power Suplay
– Tenaga Surya
– Baterai
– Catu Daya
• Sensor
–
–
–
–
–
–
Pengkondisian Sinyal
Mengenal Berbagai Sensor
Sensor Jarak
Sensor Panas
Sensor Posisi
Teknologi Wireless
• Kontrol
–
–
–
–
PLC
PID
Neural Network
Mikrokontroller
Experimental Error
Element Error
• Error setiap alat sesuai spesifikasi
pembuat
• Dinyatakan dalam persen terhadap
nilai full scale
• Misal: 2%
– nilai kesalahan maksimal = 2%x
angka full scale
• Jika alat dioperasikan tidak pada
full scale
– nilai kesalahan maksimal tetap,
mengikuti saat full scale
– Misal operasi pada half scale:
– Error max = 4%x skala yang
digunakan
Experimental Error
Element Error (2)
Akumulasi Element Error (3)
• Akumulasi kesalahan tiap alat dalam sistem
• Ea : error alat terakumulasi
• Estimasi:
dengan εT , εSC , εA , εR masing-masing adalah
error Transducer, signal conditioner, amplifier dan
recorder
Experimental Error
Improper Functioning
• penggunaan tidak sesuai fungsi(≠)
• berhubungan dengan perawatan
dan penyesuaian alat
(maintenance & adjustment)
• Kalibrasi
• Zero offset
• Range / Span
Experimental Error
Kalibrasi  Sensitivitas
• Response curve suatu alat
• garis lurus dengan kemiringan
yang menunjukkan sensitivitas alat
Zero Offset
• deviasi Response line (pada
sumbu vertikal)
• garis lurus dengan kemiringan
yang menunjukkan sensitivitas alat
Experimental Error
Range
• Daerah kerja
• Response curve masih linier /
masih dalam batas toleransi
•
: batas atas dengan deviasi
response curve maksimum
•
: batas bawah ( error alat)
OPTOELEKTRONIKA
Pada awal perkembangan semikonduktor telah diketahui
bahwa dioda dan transistor peka terhadap cahaya dan
juga
beberapa
devais
semikonduktor
dapat
mengeluarkan cahaya, karena proses rekombinasi.
Dari gejala tsb dapat dikembangkan devais-devais
sensitif cahaya baik sebagai detektor ataupun pemancar.
Pada optoelektronika berkaitan dengan cahaya tampak
maupun tak tampak (IR maupun UV). Spektrum
gelombang cahaya tsb merupakan bagian dari spektrum
gelombang elektromagnet, seperti ditunjukka pada
Gambar 1 berikut.
Gambar 1, Spektrum cahaya
Besaran-besaran yang biasanya digunakan dalam
bidang fotometri dan radiometri adalah :
Ada banyak sumber cahaya buatan seperti lampu
pijar, lampu fuorescent, lampu gas discharge
(Xenon, Merkuri, dll), namun konsentrasi kita pada
sumber cahaya yang dihasilkan dari bahan
semikonduktor, seperti LED. Tujuan dari peraga
elektronik adalah untuk mengimplemen informasi
visual dari peralatan menggunakan devais yang
memancarkan cahaya maupun termodulasi oleh
cahaya, termasuk pada lampu pijar, lampu gas
discharge (tabung Nixie), LCD dan LED.
Masing-masing peraga tadi berbeda dalam hal
kemampuannya dan kebutuhannya, seperti warna
dan kecerahannya, disipasi daya, ukuran,
tegangan dan arus yang diperlukan dan
pengaruhnya terhadap lingkungan (seperti suhu,
getaran, dll).
Dominasi elektronika digital menyebabkan alat
peraga juga bergeser ke alat-alat peraga
kompatibel digital, seperti pada LED, peraga 7segmen, peraga 4x7-segmen dan peraga 5x7segmen, termasuk LCD.
LED
LED = light emitting diode adalah sebuah dioda
yang dapat memancarkan cahaya jika mendapat
bias maju. Karakteristik LED mirip dengan dioda pn. LED ini sibuat dengan berbagai macam panjang
gelombang sehingga dapat dibedakan dari
warnanya, umumnya adalah warna merah (~ 650
nm), hijau (~550 nm) dan kuning (~600 nm).
Disamping ada LED yang memancarkan cahaya
infra merah (~950 nm) yang biasanya dipakai
sebagai sumber cahaya pada sistem sensor,
sedangkan LED cahaya tampak dipakai untuk
indikator, peraga dalam instrumen digital, dll.
Proses pembentukan pasangan elektron-hole
bersifat reversibel, energi cahaya dipancarkan
pada saat terjadi rekombinasi elektron-hole. Pada
Si dan Ge umumnya rekombinasi terjadi pada
cacat kristal, namun kadang-kadang dapat juga
sebuah elektron langsung terjatuh ke hole sambil
memancarkan energi cahaya, keadaan ini lebih
banyak terjadi pada GaAs. Pada kondisi khusus
cahaya yang dipancarkan bersifat koheren, dan
devais ini dikenal sebagai laser semikonduktor.
Ada beberapa keunggulan penggunaan LED
dibandingkan dengan lampu pijar untuk sistem
elektronika, seperti:
1. LED beroperasi pada tegangan rendah dan
kompatibel dengan level tegangan logika TTL 5
volt, disamping juga butuh konsumsi daya yang
rendah sekitar ~ 20 - 30 mW.
2. berumur panjang, MTBF ~ 100.000 jam
3. konstruksi
semikonduktor
lebih
andal
dibandingkan dengan konstruksi filamen yang
mudah pecah.
4. ukurannya kecil.
5. murah
6. emisi LED hampir monokromatis dan tersedia
dalam beberapawarna.
7. dapat diberi pulsa pada frekuensi tinggi
Untuk pemasangan LED perlu dibatasi arus maju
yang lewat pada LED tsb, umumnya hambatan
pembatas sekitar 200 Ω. Untuk menghitung
hambatan pembatas perlu diketahui karakteristik
I-V dari LED yang dipakai. Sebagai contoh LED
warna merah dari GaAsP, arus maju minimum
agar cahaya dari LED tsb tampak pada ruangan
normal (diterangi dengan lampu) sekitar ~ 20 mA,
tegangan jatuh pada LED pada saat IF = 20 mA
adalah VF = 1,6 volt (perlu di-check dari data
sheet LED ybs). Maka hambatan pembatasnya
adalah: (dengan tegangan supply = 5 volt)
Selanjutnya untuk mengemudikan LED dari rangkaian
logika perlu juga diberi hambatan pembatas, hal ini
karena pada gerbang TTL standar dapat menerima (sink)
arus hingga 16 mA (yaitu IOL), sedangkan TTL standar
hanya dapat menyalurkan (source) arus hingga 1 mA.
Kondisi ini tidak cukup terang untuk sebagian besr
aplikasi LED. Kesulitan ini dapat diatasi dengan gerbang
yang dapat di-pull-up dengan sebuah hambatan, seperti
gerbang 7410, seperti ditunjukkan pada rangkaian berikut
ini.
Gambar 2, LED dikendalikan oleh gerbang NAND
Peraga numerik biasanya menggunakan sistem 7segmen, sedangkan untuk peraga alfanumerik biasanya
menggunakan matrik titik 5 x 7 atau LCD. Peraga 7segmen merpakan peraga yang paling umum dijumpai
untuk peraga numerik karena menggunakan IC standar
dan cukup sederhana untuk mengendalikannya,
misalnya untuk menampilkan angka 2 perlu memberikan
bias maju pada segmen a, b, g, e, d.
Untuk memperagakan pada peraga 7-segmen perlu
decoder, umumnya yang tersedia adalah decoder BCD
ke 7-segmen, sehingga format data input berupa format
BCD. Disamping decoder perlu driver untuk memberikan
arus ke peraga minimum ~ 10 mA agar dapat
menyalakan 7-segmen. Decoder dan driver tersedia
dalam satu chip IC, seperti 7447. IC 7447 digunakan
untuk
peraga
dengan
tipe
anoda
bersama.
Rangkaiannya ditunjukkan pada Gambar 3.
Gambar 3, Rangkaian peraga 7-segmen
Untuk memperagakan bilangan besar misalnya ada 4
atau lebih digit biasanya dipergunakan teknik multiplek.
Dengan teknik ini hanya menggunakan satu buah
decoder/driver yang dipakai untuk men-decodenilai BCD
ke peraga 7-segmen dengan menyalakan masingmasing peraga secara bergantian. Jika pergantian
peraga tsb terjadi > 100 Hz, mata kita tidak akan
merasakan berkedipnya peraga tsb. Keuntungan dari
rangkaian ini adalah koneksi pengkawatan kawat jauh
lebih sedikit disamping jumlah komponennya juga lebih
sedikit, septi ditunjukkan pada gambar berikut.
Keuntungan dari rangkaian ini adalah koneksi
pengkawatan kawat jauh lebih sedikit disamping jumlah
komponennya juga lebih sedikit, serpti ditunjukkan pada
gambar berikut.
Gambar 4, Rangkaian peraga BCD 4-digit
Dekoder 74156 tidak mampu men-drive peraga 7segmen sehingga diperlukan driver dari transistor,
sedangkan data input ke dekoder 7447 setiap saat diperbarui sesuai dengan frekuensi clock. Dari gambar tsb
tiap peraga menyala ¼ perioda scan.
Sensor Cahaya
Devais ini bekerja berdasarkan perubahan karakteristik
listrik pada saat energi cahaya mengenai devais tsb
sehingga kondutivitas devais berubah. Ada beberap
devais sensor cahaya diantaranya: fotoresistor,
fotodioda, fototransistor, fotodarlington, fototiristor.
Fotoresistor
Fotoresistor atau LDR (light dependent resistor)
umumnya terbuat dari CdS (Cadmium Sulfida) yang
memiliki hambatan besar (~ 10 MΩ) bila tak terkena
cahaya, sebaliknya jika ada cahaya yang mengenai CdS
hambatannya akan berkurang (~30 - 300 Ω). Pada saat
bahan itu tidak terkena cahaya, konsentrasi pembawa
muatan bebas redah, sehingga hambatannya tinggi,
sebaliknya jika ada cahaya mengenai bahan tsb maka
akan terbentuk pembawa muatan bebas (efek
fotoresistivitas) dan konsentrasinya bertambah sehingga
hambatannya berkurang sesuai dengan intensitas
cahaya. Sensitivitas cahaya bergantung pada panjang
gelombang, sensitivitas maksimum sekitar 680 nm
(cahaya merah). Rentang panjang gelombang yang
dapat mengubah hambatan fotoresistor sekitar 400 nm
hingga 800 nm. Di luar rentang ini fotoresitor(LDR) tak
dapat berfungsi. Umumnya fotoresistor dihubungkan seri
dengan hambatan sehingga membentuk rangkaian
pembagi tegangan, seperti ditunjukkan pada gambar
berikut.
Gambar 5, Ilustrasi penggunaan fotocel CdS
Fotodioda
Fotodioda bekerja mirip dengan dioda Zener yaitu pada
bias mundur. Pada saat cahaya dengan panjang
gelombang yang sesuai mengenai fotodioda, maka akan
ada arus yang mengalir. Sehingga energi cahaya
dipergunakan untuk menghasilkan pacsangan elektronhole didekat hubungan. Arus tsb kira-kira sebanding
dengan intensitas total cahaya datang. Perbandingan arus
pada saat dikenai cahaya dengan pada saat tidak ada
cahaya ternyata cukup besar. Karakteristik ini diperlukan
sebagai transducer cahaya. Umumnya fotodioda terbuat
dari silikon dengan waktu reaksi ~ 1ns. Selanjutnya
fotodioda juga dipergunakan untuk mengkonversi energi
solar menjadi energi listrik. Karakteristik
utama dari fotodioda adalah:
 Tanggapan spektral, (dinyatakan dalam %), untuk
fotodioda Silikon tanggapan maksimum pada
panjang gelombang sekitar 800 nm.
 Arus gelap adalah arus mundur fotodioda pada saat
tak ada cahaya. Arus gelap ini bergantung pada
suhu, biasanya arus gelap ini cukup besar
dibandingkan dengan dioda hubungan (arus mundur)
dalam orde nA atau μA tergantung pada luas
permukaan devais.
 Effisiensi kuantum yaitu perbandingan jumlah
pasangan hole elektron yang terjadi secara optis
dengan jumlah foton datang. Effisiensi ini lebih besar
dari 90 % pada panjang gelombang puncak.
Tanggapan fotodioda lebih cepat dibandingkan
dengan fotoresistor. Fotodioda dapat mengikuti pulsa
cahaya dengan frekuensi tinggi dalam orde MHz,
sehingga cocok untuk applikasi transmisi data
dengan serat optis.
Fototransistor
Secara fisik fototransistor mirip dengan transistor
konvensional, hanya permukaan atas dapat dikenai
cahaya yang dilengkapi dengan lensa, disamping itu
ada beberapa tipe fototransistor kaki basisnya tidak
ada (sehingga hanya ada 2 kaki), sedang ada
beberapa tipe mirip seperti BJT. Cara kerja
fototransistor mirip dengan transistor BJT, hanya
fotodioda
yang ada diantara basis-kolektor
dipergunakan sebagai sumber arus. Hal ini berarti
bahwa arus yang timbul pada basis-kolektor
diperkuat sebesar hfe termasuk arus bocornya.
Hal ini dapat dikurangi dengan cara memberikan bias
seperti ditunjukkan pada Gambar 6.
Gambar 6. Contoh rangkaian dengan fototransistor
untuk mendeteksi cahaya lemah.
Sedangkan
fotodarlington
juga
mirip
dengan
fototransistor, hanya peguatan arusnya besar sekali
mirip rangkaian Darlington. Sebaliknya fototiristor juga
mirip dengan tiristor pnpn hanya pada kolektornya
diperluas sehingga memungkinkan terpicu oleh
intensitas cahaya datang. Disamping sensor-sensor
cahaya di atas, ada komponen optoelektronik lain yang
dikemas jadi satu antara pemancar dan penerima
cahaya, misalnya optokopler. Optokopler berfungsi
mengisolasi listrik dari dua rangkaian listrik yang
berbeda.
Optokopler
Optokopler seringkali dikenal sebagai optically coupled
isolator (OCI) terdiri atas sebuah devais pemancar
cahaya (biasanya IRED) dan sebuah fotodetektor
(biasanya fototransistor, light-sensitive SCR (LASCR),
atau sel fotokonduktif). Antara pemancar dan penerima
tidak ada hubungan listrik dan keduanya diisolasi dengan
bahan transparan.
Relay elektromekanis dapat juga dipergunakan untuk
mengisolasi tegangan DC namun tanggapannya lambat,
sedangkan pada optokopler dapat dikurangi hingga
waktu switchingnya kurang dari 10 μs. Trafo juga dapat
mengisolasi tegangan DC namun jauh lebih berat dan
lebih besar disamping itu ada pengaruh beban dengan
sumber (dikenal sebagai pembebanan pantulan /reflected
loading). Sedangkan pada optokopler pada sisi beban
sangat terisolasi dengan sumber. Karena keunggulankeunggulan tsb dipergunakan pada:
1. Penerima data bersifat optis, terutama jika
transducer jauh dari rangkaian sehingga ada beda
potensial antar kedua terminal ground.
2. Aplikasi medis, seperti pada ECG
3. Relay terisolasi secara optis
Sensor optokopler tidak dapat berdiri sendiri maka
dibutuhkan suatu rangkaian agar sensor tersebut dapat
terbaca secara low (0) atau high (1) oleh sistem pada
komputer atau mikrokontroler.
Gambar 6. Contoh rangkaian dengan optokopler
Gambar 7. Rangkaian Sensor Kecepatan
Soal-soal latihan
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
Jelaskan istilah-istilah plant, sistem, gain, lintasan,
loop dan fungsi alih dalam sistem pengendalian!
Apa yang dimaksud sistem pengendalian umpan
balik!
Jelaskan keuntungan dan kerugian untuk sistem
kendali jerat terbuka!
Sebutkan keunggulan dan kekurangan untuk sistem
kendali jerat terbutup!
Berikan contoh dan penjelasan mengenai sistem
pengendalian manual!
Berikan contoh dan penjelasan tentang sistem
pengendalian otomatis!
Jelaskan pengertian variabel terkendali!
Terangkan pengertian variabel terukur dan variabel
termanipulasi!
Gambarkan diagram blok sistem pengendalian arah
otomobil dan jelaskan!
Terangkan mekanisme apa saja yang memiliki
kesamaan diagram blok sistem kendali dengan
gambar berikut!
Tugas ini dikumpulkan minggu depan pada
tanggal 1 April 2010.