Final Project Report

 BAB II
LANDASAN TEORI
2.1
Sistem Kendali
Sistem
kendali
adalah
suatu
sistem
yang
bertujuan
untuk
mengendalikan suatu proses agar output yang dihasilkan dapat dikontrol.
Secara umum, sistem kendali dapat dibedakan menjadi dua jenis, yaitu:
1. Open Loop Control System
Open loop control system adalah sistem kendali yang outputnya tidak
memperngaruhi input. Atau dengan kata lain output tidak dapat digunakan
sebagai perbandingan umpan balik dengan inputnya. Gambar II.1
memperlihatkan blok diagram dari Open Loop Control System.
Gambar II. 1 Open Loop Control System [2]
2. Close Loop Control System
Close loop control system seringkali disebut sistem kendali umpan
balik. Pada sistem kendali ini, sinyal eror yang bekerja, yaitu perbedaan
antara sinyal input dan sinyal umpan balik yang diinputkan ke kontroler dan
membawa output sistem ke nilai yang dikehendaki. Gambar II.2
memperlihatkan blok diagram Close Loop Control System.
Gambar II. 2 Close Loop Control System [2]
II-4
II-5
2.2
Sistem Autopilot
Autopilot (automatic pilot) adalah sebuah sistem kendali otomatis
yang menjalankan pesawat pada attitude (sikap) yang diinginkan dan
mengembalikannya pada kondisi semula. Tujuan utama sistem autopilot
adalah untuk mengurangi beban kerja dan mempermudah pilot pada saat
mengemudikan pesawat terbang dalam waktu yang lama, khususnya pada
saat terbang jelajah (cruising flight). Autopilot memungkinkan pilot untuk
menerbangkan pesawat dengan pengoperasian manual yang sangat minim
karena pada sistem autopilot, pilot dapat mengendalikan pesawat hanya
dengan menggerakan knob-knob pada pengendali autopilot.
Sistem autopilot dikelompokkan berdasarkan jumlah sumbu gerak
pesawat yang akan dikendalikannya, diantaranya adalah sebagai berikut.
1. Autopilot satu sumbu(single-axis), yaitu sumbu longitudinal,
2. Autopilot dua sumbu (two-axis), yaitu sumbu longitudinal dan lateral,
3. Autopilot tiga sumbu (three-axis), yaitu sumbu longitudinal,
lateral dan vertikal (lihat pada Gambar II.3).
Gambar II. 3
Sumbu Kendali Pesawat Terbang [3]
II-6
Dalam pengopersian autopilot sederhana, terdapat komponen-
komponen dasar seperti yang ditunjukkan sistem kendali rudder pada Gambar
II.4. Hal ini juga berlaku untuk sistem kendali yang lain yaitu kendali aileron
dan kendali elevator. Komponen-komponen tersebut adalah sebagai berikut.
1. Command element, merupakan suatu alat dimana pilot dapat
memberikan perintah ke sistem autopilot. Gambar II.5 merupakan
salah satu jenis command element pada pesawat. Alat ini terletak
didalam cockpit dan terdapat tombol-tombol (knob). Pilot dapat
memindahkan tombol pitch atau turn untuk memasok perintah secara
manual ke autopilot untuk mengubah sikap pitch atau turn.
2. Sensing element, merupakan alat yang digunakan untuk mendeteksi
perubahan sikap pesawat. Alat yang digunakan adalah directional
gyro untuk mendeteksi perubahan terhadap sumbu vertikal, atau
horizontal gyro untuk mendeteksi perubahan terhadap sumbu
longitudinal dan lateral.
3. Komputer atau Amplifier, komponen ini membandingkan sinyal
perintah dan sinyal dari sensor yang kemudian akan menghasilkan
sinyal eror untuk mengendalikan servo.
4. Output element alat ini digunakan untuk menerima sinyal dari
komputer dan memasok gaya-gaya yang penting untuk memindahkan
bidang kendali terbang. Pada umumnya output element yang
digunakan pada pesawat adalah servo. Dewasa ini servo yang
berkembang adalah servo listrik, maupun servo elektro-pneumatik,
dan elektro-hidrolik.
Komponen-komponen dasar sistem autopilot ditunjukkan lebih detail
pada Gambar II.6.
II-7
Gambar II. 4 Prinsip Dasar Sistem Autopilot
[3]
Gambar II. 5 Autopilot Controller yang Umum [3]
2.3
Komponen Elektronika
2.3.1 Resistor
Resistor merupakan suatu komponen yang berguna untuk menghambat
arus listrik. Resistor dapat diaplikasikan untuk mengontrol arus dan tegangan
yang bekerja dalam suatu rangkaian elektronik. Selain itu, resistor juga dapat
berperan sebagai beban pengganti yang mensimulasikan keberadaan suatu
rangkaian selama pengujian. Resistor dapat diklasifikasikan menjadi resistor
tetap dan resistor variabel.
II-8
Gambar II. 6 Komponen Dasar Sistem Autopilot [3]
Spesifikasi–spesifikasi untuk suatu resistor umumnya meliputi nilai
resistansi (dinyatakan dalam ohm [Ω], kilo ohm [k Ω], atau mega ohm [M
Ω]), nilai toleransi dan rating daya (daya disipasi maksimum pada resistor
tersebut). Resisistor diberi lambang R dengan simbol seperti yang
ditunjukkan pada Gambar II.7.
Salah satu resistor tetap, yaitu resistor karbon yang mempunyai
spesifikasi yang ditandai dengan kode-kode warna untuk menunjukkan nilai
dan toleransinya. Ada dua metoda pengkodean warna yang umumnya
II-9
digunakan. Yang pertama adalah dengan menggunakan empat cincin
berwarna (lihat Gambar II.9) sementara yang kedua menggunakan lima cincin
warna (lihat Gambar II.10).
Gambar II. 7 Simbol Resistor [8]
Gambar II. 8 Bentuk Resistor [9]
Sebagai contoh, pada Gambar II.8 diperlihatkan sebuah resistor lima
cincin.
a) Cincin pertama berwarna kuning = 4
b) Cincin ke-dua berwarna kuning = 4
c) Cincin ke-tiga berwarna putih = 9
d) Cincin ke-empat berwarna hitam = 100= 1
e) Cincin ke-lima berwarna coklat= ± 20%
Dengan demikian dapat diketahui besar resistansinya adalah 449Ω ±
20%. Sedangkan 20% x 449 Ω= 89,8 Ω. Artinya nilai resistansi
II-10
maksimumnya adalah 449 Ω+89,9 Ω= 538,9 Ω. Sedangkan nilai resistansi
minimumnya adalah 449 Ω – 89,9 = 359,1 Ω.
Gambar II. 9
Gambar II. 10
Kode-Kode Warna Resistor
Empat Cincin [1]
Kode-Kode Warna Resistor
Lima Cincin [1]
II-11
Gambar II. 11
Resistor Seri: (a) Dua
Resistor Seri (b) Tiga Resistor
Seri [1]
Resistansi total dari setiap rangkaian seri yang diperlihatkan Gambar
II.11 adalah jumlah dari resistansi-resistansinya. Sehingga, rumus untuk
Gambar II.11(a):
(1)
Sementara untuk Gambar II.11(b):
(2)
Gambar II. 12
Resistor Paralel: (a)
Resistor Paralel (b)
Resistor Paralel [1]
Dua
Tiga
II-12
Berbeda dengan resistor paralel seperti yang diperlihatkan dalam
Gambar II.12. Maka, rumus untuk Gambar II.12 (a) adalah:
(3)
atau
(4)
Sementara untuk Gambar II.12 (b) adalah:
(5)
Resistor Variabel
Resistor variabel adalah resistor yang nilai resistansinya dapat diubah.
Sebuah penggeser yang dapat bergerak, melakukan kontak dengan elemen
resistansinya (lihat Gambar II.13). Simbol resistor variabel ditunjukkan pada
Gambar II.14. Kebanyakan resistor variabel memiliki tiga terminal. Beberapa
jenis resistor varibel yang umum ditemukan dipasaran adalah potensiometer
dan trimpot. Perbedaannya hanya terlihat pada penggesernya. Jika
potensiometer dapat digeserkan dengan cara memutarnya secara langsung,
maka trimpot hanya dapat digeserkan dengan alat bantu obeng. Lihat Gambar
II.15 dan Gambar II.16.
Gambar II. 13
Konstruksi Sebuah
Potensiometer [1]
II-13
Gambar II. 14
Simbol Resistor Variabel [9]
Gambar II. 15
Gambar II. 16
Trimpot yang Umum [10]
Potensiometer yang Umum [9]
2.3.2 Kapasitor
Kapasitor adalah perangkat yang bersifat dapat menyimpan muatan
listrik. Oleh karena itu, kapasitor dapat digunakan sebagai tempat
penampungan (reservoir) di mana muatan dapat disimpan dan kemudian
diambil kembali. Aplikasi-aplikasi yang umum meliputi rangkaian-rangkaian
filter, pengganda tegangan, dan lain-lain.
Muatan atau kuantitas listrik yang dapat disimpan di dalam medan
listrik antara pelat-pelat kapasitor akan sebanding dengan tegangan yang
diberikan dan sebanding dengan kapasitansi dan kapasitor. Maka:
II-14
(6)
di mana
farad) dan
adalah muatan (dalam Coulomb),
adalah kapasitansi (dalam
adalah beda potensial (dalam volt). Gambar II.17 menunjukkan
simbol kapasitor, sedangkan Gambar II.18 menunjukkan kapasitor yang
umum digunakan.
Gambar II. 17 Simbol Kapasitor [11]
Gambar II. 18 Kapasitor yang Umum [12]
Spesifikasi-spesifikasi pada kapasitor adalah nilai kapasitansi dan
tegangan maksimum. Contoh: 100 μF/16V, artinya nilai kapasitansinya 100
μF dan tegangan kerja DC maksimum adalah 16 V. Untuk mendapatkan suatu
nilai kapasistansi tertentu, kapasitor-kapasitor dapat disusun dalam bentuk
seri maupun paralel (lihat Gambar II.19 dan Gambar II.20).
II-15
Gambar II. 19
Kapasitor Seri: (a) Dua
Kapasitor Seri; (b) Tiga
Kapasitor Seri [1]
Untuk Gambar II.19 (a) adalah:
(7)
atau
(8)
Sementara untuk Gambar II.19 (b) adalah:
(9)
Untuk susunan kapasitor yang paralel, kapasitansi dari rangkaiannya
adalah jumlah dari kapasitansi-kapasitansinya.
Gambar II. 20
Kapasitor Paralel: (a) Dua
Kapasitor Paralel; (b) Tiga
Kapasitor Paralel [1]
II-16
Untuk Gambar II.20 (a) adalah:
(10)
Sementara untuk Gambar II.20 (b) adalah:
(11)
2.3.3 Dioda
Ketika suatu sambungan dibentuk dari bahan semikonduktor tipe-N
dan tipe-P, perangkat yang dihasilkan itu disebut dioda. Kaki dioda di sisi
tipe-P disebut Anoda, dan di sisi tipe-N disebut Katoda. Sebuah dioda akan
melewatkan arus pada satu arah ketika tegangan Anoda lebih positif dari
tegangan Katoda (forward bias). Tetapi apabila tegangan Katoda lebih positif
dari tegangan Anoda (reverse bias), maka arus tidak akan mengalir. Bila
dioda dalam keadaan forward bias maka akan terdapat tegangan jatuh pada
kaki Anoda-Katode sebesar 0,6-0,7 Volt untuk dioda berbahan silikon dan
0,3-0,4 Volt untuk yang berbahan Germanium.
Parameter dioda yang terpenting adalah arus maksimal yang dapat
lewat pada dioda tersebut dan Peak Inverse Voltage (PIV). PIV adalah
tegangan balik maksimum yang dapat diberikan pada dioda tersebut dan bila
nilai dari PIV ini terlampaui, maka dioda akan rusak. Contoh, sebuah dioda
mempunyai spesifikasi 1A/100V, maka arus maju maksimum sebesar 1 A dan
PIV sebesar 100 V. Gambar II.21 menunjukkan bentuk dioda yang umum
digunakan. Sedangkan Gambar II.22 menunjukkan simbol dioda.
2.3.4 Transistor
Transistor adalah kependekan dari transfer resistor (resistor transfer).
Arus yang mengalir pada rangkaian output ditentukan oleh arus yang
mengalir pada rangkaian input. Transistor digolongkan ke dalam dua kategori
(bipolar dan efek-medan), dikelompokkan menurut bahan semikonduktor
yang digunakan (silikon atau germanium), dan menurut bidang aplikasinya
II-17
(misalnya pensaklaran, frekuensi tinggi, dll). Gambar II.23 menunjukkan
simbol transistor NPN dan PNP.
Gambar II. 21
Bentuk Dioda yang Umum
Digunakan [1]
Gambar II. 22
Gambar II. 23
Simbol Dioda
Simbol Transistor [13]
Transistor bipolar umumnya terbentuk dari sambungan NPN atau PNP
dengan bahan silikon (Si) atau germanium (Ge) (lihat Gambar II.24 dan
Gambar II.25). Transistor-transistor silikon lebih unggul dibandingkan
dengan transistor-transistor germanium untuk sebagian besar aplikasi
(terutama pada suhu tinggi), oleh karena itu, perangkat germanium sangat
jarang ditemukan.
II-18
Gambar II. 24
Konstruksi Resistor NPN [1]
Gambar II. 25
Konstruksi Transistor PNP [1]
Gambar II.26 dan Gambar II.27 memperlihatkan tegangan bias-normal
yang diberikan kepada transistor NPN dan PNP. Pada transistor NPN,
sambungan basis-emitor diberikan bias maju dan sambungan basis-kolektor
diberi bias mundur. Namun, karena daerah basis dibuat sangat sempit
sehingga pembawa-pembawa muatan dapat menyeberanginya dari emitor
menuju kolektor dan hanya arus yang relatif kecil mengalir dalam basis. Arus
yang mengalir pada rangkaian emitor umumnyanya adalah 100 kali lebih
besar dari arus yang mengalir pada basis. Untuk transistor PNP, keadaan
diatas harus dibalik. Persamaan yang menghubungkan arus yang mengalir
pada kolektor, basis, dan emitor adalah:
(12)
di mana
adalah arus emitor,
adalah arus basis, dan
kolektor (semuanya dinyatakan dalam satuan yang sama).
adalah arus
II-19
Gambar II. 26
Tegangan dan Arus Bias Mengalir
dalam Transistor NPN [1]
Gambar II. 27
Tegangan dan Arus Bias Mengalir
dalam Transistor PNP [1]
Salah satu variable yang terpenting pada transistor adalah faktor
penguatan arus yang dikenal dengan simbol β. Dimana β adalah perbandingan
antara arus kolektor dan arus basis (β=IC/IB). Gambar II.28 merupakan contoh
bentuk-bentuk transistor.
Gambar II. 28
Beberapa Kemasan Transistor
yang Umum Digunakan [1]
II-20
2.3.5 Transformator
Transformator (trafo) adalah alat yang digunakan untuk menaikkan
atau menurunkan tegangan bolak-balik (AC). Transformator terdiri dari 3
komponen pokok yaitu: kumparan pertama (primer) yang bertindak sebagai
input, kumparan kedua (sekunder) yang bertindak sebagai output, dan inti
besi yang berfungsi sebagai rangkaian magnet. Transformator (trafo)
digunakan pada peralatan listrik terutama yang memerlukan perubahan atau
penyesuaian besarnya tegangan bolak-balik. Gambar II.29 menunjukkan
bagian-bagian trafo, sedangkan Gambar II.30 menunjukkan simbol trafo.
Prinsip kerja dari sebuah transformator adalah ketika kumparan primer
dihubungkan dengan sumber tegangan bolak-balik, perubahan arus listrik
pada kumparan primer menimbulkan perubahan medan magnet. Perubahan
medan magnet tersebut dihantarkan oleh inti besi ke kumparan sekunder,
sehingga pada ujung kumparan sekunder akan timbul ggl induksi. Efek ini
dinamakan induktansi bersama (mutual inductance).
Gambar II. 29
Bagian-Bagian Trafo [4]
Gambar II. 30
Simbol Trafo [4]
Berdasarkan perbandingan antara jumlah lilitan primer dan jumlah
lilitan skunder transformator ada dua jenis yaitu:
II-21
a) Transformator step up yaitu transformator yang mengubah
tegangan
AC rendah menjadi tegangan AC yang lebih
tinggi, transformator ini mempunyai jumlah lilitan kumparan
sekunder lebih banyak daripada jumlah lilitan primer (Ns >
Np).
b) Transformator step
down yaitu
transformator
yang
mengubah tegangan AC tinggi menjadi tegangan AC rendah,
transformator ini mempunyai jumlah lilitan kumparan primer
lebih banyak daripada jumlah lilitan sekunder (Np > Ns).
2.3.6 Motor DC
Motor DC merupakan jenis motor yang menggunakan tegangan searah
sebagai sumber tenaganya. Dengan memberikan beda tegangan pada kedua
terminalnya, motor akan berputar pada satu arah, dan bila polaritas dari
tegangan tersebut dibalik maka arah putaran motor akan terbalik pula.
Polaritas dari tegangan yang diberikan pada dua terminal menentukan
kecepatan motor.
Gaya elektromagnetik pada motor DC timbul ketika adanya arus yang
mengalir pada penghantar yang berada dalam medan magnet. Medan magnet
itu sendiri ditimbulkan oleh magnet permanen. Garis-garis gaya magnet
mengalir diantara dua kutub magnet dari kutub utara ke kutub selatan.
Menurut hukum gaya Lourentz, arus yang mengalir pada penghantar yang
terletak dalam medan magnet akan menimbulkan gaya. Gaya F, timbul
tergantung pada arah arus I, dan arah medan magnet B. Arah gaya F dapat
ditentukan dengan kaidah tangan kiri seperti pada Gambar II.31. Gambar
II.32 menunjukkan contoh motor DC yang umum digunakan.
2.4
Rangkaian Terpadu (IC)
Rangkaian terpadu (Integrated Circuit) adalah rangkaian kompleks
yang terdiri dari beberapa komponen aktif dan pasif pada sebuah irisan kecil
II-22
silikon yang mempunyai fungsi tertentu, contohnya IC yang berfungsi sebagai
voltage regulator, voltage comparator dll. Gambar II.33 menunjukkan
beberapa bentuk IC yang umum digunakan.
Gambar II. 31
Kaidah Tangan Kiri [5]
Gambar II. 32
Contoh Motor DC yang Umum [5]
Gambar II. 33
Beberapa
Kemasan
Rangkaian
Terpadu yang Umum Dipasaran [1]
II-23
2.4.1 Voltage regulator
Voltage regulator merupakan salah satu jenis IC yang dapat digunakan
untuk menjaga agar nilai tegangan output konstan akibat perubahan tegangan
input maupun beban output. Oleh karena itu biasanya pada rangkaian power
supply, IC voltage regulator ini selalu dipakai untuk menstabilkan tegangan
output. Gambar II.34 menunjukkan susunan kaku IC voltage regulator.
Gambar II. 34
Susunan Kaki IC Voltage
Regulator [14]
2.4.2 Operational Amplifier
Penguat operasional atau yang biasa disebut op-amp merupakan suatu
jenis penguat elektronika dengan dua masukan dan satu keluaran dengan DC
coupling dan memiliki voltage gain sangat besar, dimana nilai penguatannya
ditentukan oleh komponen-komponen pendukungnya.
Penguat operasional adalah perangkat yang sangat efisien dan serba
guna. Contoh penggunaan penguat operasional adalah untuk operasi
matematika sederhana seperti penjumlahan dan pengurangan terhadap
tegangan listrik input hingga dikembangkan kepada penggunaan aplikatif
seperti komparator dan osilator dengan distorsi rendah. Beberapa aplikasi
sirkuit yang umum:
1. Komparator (pembanding)
2. Penguat pembalik phasa
3. Penguat non-pembalik phasa
II-24
4. Penguat diferensial
5. Penguat penjumlah
6. Integrator
7. Diferensiator, dll
Penguat diferensial digunakan untuk mencari selisih dari dua tegangan
input yang kemudian dikalikan dengan konstanta tertentu yang ditentukan
oleh nilai resistansi yaitu AV =
. Pada rangkaian Gambar II.35, apabila
maka penguat tegangan diferensialnya adalah:
dan
(13)
2.4.3 Timer 555
Timer 555 merupakan salah satu IC yang sering digunakan pada
berbagai aplikasi seperti hiasan lampu LED, timer counter, clock generator
dll. IC ini memiliki 8 pin, dimana setiap pin memiliki fungsi tertentu. Gambar
II.36 memperlihatkan gambar dari pin IC Timer 555 ini.
Gambar II. 35
Rangkaian Op-amp (Aplikasi:
Penguat Diferensial) [6]
II-25
Gambar II. 36
Gambar Pin IC Timer 555 [15]
Definisi dan fungsi masing-masing pin:
1. Ground, adalah pin input dari sumber tegangan DC paling negatif.
2. Trigger, adalah input negatif dari lower comparator.
3. Output, pin ini merupakan pin output untuk dihubungan ke
rangkaian selanjutnya.
4. Reset, adalah pin yang berfungsi untuk me-reset Flip-flop.
5. Control voltage, pin ini berfungsi untuk mengatur kestabilan
tegangan referensi input negatif upper comparator.
6. Threshold, pin ini terhubung ke input positif upper comparator yang
akan me-reset flip-flop ketika tegangan pada kapasitor mulai
melebihi 2/3 Vcc.
7. Discharge, pin ini terhubung ke collector transistor Q1 yang
emiternya terhubung ke ground.
8. Vcc, pin ini untuk menerima supply DC voltage positif yang
diberikan.
II-26
Blok Diagram IC Timer 555
Gambar II. 37
Blok Diagram Timer 555 [16]
Prinsip kerja IC Timer 555 adalah sebagai berikut. (Lihat Gambar
II.37)
1. IC ini terdiri dari rangakaian pembagi tegangan, lower dan upper
comparator, flip-flop, output state, discharge transistor, dan reset
circuit.
2. Pembagi tegangan terdiri dari 3 resistor sama besar sehingga input
positif lower comparator adalah 1/3 Vcc dan input negative upper
comparator adalah 2/3 Vcc.
3. Output dari lower dan upper comparator mengontrol flip-flop yang
tersambung ke output stage yang berfungsi sebagai penguat arus
outputnya.
4. Discharge transistor berfungsi untuk membuang muatan kapasitor
eksternal.
5. Reset circuit, apabila basis transistor ini diberi tegangan 0 V maka
RS flip-flop akan reset.
II-27
Ada dua macam rangkaian dasar yang sering digunakan untuk
mengaplikasikan IC Timer 555 ini, yaitu rangkaian monostable dan rangkaian
astable multivibrator.
Rangkaian Monostable Multivibrator
Gambar II. 38
Rangkaian Monostable Multivibrator [7]
Prinsip kerja monostable multivibrator adalah sebagai berikut. (lihat
Gambar II.38)
1. Ketika trigger input diberi pulsa sebesar 0 V, maka lower
comparator mendeteksi input ini dan menge-set keadaan flip-flop,
pada saat itu, keadaan output berada dalam keadaan low.
2. Ketika Vtrigger kurang dari 1/3 Vcc, maka lower comparator
memerintahkan output flip-flop untuk bertegangan mendekati Vcc
dan menyebabkan sinyal output high.
3. Pada saat itu, kapasitor C1 terisi merata melalui resistor R1.
4. Lama kelamaan, kapasitor C1 akan penuh, dan ketika tegangannya
mencapai 2/3 Vcc, maka discharging transistor aktif sehingga
muatan pada kapasitor akan terbuang.
5. Ketika basis transistor reset circuit diberi tegangan 0 V, maka flipflop akan mereset, yang menyebabkan sinyal output kembali low.
Lamanya pulsa tunggal yang dihasilkan adalah:
II-28
(14)
Rangkaian Astable Multivibrator
kerja monostable multivibrator. Namun, pada astable, pin-2 dan pin-6
disambungkan bersama pada sirkuit, yang menyebabkan timer ini dapat
mentriger dirinya sendiri pada setiap siklusnya. Lihat Gambar II.39.
Pada dasarnya prinsip kerja astable multivibrator, sama dengan prinsip
Ketika kapasitor C1 terisi, sinyal outputnya dipengaruhi oleh kedua
resistor R1 dan R2, namun ketika discharging hanya dipengaruhi oleh R2.
Sehingga duty cycle yang diperoleh adalah:
(15)
dimana duty cyle ini adalah perbandingan antara sinyal output high dan sinyal
output seluruhnya.
Dan besarnya frekuensi pada rangkaian astable adalah:
(16)
II-29
Gambar II. 39
Rangkaian Astable Multivibrator [7]