PENGANTAR MEKATRONIKA DAN PENERAPANYA By.AMIRIN Adopted from •Robert H.Bishop, 2006, Mechatronics_ an introduction,CRC press •Pengantar Mekatronika_Dik tat Kuliah, Teknik Mesin Univ.Widyagama Malang •Bahan ajar elektronika dasar,2007, ahmad fali oklilas, universitas Sriwijaya •Mechatronic systems_devi ces,design,contro l,operta.maint.,20 08, Clarence de silva,CRC Press,USA •Essential of Mechatronics,2006,John Billingsley, wiley & sons, •Otomasi system produksi, 2005, Laboratorium Sistem produksi ITB, Bandung •Mechatronics handbook ,2002, Robert H.Bishop, CRC Press, Washington DC •Electromecha nical_device & component,2007 , Brian S elliot, Mcgraw hill, USA •Role of Control in mechatronics,____, job van amerogen, Twente University press, Netherlands •Rangkaian digital, Ahmad Yanuar Syauki, PPBA-UMB •Teknologi Kontrol moder,___ ,Agus arif<__ •Teknik Produksi Mesin Industri Jilid 3,2008, wirawan sumbodo, DEPDIKNAS •Mechatronics_p rinciples and applications , ___,Godfrey Onwubolu, Elsevier •Modern Sensor handbook,2007, pavel ripka/alois tipek,ISTE, united states •Elektronik_ teori dasar dan penerapannya_jilid 1, 1986, ITB, Bandung Ab st rak si Dengan munculnya Integrated Circuit (IC) dan computer, batasan formal antara disiplin ilmu elektronika dengan mekanikal menjadi lebih cair dan semakin tak jelas, dan kebanyakan produk dipasaran dibuat saling ketergantungan pada komponen elektonika dan mekanikal, juga para insinyur elektronika/elektrikal menemukan dirimereka telah bekerja pada sebuah organisas/perusahaan yang melibatkanya pada kedua disipilin ilmu tersebut. System mekatronika tidak saja hanya memadukan electrical dengan system mekanikal dan lebih dari pada system control tetapi mekatronika adalah keterpaduan yang komplet dari semuanya"
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
• Pengantar Mekatronika_Diktat Kuliah, Teknik Mesin
Univ.Widyagama Malang
• Bahan ajar elektronika dasar,2007, ahmad fali oklilas,
universitas Sriwijaya
• Mechatronic
systems_devices,design,control,operta.maint.,2008, Clarence de
silva,CRC Press,USA
• Otomasi system produksi, 2005, Laboratorium Sistem produksi
ITB, Bandung
• Mechatronics handbook,2002, Robert H.Bishop, CRC Press,
Washington DC
• Electromechanical_device & component,2007, Brian S
elliot, Mcgraw hill, USA
• Role of Control in mechatronics,____, job van amerogen,
Twente University press, Netherlands
• Rangkaian digital, Ahmad Yanuar Syauki, PPBA-UMB
• Teknologi Kontrol moder,___,Agus arif<__
• Mechatronics_principles and applications, ___,Godfrey
Onwubolu, Elsevier
•
• Elektronik_ teori dasar dan penerapannya_jilid 1, 1986, ITB,
Bandung
Abstraksi
2.3.2.Komponen sistem pneumatik 12
BAB.III DASAR ELEKTRONIKA
3.4.5.9.Serba kecil 56
3.4.6.Kapasitor 59
4.1.3.Jenis sensor & tranduser 78
4.2.4.Termokopel 94
4.2.6.Infrared pyrometer 98
4.3.Sensor Mekanik 99
4.3.1.Sensor Posisi 99
7.1.Sistem Logika 203
7.1.1.Gerbang AND 203
7.1.3.Gerbang OR 204
7.1.4.Gerbang NOR 204
7.1.5.Gerbang XOR 205
7.1.6.Gerbang NOT 205
7.2.1.Sejarah PLC 205
7.2.3.2.AND dan NOT AND 208
7.2.3.3.OR dan NOT OR 208
7.2.3.4.OUT dan OUT NOT 209
7.2.3.5.AND LOAD 209
7.2.3.7.OR LOAD(ORLD) 210
7.2.13.Processor 215
7.2.14.2.Memori PLC 217
7.2.16.Cara pengoperasian SYSWIN 220
7.2.16.1.Pembuatan diagram ladder 220
Definisi mekatronika telah ditingkatkan sejak definisi asli yang
diperkenalkan oleh Yasakawa Electric Company pada tahun 1969,
Yasakawa mendefinisikan mekatronika dalam 2 definisi, sebagaimana
yang tercantum dalam dokumentasi trademark-nya yang menyebutkan
bahwa kata "Mechatronic adalah kombinasi dari kata "mecha" dari
Mechanism dan kata "tronic" dari electronics, dengan kata lain
teknologi dan pengembangan produk akan sinergi dengan penggunaan
elektronik dalam mekanikal yang saling terikat dan
terstruktur ". Definisi mekatronika selanjutnya ditingkatkan
setelah yasakawa menyarankan definisi asli. Orang seringkali
mengutip definisi mekatronika seperti yang telah di presentasikan
oleh Harashima, Tomizuka dan Fukuda di tahun 1996, dengan kata lain
definisi mekatronika adalah: "sinergisitas yang terpadu antar ilmu
mekanikal dengan elektronika, teknik pengatur & kontrol dalam
design, industri manufaktur serta proses produksi" . Dalam waktu
yang bersamaan definisi lainya muncul seperti yang dikenalkan oleh
Auslander dan Kemf yang mendefinisikan sbb: "
mekatronika adalah aplikasi yang kompleks dalam membuat keputusan
dalam operasi system mekanikal" kemudian definisi lain muncul
di tahun 1997 oleh shetty dan kolk yang menyebutkan bahwa "
m ekatronika adalah suatu metodologi yang digunakan untuk
mengoptimalkan design produk elektromekanikal", lebih lanjut kita
dapat juga menemukan defini yang diperkenalkan oleh W.Bolton
yaitu " system mekatronika tidak saja hanya memadukan electrical
dengan system mekanikal dan lebih dari pada system control tetapi
mekatronika adalah keterpaduan yang komplet dari semuanya", Buur
(1990) juga telah mendefinisikan-nya bahwa " Mekatronika
adalah teknologi yang mengkombinasikan mekanika dengan elektronik
dan teknologi informasi untuk membentuk interaksi fungsi dan
keterpaduan ruang dalam komponen, modul, dan system produksi"
.
Di Indonesia telah diadakan musyawarah Nasional Mekatronika pada
tanggal 28 juli 2008 di Bandung dan mendefinisikan "
mekatronika adalah sinergi IPTEK dari teknik mesin, teknik
elektronika, teknik informatika dan teknik pengaturan yang
bermanfaat untuk
Dasar Mekatronika dan penerapnya By AMIRIN FTUIA
1
merancang, membuat/memproduksi,mengoperasikan dan memlihara sebuah
system agar dicapai tujuan yang diinginkan." Mekatronika
telah menghasilkan banyak produk-produk baru dan membuat cara-cara
yang lebih jitu dalam memperbaiki effisiensi pada produk, juga
mekatronika banyak digunakan pada kehidupan sehari-hari kita. Saat
ini tidak ada keraguan tentang pentingnya mekatronika sebagi
disiplin ilmu dan sains, walau bagaimanapun mekatronika tidak mudah
dipahami seperti kelihatnya.munculnya pemahaman beberapa orang yang
berfikir bahwa mekatronika adalah salahsatu aspek sains dan
teknologi yang di hadapkan dengan system itu termasuk juga ilmu
mekanika, elektronika, computer, sensor dan lain-lain. Kelihatanya
orang paling bnyal mendefinisikan mekatronika hanya dengan
mempertimbangkan komponen-komponen apa saja yang termasuk didalam
system dan atau bagaimana fungsi mekanikal direalisasikandengan
software computer, sebagaimana definisi yang dijelaskan memberi
kesan bahwa mekatronika hanya sebuah koleksi atau aspek sains dan
teknologi yang sudah ada sebelumnya seperti halnya elektronika,
mekanika, teknik control, teknik computer, intelejensi buatan,
mesin mikro, dsb., yang tidak mempunyai nilai orsinilitas sebagai
sebuah teknologi.
Ada beberapa buku-buku mekatronika yang kebanyakan hanyalah
menjelaskan subjek-subjek yang diambil dari teknologi yang sudah
ada sebelumnya, dan ini juga akan memberikan anggapan bahwa
mekatronika tidak mempunyai keunikan tersendiri pada teknologi.
Mekatronika menyelesaikan permasalahan teknologi dengan menggunakan
penggabungan atau kombinasi pengetahuan yang terdiri dari
mekanikal, elektronika, dan teknologi computer dalam menyelesaikan
masalah. Insinyur-insinyur terdahulu hanya dapat menyelesaikan
permasalahan satu dari beberapa disiplin ilmu tersebut diatas,
contohnya engineer mekanikal menggunakan metode-metode mekanika
dalam menyelesaikan masalah, kemudian karena adanya kesukaran2
tambahan yang tidak bisa diselesaikan dan dengan mengedepankan
pengembangan produk, maka para peneliti dan insinyur dituntut untuk
menemukan solusi dalam penelitian dan pengembangan, dan ini
memotivasi para insinyur mekanika untuk mempelajari pengetahuan
lain dan teknologi pengembangan produk baru contohnya insinyur
mekanika mencoba mengenalkan elektonika dalam menyelesaikan
masalah-masalah mekanikal. Pengembangan mikroprosessor juga
memberikan banyak kontribusi dalam inovasi-inovasi yang berani yang
berdampak para insinyur dapat mempertimbangkan penyelesaian masalah
dengan pandangan luas dan lebih efisien,hasilnya diperoleh produk
baru berdasar integritas disiplin ilmu teknologi.
1.2.Manfaat Penerapan Mekatronika
diperoleh dari penerapan mekatronik adalah meningkatkan
fleksibilitas mesin dengan menambahkan fungsi-fungsi baru yang
mayoritas merupakan kontribusi mikro-prosesor. Sebagai
contoh,
Dasar Mekatronika dan penerapnya By AMIRIN FTUIA
2
lengan robot industri dapat melakukan berbagai jenis pekerjaan
dengan merubah program peranti lunak di mikro-prosesornya seperti
halnya lengan manusia. Ini yang menjadi faktor utamadimungkinkannya
proses produksi produk yang beraneka ragam tipenya dengan jumlah
yang sedikit-sedikit.
2. Meningkatkan kehandalan. Pada mesin-mesin konvensional (manual)
muncul berbagai masalah yang diakibatkan oleh berbagai jenis
gesekan pada mekanisme yang digunakan seperti: keusangan, masalah
sentuhan, getaran dan kebisingan. Pada penggunaan mesin-mesin
tersebut diperlukan sarana dan operator yang jumlahnya banyak untuk
mencegah timbulnya masalah- masalah tersebut. Dengan menerapkan
switch semikonduktor misalnya,maka masalah-masalah akibat sentuhan
tersebut dapat diminimalkan sehingga meningkatkan kehandalan.
Selain itu, dengan menggunakan komponen-komponen elektronika untuk
mengendalikan gerakan, maka komponen-komponen mesin pengendali
gerak bisa dikurangi sehingga meningkatkan kehandalan.
3. Meningkatkan presisi dan kecepatan. Pada mesin-mesin
konvensional (manual) yangsebagian besar menggunakan
komponen-komponen mesin sebagai pengendali gerak, tingkat presisi
dan kecepatan telah mencapai garis saturasi yang sulit untuk
diangkat lagi.Dengan menerapkan kendali digital dan teknologi
elektronika, maka tingkat presisi mesin dan kecepatan gerak mesin
dapat diangkat lebih tinggi lagi sampai batas tertentu. Batas ini
misalnya adalah rigiditas mesin yang menghalangi kecepatan lebih
tinggi karena munculnyagetaran. Hal ini melahirkan tantangan baru
yaitu menciptakan sistem mesin yang memiliki rigiditas lebih
tinggi. Struktur mekatronik dapat dipilah menjadi 2 buah dunia
yaitu dunia mekanika dan duniaelektronika. Di dunia mekanika
terdapat mekanisme mesin sebagai objek yang dikendalikan.Di dunia
elektronika terdapat beberapa elemen mekatronika yaitu: sensor,
kontroler,rangkaian penggerak, aktuator dan sumber energi.
1.3.Komponen utama mekatronika
System mekatronika dapat dibagi dalam beberapa area khusus
yaitu:
1. Physical system modeling (Konsep mekanikal) 2. Sensors and
Actuators (sensor dan Aktuator) 3. Signal and system (Sistem
Kontrol) 4. Computer and Logic system ( computer dan system logic)
5. Software and data acquisition (piranti lunak dan Akuisisi
data)
Dasar Mekatronika dan penerapnya By AMIRIN FTUIA
3
Komponen utama dari system mekatronika dapat di jelaskan pada
gambar dibawah ini dari berbagai sumber
(sumber:Mechatronics handbook,2002, Robert H.Bishop)
Gbr,Komponen utama Mekatronika
Gbr,Komponen utama Mekatronika
4
Gbr,Komponen utama Mekatronika
Sumber lain juga membuat lingkup mekatronika seperti di bawah ini
(sumber: role of control in mechatronic, job van amerongen)
Gbr,Komponen utama Mekatronika
Dan masih banyak lagi sumber-sumber lain yang menjelaskan tentang
komponen-komponen utama dari ilmu mekatronika sesuai dengan
persepsi dan karakteristik dari masing-masing sumber tersebut,
namun dalam penulisan ini kita tidak dapat membahas satu persatu
dari sub-sub bagian seperti yang di jelaskan dari gambar-gambar
diatas, akan tetapi bab-bab yang akan di jelaskan nanti sudah
representative dari komponen- komponen utama dari bidang
mekatronik
Dasar Mekatronika dan penerapnya By AMIRIN FTUIA
5
II.KONSEP MEKANIKAL
Mekanika mempelajari keadaan gerak dari suatu sistem fisis (benda).
Mekanika dapat dipecah menjadi dua berdasarkan ada atau tidaknya
gaya yang bekerja pada sistem yaitu :Kinematika dan Dinamika.
Besar-besaran fisis yang menggambarkan keadaan gerak dari suatu
benda (partikel, sistem partikel) secara umum dapat diwakili oleh
koordinat posisi, kecepatan, percepatan, momenatum dll.
Lebih lanjut formulasi persamaan gerak dalam sistem gerak dapat
ditelaah berdasarkan mekanika Newtonian, Mekanika Lagrangian atau
Mekanika Hamiltonian. Dalam hal ini akan membahas transmisi,
kinematika dan pneumatik hidrolika.
2.1.Transmisi mekanik Sistem transmisi, dalam otomotif, adalah
sistem yang menjadi
penghantar energi dari mesin ke diferensial dan as. Dengan memutar
as, roda dapat berputar dan menggerakkan mobil.
Gambar. Transmisi
Transmisi diperlukan karena mesin pembakaran yang umumnya digunakan
dalam mobil merupakan mesin pembakaran internal yang menghasilkan
putaran (rotasi) antara 600 sampai 6000 rpm. Sedangkan, roda
berputar antara 0 sampai 2500 rpm. Sekarang ini, terdapat dua
sistem transmisi yang umum, yaitu transmisi manual dan transmisi
otomatis. Terdapat juga sistem-sistem transmisi yang merupakan
gabungan antara kedua sistem tersebut, namun ini merupakan
perkembangan terakhir yang baru dapat ditemukan pada mobil-mobil
berteknologi tinggi. Transmisi manual merupakan salah satu jenis
transmisi yang banyak dipergunakan dengan alasan perawatan yang
lebih
Dasar Mekatronika dan penerapnya By AMIRIN FTUIA
6
mudah. Biasanya pada transimi manual terdiri dari 3 sampai dengan 7
speed.
Transmisi semi otomatis adalah transmisi yang dapat membuat kita
dapat merasakan system transmisi manual atau otomatis, bila kita
sedang menggunakan sistem transmisi manual kita tidak perlu
menginjak pedal kopling karena pada sistem transmisi ini pedal
kopling sudah teratur secara otomatis. Transmisi otomatis terdiri
dari 3 bagian utama, yaitu : Torque converter, Planetary gear unit,
dan Hydraulic control unit. Torque converter berfungsi sebagai
kopling otomatis dan dapat memperbesar momen mesin. Sedangkan
Torque converter terdiri dari Pump impeller, Turbine runner, dan
Stator. Stator terletak diantara impeller dan turbine. Torque
converter diisi dengan ATF (Automatic Transmition Fluid). Momen
mesin dipindahkan dengan adanyaaliran fluida.
Fungsi Transmisi Manual
• Merubah dan mengatur Moment putar dan putaran pada roda
penggerak sesuai dengan kebutuhan (posisi 1, 2, 3 ……… n)
• Memungkinkan kendaraan berhenti meskipun mesin dalam
keadaan hidup (Posisi Netral)
• Memungkinkan kendaraan berjalan mundur (posisi R /
mundur)
2.1.1.Roda gigi Roda gigi adalah sebuah konstruksi mekanikal
yang
menginteraksikan gigi-gigi dalam mentransmisikan gerakan atau
merubah tingkat atau arah gerakan. Gigi-gigi dari rodagigi harus
maching bentuknya sebelum mereka akan berinteraksi dengan baik.
Faktor bentuk yang penting dari sebuah roda gigi adalah Pitch dan
sudut tekan. Soal sudut tekan akan di bahas lebih lanjut dalam
matakuliah elemen mesin III, tapi untuk pitch adalah sebuah konsep
sederhana:
Gear pitch (modulus) = jumlah gigi / diameter pitch (dlm mm)
Dalam SI unit gear biasanyadikenal dengan modulus sebagai nama lain
dari Pitch, tetapi konsepnya sama yaitu jumlah gigi dibagi dengan
diameter pitch.
-Diameter Pitch Lihatlah bagaimana gigi-gigi berinteraksi, mereka
tidak hanya
berinteraksi pada ujung-ujung sentuhan gigi, maka diameter luar
tidak begitu menarik, sama dengan root diameter
(diameter seberang gigi bawah), apa kegunaanya dimana kontak antara
dua gigi-gigi terjadi? Lihat gambar di bawah ini
Dasar Mekatronika dan penerapnya By AMIRIN FTUIA
7
-Direction of rotation (Arah putaran) Xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx lihat
pd matakuliah elemen mesin
- Stacked gears (roda gigi bertingkat) Xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx
lihat pd matakuliah elemen mesin
- Force (Gaya) Xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx lihat pd matakuliah elemen
mesin
-Speed and Torque (Torsi dan kecepatan) Xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx
lihat pd matakuliah elemen mesin
-Gear types (tipe-tipe roda gigi) Xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx lihat pd
matakuliah elemen mesin
2.2.Kinematika
Kinematika adalah cabang dari mekanika yang membahas gerakan
benda tanpa mempersoalkan gaya dinamika, yang mempersoalkan gaya
yang mempengaruhi gerakan. penyebab gerakan. Hal terakhir ini
berbeda dari dinamika, yang mempersoalkan gaya yang dipengaruhi
oleh gerakan. Setiap hari kita selalu melihat sepeda motor, mobil,
pesawat atau kendaraan beroda lainnya.
2.2.1 DIAGRAM KINEMATIS Dalam mempelajari gerakan -gerakan dari
bagian -bagian mesin,
biasanya kita gambarkan bagian-bagian tersebut dalam bentuk sketsa
sehingga hanya bagian-bagian yang akan memberi efek pada gerakan
yang diperhatikan.
Dasar Mekatronika dan penerapnya By AMIRIN FTUIA
8
Gambar diatas menyatakan elemen-elemen utama dalam sebuah mesin
diesel. Bagian -bagian yang diam, terdidri dari bantalan -bantalan
kruk as dan dinding silinder diberi label 1. Engkol dan kruk as
adalah batang penghubung 2, batang penghubung 3, dan torak atau
peluncur adalah penghubung 4. Batang penghubung (link0 adalah suatu
nama yang diberikan pada setiap benda yang mempunyai gerakan
relatif terhadap yang lainnya. Posisi, kecepatan dan percepatan
sudut dari batang tergantung hanya pada panjang dari engkol dan
batang hubung dan tidak dipenguruhi oleh lebar atau ketebalan dari
batang. Gambar sksla yang menyatakan suatu mesin sehingga hanya
dimensi yang memberi efek pada gerakannya disebut diagram
kinematis.
2.2.2 MEKANISME Sebuah rantai kinematis adalah sebuah system dari
batang batang
penghubung yang berupa benda benda kaku yang apakah digabungkan
bersama atau dalam keadaan saling bersinggungan sehingga
memungkinkan mereka untuk bergerak relatif satu terhadap yang lain
. Jika salah satu dari batang penghubungnya tetap dan gerakan dari
sebarang batang penghubung yang lain ke posisinya yang baru akan
menyebabkan setiap batang penghubung yang lain bergerak ke posisi
posisi tertentu yang telah diramalkan system tersebut adalah sebuah
rantai kinematis yang dibatasi .Jika salah satu dari batang
penghubung ditahan tetap gerakan dari batang penghubung yang lain
ke posisinya yang baru tidak akan menyebabkan setiap batang batang
penghubung yang lain bergerakke posisi tertentu yang telah
diramalkan maka system tersebut adalah suatu rantai kinematis tak
terbatas.
2.2.3 INVERSI
Dengan membuat suatu batang penghubung yang berbeda dalam rantai
kinematis sebagai bagian yang tidak bergerak, kita memperoleh
mekanisme yang berbeda. Penting untuk dicatat bahwa inverse dari
suatu mekanisme tidak akan mengubah gerakan antara batang-batang
penghubungnya. Sebagai contoh, gambar diatas jika batang
penghubung
2 berputar ? 0
searah jarum jam relatif terhadap batang penghubung 1,
batang penghubung 4 akan bergerak kekanan sepanjang garis lurus
pada
Dasar Mekatronika dan penerapnya By AMIRIN FTUIA
9
penghubung1. Hal ini akan selalu demikian tidak peduli batang
penghubung mana yang ditahan tetap.
2.2.4 PASANGAN Dua benda yang saling kontak akan membentuk suatu
pasangan.
Pasangan lebih rendah (lower pairing) terjadi jika dua permukaan
saling kontak. Contohnya dari pasangan lebih rendah adalah sebuah
torak dengan dinding silindernya.
Pasangan lebih tinggi (higher pairing) menyatakan suatu kontak yang
berupa titik atau garis. Contohnya dari pasangan lebih tinggi
adalah torak dengan silindernya tetapi toraknya dibuat seperti
bola, maka toraknya akan kontak dengan dinding silinder sepanjang
suatu lingkaran.
2.2.5 BIDANG GERAKAN Sebuah benda mempunyai bidang gerakan jika
semua titik-titiknya
bergerak dalam bidang-bidang parallel terhadap bidang referensinya.
Bidang referensi tersebut dise but bidang gerakan (plane motion).
Bidang gerakan dapat merupakan salah satu dari 3 tipe : gerakan
menurut garis lurus (translasi0, putaran atau kombinasi dari
translasi dan rotasi.
2.2.6 TRANSLASI Sebuah benda mempunyai gerakan berupa translasi,
jika ia
bergerak sedemikian hingga semua garis-garis lurus dalam benda
tersebut bergerak mengikuti posisi-posisi yang sejajar. Translasi
garis lurus (rectilinear translation) adalah suatu gerakan dimana
semua titik dari suatu benda bergerak dalam jalur garis lurus.
Suatu translasi dimana titik- titik dalam suatu benda bergerak
sepanjang jalur yang berupakurva disebut translasi menurut kurva
(curvilinear translation).
2.2.7 PUTARAN Dalam putaran (rotasi) semua titik dalam sebuah benda
selalu
mempunyai jarak yang tetap dari sebuah garis yang tegak lurus
terhadap bidang geraknya. Garis ini adalah sumbu putaran (axis of
rotation) dan
Dasar Mekatronika dan penerapnya By AMIRIN FTUIA
10
titik-titik dalam benda tersebut membuat lintasan menurut jalur
berupa lingkaran terhadap garis tersebut.
2.2.8 TRANSLASI DAN ROTASI
Kebanyakan bagian -bagian mesin mempunyai gerakan yang merupakan
kombinasi dari rotasi dan translasi. Dalam gambar (a) perhatikan
gerakan dari batang hubung sewaktu ia bergerak dari posisi BC ke
B’C’. Posisi - posisi ini ditunjukkan dalam gambar (b). Disini kita
lihat bahwa gerakannya ekivalen terhadap suatu translasi dari BC ke
B’’C’’ yang diikuti oleh sutu rotasi dari B’’C’’ ke B’C’. Gerakan
ekivalen yang lain diilukiskan dalam ga mbar (c). Disini
ditunjukkan suatu putaran dari suatu batang terhadap C dari posisi
BC ke B’’C’’, diikuti dengan suatu translasi dari B’’C’’ ke B’C’.
Jadi gerakan dari batang hubung dapat dianggap sebagai suatu
putaran terhadap beberapa titik ditambah suatu translasi.
2.3.Pneumatik Pneumatik berasal dari bahasa Yunani “pneuma” yang
berarti
tiupan atau hembusan. Sistem pneumatik itu sendiri mempunyai
beberapa kelebihan dan kekurangan yang dipengaruhi terutama oleh
sifat udara terkompresi sebagai penggeraknya. Sifat-sifat udara
yang mempengaruhi sifat-sifat pengontrolan sistem pneumatik antara
lain :
• Udara tidak mempunyai bentuk khusus. Bentuknya selalu
sesuai dengan tempatnya/wadahnya.
• Dapat dimampatkan /kompresible.
11
• Memenuhi semua ruang dengan sama rata - Dapat dikontrol
baik laju alirannya maupun tekanan dan gaya yang bekerja.
2.3.1.Keuntungan dan Kerugian Udara Bertekanan
Udara bertekanan memiliki banyak sekali keuntungan, tetapi dengan
sendirinya juga terdapat segi-segi yang merugikan atau
pembatasan-pembatasan pada penggunaan nya. Hal-hal yang
menguntungkan dari pneumatik pada mekanisasi yang sesuai dengan
tujuan sudah diakui oleh cabang-cabang industri yang lebih banyak
lagi. Pneumatik mulai digunakan untuk pengendalian maupun
penggerakan mesin-mesin dan alat-alat.
2.3.2.Komponen system pneumatic 1. Kompresor digunakan untuk
menghisap udara di atmosfer dan
menyimpannya kedalam tangki penampung atau receiver. Kondisi udara
dalam atmosfer dipengaruhi oleh suhu dan tekanan. Kompressor
adalah mesin untuk memampatkan udara atau gas. Secara umum biasanya
mengisap udara dari atmosfer, yang secara fisika merupakan campuran
beberapa gas dengan susunan 78% Nitrogren, 21% Oksigen dan 1%
Campuran Argon, Carbon Dioksida, Uap Air, Minyak, dan lainnya.
Namun ada juga kompressor yang mengisap udara/ gas dengan tekanan
lebih tinggi dari tekanan atmosfer dan biasa disebut penguat
(booster). Sebaliknya ada pula kompressor yang menghisap udara/ gas
bertekanan lebih rendah dari tekanan atmosfer dan biasanya disebut
pompa vakum. Jika suatu gas/ udara didalam sebuah ruangan tertutup
diperkecil volumenya, maka gas/ udara tersebut akan mengalami
kompresi. Kompressor yang menggunakan azas ini disebut kompressor
jenis displacement dan prinsip kerjanya dapat dilukiskan seperti
pada gambar dibawah ini :
Disini digunakan torak yang bergerak bolak balik oleh sebuah
penggerak mula (prime mover) didalam sebuah silinder untuk
menghisap, menekan dan mengeluarkan udara secara berulang- ulang.
Dalam hal ini udara tidak boleh bocor melalui celah antara dinding
torak dengan dinding silinder yang saling bergesekan. Untuk itu
digunakan cincin torak sebagai perapat.Jika torak ditarik keatas,
tekanan dalam silinder dibawah torak akan menjadi negatif (kecil
dari tekanan atmosfer) sehingga udara akan masuk melalui celah
katup isap. Kemudian bila torak ditekan kebawah, volume udara yang
terkurung dibawah torak akan mengecil sehingga tekanan akan
naik.Berdasarkan prinsip kerjanya, kompressor terdiri
Dasar Mekatronika dan penerapnya By AMIRIN FTUIA
12
dari 2 (dua) jenis yaitu Displacement (torak) seperti dijelaskan
diatas dan Dynamic (rotary) yang mengalirkan udara melalui putaran
sudu berkecepatan tinggi.
Kompresi Udara Proses kompresi udara yang terjadi pada kompressor
torak dapat dijelaskan dengan menggunakan pendekatan seperti
terlihat pada gambar di bawah ini :
Torakmemulai langkah kompresinya pada titik (1) diagram P-V,
kemudian bergerak kekiri dan udara dimampatkan hingga tekanan naik
ke titik (2). Pada titik ini tekanan dalam silinder mencapai harga
tekanan Pd yang lebih tinggi dari pada tekanan dalam pipa keluar
(atau tangki tekan) sehingga katup keluar pada kepala silinder akan
terbuka. Jika torak terus bergerak ke kiri, udara akan didorong
keluar silinder pada tekanan tetap sebesar Pd. Di titik (3) torak
mencapai titik mati atas, yaitu titik akhir gerakan torak pada
langkah kompresi dan pengeluaran.
Kondensasi Uap air Udara yang dihisap dan dimampatkan didalam
kompressor akan mengandung uap air dalam jumlah cukup besar. Jika
uap ini didinginkan udara yang keluar dari kompressor maka uap akan
mengembun menjadi air. Air ini akan terbawa ke mesin/ peralatan
yang menggunakannya dan mengakibatkan gangguan pada pelumasan,
korosi dan peristiwa water hammer pada piping system. Aftercooler
adalah heat-exchanger yang berguna untuk mendinginkan udara/ gas
keluaran kompresor untuk membuang uap air yang tidak diinginkan
sebelum dikirim ke alat lain. Uap air dipisahkan dari udara dengan
cara pendinginan dengan air atau oli pendingin. Sumber
Ingersoll-Rand [--]. Dapat dilihat pada gambar dibawah ini
Dasar Mekatronika dan penerapnya By AMIRIN FTUIA
13
2. Fungsi dari Oil and Water Trap adalah sebagai pemisah oli dan
air dari udara yang masuk dari kompresor. Jumlah air persentasenya
sangat kecil dalam udara yang masuk kedalam sistem Pneumatik,
tetapi dapat menjadi penyebab serius dari tidak berfungsinya
sistem.
3. Fungsi unit ini adalah sebagai pemisah kimia untuk memisahkan
sisa uap lembab yang mana boleh jadi tertinggal waktu udara
melewati unit Oil and Water Trap.
4. Setelah udara yang dikompresi melewati unit Oil and Water Trap
dan unit Dehydrator, akhirnya udara yang dikompresi akan melewati
Filter untuk memisahkan udara dari kemungkinan adanya debu dan
kotoran yang mana munkin tedapat dalam udara.
5. Sistem tekanan udara siap masuk pada tekanan tinggi menambah
tekanan pada bilik dan mendesak beban pada piston.
6. Restrictor adalah tipe dari pengontrol klep yang digunakan dalam
system Pneumatik, Restrictor yang biasa digunakan ada dua (2) tipe,
yaitu tipe Orifice dan Variable Restrictor.
Perawatan sistem Pneumatik terdiri dari memperbaiki, mencari
gangguan, pembersihan dan pemasangan komponen, dan uji coba
pengoperasian. Tindakan pencegahan untuk menjaga udara dalam sistem
selalu terjaga kebersihannya. Saringan dalam komponen harus selalu
dibersihkan dari partikel-partikel metal yang mana hal tersebut
dapat menyebabkan keausan pada komponen. Setiap memasang komponen
Pneumatik harus dijaga kebersihannya dan diproteksi dengan pita
penutup atau penutup debu dengan segera setelah pembersihan.
Memastikan ketika memasang kembali komponen tidak ada partikel
metal yang masuk kedalam sistem. Sangat penting mencegah masuknya
air, karena dapat menjadi penyebab sistem tidak dapat memberikan
tekanan. Operasi dalam temperatur rendah, walaupun terdapat jumlah
air yang sangat kecil dapat menjadi penyebab serius tidak
berfungsinya sistem. Setiap tahap perawatan harus memperhatikan
masuknya air kedalam sistem. Kebocoran bagian dalam komponen,
selama kebocoran pada O- Ring atau posisinya, yang mana ketika
pemasangan tidak sempurna atau tergores oleh partikel metal
atausudah batas pemakaian
2.4.Hidrolika Bertahun-tahun lalu manusia telah menemukan kekuatan
dari
perpindahan air, meskipunmereka tidak mengetahui hal tersebut
merupakan prinsip hidrolik. Sejak pertama digunakan prinsip ini,
mereka terus menerus mengaplikasikan prinsip ini untuk banyak hal
untuk kemajuan dan kemudahan umat manusia.
Hidrolik adalah ilmu pergerakan fluida, tidak terbatas hanya pada
fluida air. Jarang dalam keseharian kita tidak menggunakan prinsip
hidrolik, tiap kali kita minum air, tiap kali kita menginjak rem
kita mengaplikasikan prinsip hidrolik. Sistem hidrolik banyak
memiliki keuntungan. Sebagai sumber kekuatan untuk banyak variasi
pengoperasian. Keuntungan sistem hidrolik antara lain:
Dasar Mekatronika dan penerapnya By AMIRIN FTUIA
14
a. Ringan b. Mudah dalam pemasangan c. Sedikit perawatan d. Sistem
hidrolik hampir 100 % efisien, bukan berarti mengabaikan
terjadinya gesekan fluida.
Untuk mengerti prinsip hidrolik kita harus mengetahui perhitungan
dan beberapa hokum yang berhubungan dengan prinsip hidrolik.
• Area adalah ukuran permukaan (in2, m2) - Force adalah
jumlah dorongan atau tarikan pada objek (lb, kg)
• Unit pressure adalah jumlah kerkuatan dalam satu unit area
(lb/in2, Psi)
• Stroke (panjang) adalah diukur berdasarkan jarak pergerakan
pistin dalam silinder (in,m)
• Volume diukur berdasarkan jumlah dalam in3, m3 yang
dihitung berdasarkan jumlah
fluida dalam reservoir atau dalam pompa atau pergerakan silinder.
Fluida yang digunakan dalam bentuk liquid atau gas. Fluida yang
digunakan dalam system hidrolik umumnya oli. Suatu aliran didalam
silinder yang dilengkapi dengan sebuah penghisap yang mana kita
dapat memakaikan sebuah tekanan luar po tekanan p disuatu titik P
yang sebarang sejarak h dibawah permukaan yang sebelah atas dari
cairan tersebut diberikan oleh persamaan.
p = po + gh.
Prinsip Pascal, tekanan yang dipakaikan kepada suatu fluida
tertutup diteruskan tanpa berkurang besarnya kepada setiap bagian
fluida dan dinding-dinding yang berisi fluida tersebut. Hasil ini
adalah suatu konsekuensi yang perlu dari hokum-hukum mekanika
fluida, dan bukan merupakan sebuah prinsip bebas.
Komponen Sistem Hidrolika Motor hidrolik berfungsi untuk mengubah
energi tekanan cairan
hidrolik menjadi energi mekanik. Pompa umumnya digunakan untuk
memindahkan sejumlah volume cairan yang digunakan agar suatu cairan
tersebut memiliki bentuk energi. Katup pada sistem dibedakan atas
fungsi, disain dan cara kerja katup Pompa hidrolik berfungsi untuk
mentransfer energi mekanik menjadi energi hidrolik. Pompa hidrolik
bekerja dengan cara menghisap oli dari tangki hidrolik dan
mendorongnya kedalam sistem hidrolik dalam bentuk aliran
(flow).
Aliran ini yang dimanfaatkan dengan cara merubahnya menjadi
tekanan. Tekanan dihasilkan dengan cara menghambat aliran oli dalam
sistem hidrolik. Hambatan ini dapat disebabkan oleh orifice,
silinder, motor hidrolik, dan aktuator.
Dasar Mekatronika dan penerapnya By AMIRIN FTUIA
15
Pompa hidrolik yang biasa digunakan ada dua macam yaitu Positive
dan Non - positive Displacement Pump. Cara Memanfaatkan Tenaga Pada
Sistem hidrolik
Ada dua macam peralatan yang biasanya digunakan dalam merubah
energi hidrolik menjadi energi mekanik yaitu motor hidrolik dan
aktuator. Motor hidrolik mentransfer energi hidrolik menjadi energi
mekanik dengan cara memanfaatkan aliran oli dalam sistem merubahnya
menjadi energi putaran yang dimanfaatkan untuk menggerakan roda,
transmisi, pompa dll. Perawatan dari sistem hidrolik, memerlukan
penggunaan fluida hidrolik yang layak, pemilihan tube dan seal yang
layak. Dan kita harus dapat mengetahui bagaimana pengecekan untuk
kebersihan nya yang layak. Perbaikan pada sistem hidrolik, adanya
satu prosedur perawatan dilakukan pada mekanik hidrolik. Sebelum
perbaikan dimulai, spesifikasi tipe fluida harus diketahui . warna
dari fluida pada sistem dapat juga digunakan sebagai penentu dari
tipe fluida. Perawatan efektif dari sistem hidrolik yang diperlukan
adalah melihat kelayakan seal, tube, selang yang digunakan. Untuk
sistem hidrolik (3000 psi) digunakan tube stainless steel, dan
untuk sistem hidrolik tekanan rendah dapat digunakan tube dari
alumunium alloy.
BAB III
16
3.1.1 Definisi - Definisi Rangkaian listrik adalah suatu kumpulan
elemen atau komponen
listrik yang saling dihubungkan dengan cara-cara tertentu dan
paling sedikit mempunyai satu lintasan tertutup. Elemen atau
komponen yang akan dibahas pada mata kuliah Rangkaian Listrik
terbatas pada elemen atau komponen yang memiliki dua buah terminal
atau kutub pada kedua ujungnya. Untuk elemen atau komponen yang
lebih dari dua terminal dibahas pada mata kuliah Elektronika.
Pembatasan elemen atau komponen listrik pada Rangkaian Listrik
dapat dikelompokkan kedalam elemen atau komponen aktif dan pasif.
Elemen aktif adalah elemen yang menghasilkan energi dalam hal ini
adalah sumber tegangan dan sumber arus, mengenai sumber ini akan
dijelaskan pada bab berikutnya. Elemen lain adalah elemen pasif
dimana elemen ini tidak dapat menghasilkan energi, dapat
dikelompokkan menjadi elemen yang hanya dapat menyerap energi dalam
hal ini hanya terdapat pada komponen resistor atau banyak juga yang
menyebutkan tahanan atau hambatan dengan simbol R, dan komponen
pasif yang dapat menyimpan energi juga diklasifikasikan menjadi dua
yaitu komponen atau lemen yang menyerap energi dalam bentuk medan
magnet dalam hal ini induktor atau sering juga disebut sebagai
lilitan, belitan atau kumparan dengan simbol L, dan kompone pasif
yang menyerap energi dalam bentuk medan magnet dalam hal ini adalah
kapasitor atau sering juga dikatakan dengan kondensator dengan
symbol C, pembahasan mengenai ketiga komponen pasif tersebut
nantinya akan dijelaskan pada bab berikutnya. Elemen atau komponen
listrik yang dibicarakan disini adalah :
1. Elemen listrik dua terminal a) Sumber tegangan b) Sumber arus c)
Resistor ( R ) d) Induktor ( L ) e) Kapasitor ( C )
2. Elemen listrik lebih dari dua terminal a) Transistor b)
Op-amp
Berbicara mengenai Rangkaian Listrik, tentu tidak dapat dilepaskan
dari pengertian dari rangkaian itu sendiri, dimana rangkaian adalah
interkoneksi dari sekumpulan elemen atau komponen penyusunnya
ditambah dengan rangkaian penghubungnya dimana disusun dengan
cara-cara tertentu dan minimal memiliki satu lintasan tertutup.
Dengan kata lain hanya dengan satu lintasan tertutup saja kita
dapat menganalisis suatu rangkaian.
Dasar Mekatronika dan penerapnya By AMIRIN FTUIA
17
Yang dimaksud dengan satu lintasan tertutup adalah satu lintasan
saat kita mulai dari titik yang dimaksud akan kembali lagi ketitik
tersebut tanpa terputus dan tidak memandang seberapa jauh atau
dekat lintasan yang kita tempuh. Rangkaian listrik merupakan dasar
dari teori rangkaian pada teknik elektro yang menjadi dasar atay
fundamental bagi ilmu-ilmu lainnya seperti elektronika, sistem
daya, sistem computer, putaran mesin, dan teori control.
3.1.2. Arus listrik
Pada pembahasan tentang rangkaian listrik, perlu kiranya kita
mengetahui terlebih dahulu beberapa hal megenai apa itu yang
dimaksud dengan listrik. Untuk memahami tentang listrik, perlu kita
ketahui terlebih dahulu pengertian dari arus. Arus merupakan
perubahan kecepatan muatan terhadap waktu atau muatan yang mengalir
dalam satuan waktu dengan simbol i (dari kata Perancis :
intensite), dengan kata lain arus adalah muatan yang bergerak.
Selama muatan tersebut bergerak maka akan muncul arus tetapi ketika
muatan tersebut diam maka arus pun akan hilang. Muatan akan
bergerak jika ada energi luar yang memepengaruhinya. Muatan adalah
satuan terkecil dari atom atau sub bagian dari atom. Dimana dalam
teori atom modern menyatakan atom terdiri dari partikel inti
(proton bermuatan + dan neutron bersifat netral) yang dikelilingi
oleh muatan elektron (-), normalnya atom bermuatan netral. Muatan
terdiri dari dua jenis yaitu muatan positif dan muatan negative
Arah arus searah dengan arah muatan positif (arah arus listrik)
atau berlawanan dengan arah aliran elektron. Suatu partikel dapat
menjadi muatan positif apabila kehilangan elektron dan menjadi
muatan negatif apabila menerima elektron dari partikel lain.
Coulomb adalah unit dasar dari International System of Units (SI)
yang digunakan untuk mengukur muatan listrik.
Satuannya : Ampere (A) Dalam teori rangkaian arus merupakan
pergerakan muatan positif. Ketika terjadi beda potensial disuatu
elemen atau komponen maka akan muncul arus dimaan arah arus positif
mengalir dari potensial tinggi ke potensial rendah dan arah arus
negatif mengalir sebaliknya. Macam-macam arus :
1. Arus searah (Direct Current/DC) Arus DC adalah arus yang
mempunyai nilai tetap atau konstan
terhadap satuan waktu, artinya diaman pun kita meninjau arus
tersebut pada wakttu berbeda akan mendapatkan nilai yang sama
Dasar Mekatronika dan penerapnya By AMIRIN FTUIA
18
2. Arus bolak-balik (Alternating Current/AC) Arus AC adalah
arus yang mempunyai nilai yang berubah terhadap
satuan waktu dengan karakteristik akan selalu berulang untuk
perioda waktu tertentu (mempunyai perida waktu : T).
3.1.3 Tegangan
Tegangan atau seringkali orang menyebut dengan beda potensial dalam
bahasa Inggris voltage adalah kerja yang dilakukan untuk
menggerakkan satu muatan (sebesar satu coulomb) pada elemen atau
komponen dari satu terminal/kutub ke terminal/kutub lainnya, atau
pada kedua terminal/kutub akan mempunyai beda potensial jika kita
menggerakkan/memindahkan muatan sebesar satu coulomb dari satu
terminal ke terminal lainnya.
Keterkaitan antara kerja yang dilakukan sebenarnya adalah energi
yang dikeluarkan, sehingga pengertian diatas dapat dipersingkat
bahwa tegangan adalah energi per satuan muatan.
Pada gambar diatas, jika terminal/kutub A mempunyai potensial lebih
tinggi daripada potensial di terminal/kutub B. Maka ada dua istilah
yang seringkali dipakai pada Rangkaian Listrik, yaitu : 1. Tegangan
turun/ voltage drop
Jika dipandang dari potensial lebih tinggi ke potensial lebih
rendah dalam hal ini dari terminal A ke terminal B.
Dasar Mekatronika dan penerapnya By AMIRIN FTUIA
19
2. Tegangan naik/ voltage rise Jika dipandang dari potensial lebih
rendah ke potensial lebih tinggi
dalam hal ini dari terminal B ke terminal A.
Pada buku ini istilah yang akan dipakai adalah pengertian pada item
nomor 1 yaitu tegangan turun. Maka jika beda potensial antara kedua
titik tersebut adalah sebesar 5 Volt, maka VAB = 5 Volt dan VBA =
-5 Volt
3.1.4 Energi & Daya
Kerja yang dilakukan oleh gaya sebesar satu Newton sejauh satu
meter. Jadi energi adalah sesuatu kerja dimana kita memindahkan
sesuatu dengan mengeluarkan gaya sebesar satu Newton dengan jarak
tempuh atau sesuatu tersebut berpindah dengan selisih jarak satu
meter.
Pada alam akan berlaku hukum Kekekalan Energi dimana energi
sebetulnya tidak dapat dihasilkan dan tidak dapat dihilangkan,
energi hanya berpindah dari satu bentuk ke bentuk yang lainnya.
Contohnya pada pembangkit listrik, energi dari air yang bergerak
akan berpindah menjadi energi yang menghasilkan energi listrik,
energi listrik akan berpindah menjadi energi cahaya jika anergi
listrik tersebut melewati suatu lampu, energi cahaya akan berpinda
menjadi energi panas jika bola lampu tersebut pemakaiannya lama,
demikian seterusnya. Untuk menyatakan apakah energi dikirim atau
diserap tidak hanya polaritas tegangan tetapi arah arus juga
berpengaruh. Elemen/komponen listrik digolongkan menjadi :
1) Menyerap energi Jika arus positif meninggalkan terminal positif
menuju terminal elemen/komponen, atau arus positif menuju terminal
positif elemen/komponen tersebut.
2) Mengirim energi Jika arus positif masuk terminal positif dari
terminal elemen/komponen, atau arus positif meninggalkan terminal
positif elemen/komponen.
Dasar Mekatronika dan penerapnya By AMIRIN FTUIA
20
Energi yang diserap/dikirim pada suatu elemen yang bertegangan v
dan muatan yang melewatinya a Δq adalah Δw = v Δq
Satuannya : Joule (J)
3.2.Elemen Rangkaian List rik
Seperti dijelaskan pada bab sebelumnya, bahwa pada Rangkaian
Listrik tidak dapat dipisahkan dari penyusunnya sendiri, yaitu
berupa elemen atau komponen. Pada bab ini akan dibahas elemen atau
komponen listrik aktif dan pasif.
3.2.1 Elemen Aktif
Elemen aktif adalah elemen yang menghasilkan energi, pada mata
kuliah Rangkaian Listrik yang akan dibahas pada elemen aktif adalah
sumber tegangan dan sumber arus. Pada pembahasan selanjutnya kita
akan membicarakan semua yang berkaitan dengan elemen atau komponen
ideal. Yang dimaksud dengan kondisi ideal disini adalah bahwa
sesuatunya berdasarkan dari sifat karakteristik dari elemen atau
komponen tersebut dan tidak terpengaruh oleh lingkungan luar. Jadi
untuk elemen listrik seperti sumber tegangan, sumber arus, kompone
R, L, dan C pada mata kuliah ini diasumsikan semuanya dalam kondisi
ideal.
1. Sumber Tegangan (Voltage Source) Sumber tegangan ideal adalah
suatu sumber yang menghasilkan tegangan yang tetap, tidak
tergantung pada arus yang mengalir pada sumber tersebut, meskipun
tegangan tersebut merupakan fungsi dari t. Sifat lain : Mempunyai
nilai resistansi dalam Rd = 0 (sumber tegangan ideal)
• Sumber Tegangan Bebas/ Independent Voltage Source Sumber
yang menghasilkan tegangan tetap tetapi mempunyai sifat khusus
yaitu harga tegangannya tidak bergantung pada
Dasar Mekatronika dan penerapnya By AMIRIN FTUIA
21
harga tegangan atau arus lainnya, artinya nilai tersebut berasal
dari sumbet tegangan dia sendiri.
• Sumber Tegangan Tidak Bebas/ Dependent Voltage Source
Mempunyai sifat khusus yaitu harga tegangan bergantung pada harga
tegangan atau arus lainnya.
2. Sumber Arus ( current source) Sumber arus ideal adalah sumber
yang menghasilkan arus yang tetap, tidak bergantung pada tegangan
dari sumber arus tersebut. Sifat lain : Mempunyai nilai resistansi
dalam Rd = ∞ (sumber arus ideal)
• Sumber Arus Bebas/ Independent Current Source Mempunyai
sifat khusus yaitu harga arus tidak bergantung pada harga tegangan
atau arus lainnya.
• Sumber Arus Tidak Bebas/ Dependent Current Source Mempunyai
sifat khusus yaitu harga arus bergantung pada harga tegangan atau
arus lainnya
3.2.2 Elemen Pasif
Resistor (R) Sering juga disebut dengan tahanan, hambatan,
penghantar, atau
resistansi dimana resistor mempunyai fungsi sebagai penghambat
arus, pembagi arus , dan pembagi tegangan. Nilai resistor
tergantung dari hambatan jenis bahan resistor itu sendiri
(tergantung dari bahan pembuatnya), panjang dari resistor itu
sendiri dan luas penampang dari resistor itu sendiri.
Satuan dari resistor : Ohm ( )
Jika suatu resistor dilewati oleh sebuah arus maka pada kedua ujung
dari resistor tersebut akan menimbulkan beda potensial atau
tegangan. Hukum yang didapat dari percobaan ini adalah: Hukum Ohm.
Mengenai pembahasan dari Hukum Ohm akan dibahas pada bab
selanjutnya.
Dasar Mekatronika dan penerapnya By AMIRIN FTUIA
22
Kapasitor (C) Sering juga disebut dengan kondensator atau
kapasitansi.
Mempunyai fungsi untuk membatasi arus DC yang mengalir pada
kapasitor tersebut, dan dapat menyimpan energi dalam bentuk medan
listrik. Nilai suatu kapasitor tergantung dari nilai permitivitas
bahan pembuat kapasitor, luas penampang dari kapsitor tersebut dan
jarak antara dua keping penyusun dari kapasitor tersebut.
Jika sebuah kapasitor dilewati oleh sebuah arus maka pada kedua
ujung kapaistor tersebut akan muncul beda potensial atau tegangan,
dimana secara matematis dinyatakan :
Dasar Mekatronika dan penerapnya By AMIRIN FTUIA
23
kapasitor dalam bentuk medan listrik. Jika kapasitor dipasang
tegangan konstan/DC, maka arus sama dengan nol. Sehingga kapasitor
bertindak sebagai rangkaian terbuka/ open circuit untuk tegangan
DC
Induktor/ Induktansi/ Lilitan/ Kumparan (L)
Seringkali disebut sebagai induktansi, lilitan, kumparan, atau
belitan. Pada induktor mempunyai sifat dapat menyimpan energi dalam
bentuk medan magnet.
Satuan dari induktor : Henry (H)
Arus yang mengalir pada induktor akan menghasilkan fluksi
magnetik (φ ) yang membentuk loop yang melingkupi kumparan.
Jika ada N lilitan, maka total fluksi adalah :
Dasar Mekatronika dan penerapnya By AMIRIN FTUIA
24
3.3. Hukum-hukum rangkaian
Hukum Ohm Jika sebuah penghantar atau resistansi atau hantaran
dilewati oleh
sebuah arus maka pada kedua ujung penghantar tersebut akan muncul
beda potensial, atau Hukum Ohm menyatakan bahwa tegangan melintasi
berbagai jenis bahan pengantar adalah berbanding lurus dengan arus
yang mengalir melalui bahan tersebut. Secara matematis :
V = I.R
Hukum Kirchof f I / Kirchoff ’s Current Law (KCL) Jumlah arus yang
memasuki suatu percabangan atau node atau
simpul samadengan arus yang meninggalkan percabangan atau node atau
simpul, dengan kata lain jumlah aljabar semua arus yang memasuki
sebuah percabangan atau node atau simpul samadengan nol. Secara
matematis :
Σ Arus pada satu titik percabangan = 0 Σ Arus yang
masuk percabangan = Σ Arus yang keluar percabangan
Dapat diilustrasikan bahwa arus yang mengalir samadengan aliran
sungai, dimana pada saat menemui percabangan maka aliran sungai
tersebut akan terbagi sesuai proporsinya pada percabangan tersebut.
Artinya bahwa aliran sungai akan terbagi sesuai dengan jumlah
percabangan yang ada, dimana tentunya jumlah debit air yang masuk
akan sama dengan jumlah debit air yang keluar dari percabangan
tersebut
Dasar Mekatronika dan penerapnya By AMIRIN FTUIA
25
atau penjumlahan tegangan pada masing-masing komponen penyusunnya
yang membentuk satu lintasan tertutup akan bernilai samadengan nol.
Secara matematis :
ΣV = 0
26
Semikonduktor merupakan elemen dasar dari komponen elektronika
seperti dioda, transistor dan sebuah IC (integrated circuit).
Disebut semi atau setengah konduktor, karena bahan ini memang bukan
konduktor murni.
Bahan- bahan logam seperti tembaga, besi, timah disebut sebagai
konduktor yang baik sebab logam memiliki susunan atom yang
sedemikian rupa, sehingga elektronnya dapat bergerak bebas.
Sebenarnya atom tembaga dengan lambang kimia Cu memiliki inti 29
ion (+) dikelilingi oleh 29 elektron (-). Sebanyak 28 elektron
menempati orbit-orbit bagian dalam membentuk inti yang disebut
nucleus.
Dibutuhkan energi yang sangat besar untuk dapat melepaskan ikatan
elektron-elektron ini. Satu buah elektron lagi yaitu elektron yang
ke-29, berada pada orbit paling luar.
Orbit terluar ini disebut pita valensi dan elektron yang berada
pada pita ini dinamakan elektron valensi. Karena hanya ada satu
elektron dan jaraknya 'jauh' dari nucleus, ikatannya tidaklah
terlalu kuat. Hanya dengan energi yang sedikit saja elektron
terluar ini mudah terlepas dari ikatannya.
ikatan atom tembaga
Pada suhu kamar, elektron tersebut dapat bebas bergerak atau
berpindah-pindah dari satu nucleus ke nucleus lainnya. Jika diberi
tegangan potensial listrik, elektron-elektron tersebut dengan mudah
berpindah ke arah potensial yang sama. Phenomena ini yang dinamakan
sebagai arus listrik.
Isolator adalah atom yang memiliki elektron valensi sebanyak 8
buah, dan dibutuhkan energi yang besar untuk dapat melepaskan
elektron- elektron ini.
Dapat ditebak, semikonduktor adalah unsur yang susunan atomnya
memiliki elektron valensi lebih dari 1 dan kurang dari 8. Tentu
saja yang paling "semikonduktor" adalah unsur yang atomnya memiliki
4 elektron valensi.
Susunan Atom Semikonduktor
Bahan semikonduktor yang banyak dikenal contohnya adalah Silicon
(Si), Germanium (Ge) dan Galium Arsenida (GaAs).
Germanium dahulu adalah bahan satu-satunya yang dikenal untuk
membuat komponen semikonduktor. Namun belakangan, silikon
menjadi
Dasar Mekatronika dan penerapnya By AMIRIN FTUIA
27
popular setelah ditemukan cara mengekstrak bahan ini dari alam.
Silikon merupakan bahan terbanyak ke dua yang ada dibumi setelah
oksigen (O2).
Pasir, kaca dan batu-batuan lain adalah bahan alam yang banyak
mengandung unsur silikon. Dapatkah anda menghitung jumlah pasir
dipantai.
Struktur atom kristal silikon, satu inti atom (nucleus)
masing-masing memiliki 4 elektron valensi.
Ikatan inti atom yang stabil adalah jika dikelilingi oleh 8
elektron, sehingga 4 buah elektron atom kristal tersebut membentuk
ikatan kovalen
dengan ion-ion atom tetangganya. Pada suhu yang sangat rendah (0
o
K), struktur atom silikon divisualisasikan seperti pada gambar
berikut.
struktur dua dimensi kristal Silikon
Ikatan kovalen menyebabkan elektron tidak dapat berpindah dari satu
inti atom ke inti atom yang lain. Pada kondisi demikian, bahan
semikonduktor bersifat isolator karena tidak ada elektron yang
dapat berpindah untuk menghantarkan listrik.
Pada suhu kamar, ada beberapa ikatan kovalen yang lepas karena
energi panas, sehingga memungkinkan elektron terlepas dari
ikatannya. Namun hanya beberapa jumlah kecil yang dapat terlepas,
sehingga tidak memungkinkan untuk menjadi konduktor yang
baik.
Ahli-ahli fisika terutama yang menguasai fisika quantum pada
masa itu mencoba memberikan doping pada bahan semikonduktor
ini.
Pemberian doping dimaksudkan untuk mendapatkan elektron valensi
bebas dalam jumlah lebih banyak dan permanen, yang diharapkan akan
dapat mengahantarkan listrik. Kenyataanya demikian, mereka memang
iseng sekali dan jenius.
Tipe-N
Misalnya pada bahan silikon diberi doping phosphorus atau
arsenic yang pentavalen yaitu bahan kristal dengan inti atom
memiliki 5 elektron valensi. Dengan doping, Silikon yang tidak lagi
murni ini (impurity semiconductor ) akan memiliki kelebihan
elektron.
Kelebihan elektron membentuk semikonduktor tipe-n. Semikonduktor
tipe-n disebut juga donor yang siap melepaskan
elektron.
Dasar Mekatronika dan penerapnya By AMIRIN FTUIA
28
Tipe-P
Kalau silikon diberi doping Boron, Gallium atau Indium, maka
akan didapat semikonduktor tipe-p. Untuk mendapatkan silikon
tipe-p, bahan dopingnya adalah bahan trivalen yaitu unsur dengan
ion yang memiliki 3 elektron pada pita valensi.
Karena ion silikon memiliki 4 elektron, dengan demikian ada ikatan
kovalen yang bolong (hole). Hole ini digambarkan sebagai
akseptor yang siap menerima elektron. Dengan demikian,
kekurangan elektron menyebabkan semikonduktor ini menjadi
tipe-p.
doping atom trivalen
Resistansi
Semikonduktor tipe-p atau tipe-n jika berdiri sendiri tidak lain
adalah sebuah resistor. Sama seperti resistor karbon, semikonduktor
memiliki resistansi. Cara ini dipakai untuk membuat resistor di
dalam sebuah komponen semikonduktor. Namun besar resistansi yang
bisa didapat kecil karena terbatas pada volume semikonduktor itu
sendiri.
Dioda PN
Jika dua tipe bahan semikonduktor ini dilekatkan-pakai lem
barangkali ya :), maka akan didapat sambungan P-N (p-n junction)
yang dikenal sebagai dioda.Pada pembuatannya memang material tipe P
dan tipe N bukan disambung secara harpiah, melainkan dari satu
bahan (monolitic) dengan memberi doping (impurity material) yang
berbeda.
Dasar Mekatronika dan penerapnya By AMIRIN FTUIA
29
sambungan p-n
Jika diberi tegangan maju (forward bias), dimana tegangan sisi P
lebih besar dari sisi N, elektron dengan mudah dapat mengalir dari
sisi N mengisi kekosongan elektron (hole) di sisi P.
forward bias
Sebaliknya jika diberi tegangan balik (reverse bias), dapat
dipahami tidak ada elektron yang dapat mengalir dari sisi N mengisi
hole di sisi P, karena tegangan potensial di sisi N lebih
tinggi.
Dioda akan hanya dapat mengalirkan arus satu arah saja, sehingga
dipakai untuk aplikasi rangkaian penyearah (rectifier ).
Dioda, Zener, LED, Varactor dan Varistor adalah beberapa komponen
semikonduktor sambungan PN yang dibahas pada kolom khusus.
Transistor Bipolar
Transistor merupakan dioda dengan dua sambungan ( junction).
Sambungan itu membentuk transistor PNP maupun NPN. Ujung-ujung
terminalnya berturut-turut disebut emitor, base dan kolektor. Base
selalu berada di tengah, di antara emitor dan kolektor.
Transistor ini disebut transistor bipolar, karena struktur dan
prinsip kerjanya tergantung dari perpindahan elektron di kutup
negatif mengisi kekurangan elektron (hole) di kutup positif. bi = 2
dan polar = kutup. Adalah William Schockley pada tahun 1951
yang pertama kali menemukan transistor bipolar.
Transistor npn dan pnp
30
Akan dijelaskan kemudian, transistor adalah komponen yang
bekerja sebagai sakelar (switch on/off ) dan juga sebagai
penguat (amplifier ). Transistor bipolar adalah inovasi yang
mengantikan transistor tabung (vacum tube). Selain dimensi
transistor bipolar yang relatif lebih kecil, disipasi dayanya juga
lebih kecil sehingga dapat bekerja pada suhu yang lebih
dingin.
Dalam beberapa aplikasi, transistor tabung masih digunakan terutama
pada aplikasi audio, untuk mendapatkan kualitas suara yang baik,
namun konsumsi dayanya sangat besar. Sebab untuk dapat melepaskan
elektron, teknik yang digunakan adalah pemanasan filamen seperti
pada lampu pijar.
Bias DC
Transistor bipolar memiliki 2 junction yang dapat disamakan dengan
penggabungan 2 buah dioda. Emiter-Base adalah satu junction dan
Base-Kolektor junction lainnya. Seperti pada dioda, arus hanya akan
mengalir hanya jika diberi bias positif, yaitu hanya jika tegangan
pada material P lebih positif daripada material N (forward
bias).
Pada gambar ilustrasi transistor NPN berikut ini, junction
base-emiter diberi bias positif sedangkan base-colector mendapat
bias negatif (reverse bias).
arus elektron transistor npn
Karena base-emiter mendapat bias positif maka seperti pada dioda,
elektron mengalir dari emiter menuju base. Kolektor pada rangkaian
ini lebih positif sebab mendapat tegangan positif. Karena kolektor
ini lebih positif, aliran elektron bergerak menuju kutup ini.
Misalnya tidak ada kolektor, aliran elektron seluruhnya akan menuju
base seperti pada dioda. Tetapi karena lebar base yang sangat
tipis, hanya sebagian elektron yang dapat bergabung dengan hole
yang ada pada base.
Sebagian besar akan menembus lapisan base menuju kolektor. Inilah
alasannya mengapa jika dua dioda digabungkan tidak dapat menjadi
sebuah transistor, karena persyaratannya adalah lebar base harus
sangat tipis sehingga dapat diterjang oleh elektron. Jika misalnya
tegangan base- emitor dibalik (reverse bias), maka tidak akan
terjadi aliran elektron dari emitor menuju kolektor.
Dasar Mekatronika dan penerapnya By AMIRIN FTUIA
31
Jika pelan-pelan 'keran' base diberi bias maju (forward bias),
elektron mengalir menuju kolektor dan besarnya sebanding dengan
besar arus bias base yang diberikan. Dengan kata lain, arus base
mengatur banyaknya elektron yang mengalir dari emiter menuju
kolektor. Ini yang dinamakan efek penguatan transistor, karena arus
base yang kecil menghasilkan arus emiter-colector yang lebih
besar.
Istilah amplifier (penguatan) menjadi salah kaprah,
karena dengan penjelasan di atas sebenarnya yang terjadi bukan
penguatan, melainkan arus yang lebih kecil mengontrol aliran arus
yang lebih besar. Juga dapat dijelaskan bahwa base mengatur membuka
dan menutup aliran arus emiter-kolektor (switch on/off ).Pada
transistor PNP, fenomena yang sama dapat dijelaskan dengan
memberikan bias seperti pada gambar berikut. Dalam hal ini yang
disebut perpindahan arus adalah arus hole.
arus hole transistor pnp
Untukmemudahkanpembahasanprinsipbias
transistorlebihlanjut,berikutadalahterminologi
parameter transistor. Dalam hal ini arah arus adalah dari potensial
yang lebih besar ke potensial yang lebih kecil.
arus potensial
IC : arus kolektor IB : arus base IE : arus emitor VC : tegangan
kolektor VB : tegangan base VE : tegangan emitor VCC : tegangan
pada kolektor VCE : tegangan jepit kolektor-emitor VEE : tegangan
pada emitor VBE : tegangan jepit base-emitor ICBO : arus
base-kolektor
Dasar Mekatronika dan penerapnya By AMIRIN FTUIA
32
VCB : tegangan jepit kolektor-base
Perlu diingat, walaupun tidak perbedaan pada doping bahan pembuat
emitor dan kolektor, namun pada prakteknya emitor dan kolektor
tidak dapat dibalik.
penampang transistor bipolar Dari satu bahan silikon (monolitic),
emitor dibuat terlebih dahulu,
kemudian base dengan doping yang berbeda dan terakhir adalah
kolektor. Terkadang dibuat juga efek dioda pada
terminal-terminalnya sehingga arus hanya akan terjadi pada arah
yang dikehendaki.
3.4.2 DIODA Kita dapat menyelidiki karakteristik statik dioda,
dengan cara
memasang dioda seri dengan sebuah catu daya dc dan sebuah
resistor.
Kurva karakteristik statik dioda
merupakan fungsi dari arus ID, arus yang melalui dioda, terhadap
tegangan VD, beda tegang antara titik a dan b (lihat gambar 1 dan
gambar 2)
karakteristik statik dioda
Karakteristik statik dioda dapat diperoleh dengan mengukur tegangan
dioda (Vab) dan arus yang melalui dioda, yaitu ID. Dapat diubah
dengan dua cara, yaitu mengubah VDD.Bila arus dioda ID kita plotkan
terhadap tegangan dioda Vab, kita peroleh karakteristik statik
dioda. Bila anoda berada pada tegangan lebih tinggi daripada katoda
(VD positif) dioda dikatakan mendapat bias forward. Bila VD negatip
disebut bias reserve atau bias mundur. Pada gambar 2 VC disebut
cut-in-voltage, IS arus saturasi dan VPIV adalah peak-inverse
voltage.
Bila harga VDD diubah, maka arus ID dan VD akan berubah pula. Bila
kita mempunyai karakteristik statik dioda dan kita tahu harga VDD
dan RL,
Dasar Mekatronika dan penerapnya By AMIRIN FTUIA
33
maka harga arus ID dan VD dapat kita tentukan sebagai berikut. Dari
gambar 1. VDD = Vab + (I· RL) atau I = -(Vab/RL) + (VDD / RL)
Bila hubungan di atas kita lukiskan pada karakteristik statik dioda
kita akan mendapatkan garis lurus dengan kemiringan (1/RL). Garis
ini disebut garis beban (load line). Ini ditunjukkan pada gambar
3.
Kita lihat bahwa garis beban memotong sumbu V dioda pada harga VDD
yaitu bila arus I=0, dan memotong sumbu I pada harga (VDD/RL).
Titik potong antara karakteristik statik dengan garis beban
memberikan harga tegangan dioda VD(q) dan arus dioda ID(q).
Dengan mengubah harga VDD kita akan mendapatkan garis-garis beban
sejajar seperti pada gambar 3.
Bila VDD<0 dan |VDD| < VPIV maka arus dioda yang mengalir
adalah kecil sekali, yaitu arus saturasi IS. Arus ini mempunyai
harga kira-kira 1 µA untuk dioda silikon.
Pengenalan vacuum Tube
Pada bagian ini penulis bermaksud mengajak para rekan rekan tube
mania untuk ngobrol mengenai prinsip kerja dari Tabung.
1. Emisi Electron
Membahas mengenai cara kerja tabung tak akan bisa lepas dari Proses
Emisi Electron karena sesungguhnya cara kerja tabung yang
paling mendasar ialah proses emisi elektron dan pengendaliannya.
Emisi elektron ialah proses pelepasan elektron dari permukaan suatu
substansi atau material yang disebabkan karena elektron elektron
tersebut mendapat energi dari luar.
Dalam realita yang ada proses emisi elektron cenderung terjadi pada
logam dibandingkan pada bahan lainnya, hal ini disebabkan karena
logam banyak memiliki elektron bebas yang selalu bergerak setiap
saat. Banyaknya elektron bebas pada logam disebabkan karena daya
tarik ini atom logam terhadap elektron, terutama pada elektron yang
terletak pada kulit terluar dari atom logam (elektron valensi)
tidak terlalu kuat dibandingkan yang terjadi pada bahan lainnya.
Akan tetapi walaupun daya tarik tesebut tidak
Dasar Mekatronika dan penerapnya By AMIRIN FTUIA
34
terlalu kuat, masihlah cukup untuk menahan elektron agar
tidak sampai lepas dari atom logam. Agar supaya elektron pada logam
bisa melompat keluar melalui permukaan logam, sehingga terjadi
proses emisi elektron, maka diperlukanlah sejumlah energi untuk
mengatasi daya tarik inti atom terhadap elektron. Besarnya energi
yang diperlukan oleh sebuah elektron untuk mengatasi daya tarik
inti atom sehingga bisa melompat keluar dari permukaan logam,
didefinisikan sebagai Fungsi Kerja (Work Function).Fungsi kerja
biasanya dinyatakan dalam satuan eV (electron volt), besarnya
fungsi kerja adalah berbeda untuk setiap logam.
Proses penerimaan energi luar oleh elektron agar bisa beremisi
dapat terjadi dengan beberapa cara, dan jenis proses penerimaan
energi inilah yang membedakan proses emisi elektron yaitu :
1. Emisi Thermionic (Thermionic emission) 2. Emisi medan listrik
(Field emission) 3. Emisi Sekunder (Secondary emission) 4. Emisi
Fotolistrik (Photovoltaic emission)
2. Emisi Thermionic
Pada emisi jenis ini, energi luar yang masuk ke bahan ialah dalam
bentuk energi panas. Oleh elektron energi panas ini diubah menjadi
energi kinetik. Semakin besar panas yang diterima oleh bahan maka
akan semakin besar pula kenaikan energi kinetik yang terjadi pada
elektron, dengan semakin besarnya kenaikan energi kinetik dari
elektron maka gerakan elektron menjadi semakin cepat dan semakin
tidak menentu. Pada situasi inilah akan terdapat elektron yang pada
ahirnya terlepas keluar melalui permukaan bahan.
Pada proses emisi thermionic dan juga pada proses emisi lainnya,
bahan yang digunakan sebagai asal ataupun sumber elektron disebut
sebagai "emiter" atau lebih sering disebut "katoda" (cathode),
sedangkan bahan yang menerima elektron disebut sebagai anoda. Dalam
konteks tabung hampa (vacuum tube) anoda lebih sering disebut
sebagai "plate". Dalam proses emisi thermionik dikenal dua macam
jenis katoda yaitu :
a) Katoda panas langsung (Direct Heated Cathode, disingkat
DHC)
b) Katoda panas tak langsung (Indirect Heated Cathode, disingkat
IHC)
Dasar Mekatronika dan penerapnya By AMIRIN FTUIA
35
Pada Figure 2 dapat dilihat struktur yang disederhanakan dan dari
simbol juga katoda pada DHC, katoda ini jenis sebagai
selainsumber elektron juga dialiri oleh arus
Struktur yang disederhanakan dan juga simbol dari IHC dapat dilihat
pada Figure 3. Katoda jenis ini tidak dialiri langsung oleh arus
heater, panas yang dibutuhkan untuk memanasi katoda dihasilkan oleh
heater element (elemen pemanas) dan panas ini dialirkan secara
konduksi dari heater elemen ke katoda dengan perantaraan insulasi
listrik, yaitu bahan yang baik dalam menghantarkan panas tetapi
tidak mengalirkan arus listrik. Pada proses emisi thermionik bahan
yang akan digunakan sebagai katoda harus memiliki sifat sifat yang
memadai untuk berperan dalam proses yaitu :
a. Memiliki fungsi kerja yang rendah, dengan fungsi kerja yang
rendah maka energi yang dibutuhkan untuk menarik elektron menjadi
lebih kecil sehingga proses emisi lebih mudah terjadi.
b. Memiliki titik lebur (melting point) yang tinggi. Pada proses
emisi thermionic katoda harus dipanaskan pada suhu yang cukup
tinggi untuk memungkinkan terjadinya lompatan elektron, dan suhu
ini bisa mencapaai 1500 derajat celcius.
c. Memiliki ketahanan mekanik (mechanical strenght) yang tinggi
Pada saat terjadinya emisi maka terjadi pula lompatan ion positif
dari plate menuju ke katoda. Lompatan ion positif tersebut oleh
katoda akan dirasakan sebagai benturan, sehingga agar supaya katoda
tidak mengalami deformasi maka bahan dari katoda harus memiliki
mechanical strenght yang tinggi. Pada aplikasi yang
sesungguhnya
Dasar Mekatronika dan penerapnya By AMIRIN FTUIA
36
ada tiga jenis material yang digunakan untuk membuat katoda, yaitu
:
-Tungsten
Material ini adalah material yang pertama kali digunakan orang
untuk membuat katode. Tungsten memiliki dua kelebihan untuk
digunakan sebagai katoda yaitu memiliki ketahanan mekanik dan juga
titik lebur yang tinggi (sekitar 3400 derajat Celcius), sehingga
tungsten banyak digunakan untuk aplikasi khas yaitu tabung X-Ray
yang bekerja pada tegangan sekitar 5000V dan temperature tinggi.
Akan tetapi untuk aplikasi yang umum terutama untuk aplikasi Tabung
Audio dimana tegangan kerja dan temperature tidak terlalu tinggi
maka tungsten bukan material yang ideal, hal ini disebabkan karena
tungsten memiliki fungsi kerja yang tinggi( 4,52 eV) dan juga
temperature kerja optimal yang cukup tinggi (sekitar 2200 derajat
celcius)
-Thoriated Tungsten
Material ini ialah campuran antara tungsten dan thorium. Thorium
adalah material yang secara individual memiliki fungsi kerja 3,4
eV, campuran antara thorium dan tungsten memiliki fungsi kerja
2,63eV, yaitu suatu nilai fungsi kerja yang lebih rendah
dibandingan dengan fungsi kerja tungsten ataupun thorium dalam
keadaan tidak dicampur. Selain itu hasil pencampuran kedua logam
tersebut memiliki temperature kerja optimal yang lebih rendah
daripada tungsten yaitu 1700 derajat celcius hal ini berarti
besarnya energi yang dibutuhkan untuk pemanasan pada aplikasi
pemakaian logam campuran ini juga lebih rendah.
-Katoda berlapis oksida (Oxide-Coated Cathode)
Katoda tipe ini terbuat dari lempengan nickel yang dilapis dengan
barium dan oksida strontium. Sebagai hasil dari pelapisan tersebut
maka dihasilkanlah katoda yang memiliki fungsi kerja yang dan
temperature kerja optimal rendah yaitu sekitar 750 derajat celsius.
Katoda jenis ini umumnya digunakan untuk aplikasi yang menggunakan
tegangan tidak lebih dari 1000 V.
3. Emisi Medan List rik (Field Emission)
Pada emisi jenis ini yang menjadi penyebab lepasnya elektron dari
bahan
Dasar Mekatronika dan penerapnya By AMIRIN FTUIA
37
ialah adanya gaya tarik medan listrik luar yang diberikan pada
bahan. Pada katoda yang digunakan pada proses emisi ini dikenakan
medan listrik yang cukup besar sehingga tarikan yang terjadi dari
medan listrik pada elektron menyebabkan elektron memiliki energi
yang cukup untuk lompat keluar dari permukaan katoda. Emisi medan
listrik adalah salah satu emisi utama yang terjadi pada vacuum tube
selain emisi thermionic.
4. Emisi Sekunder ( Secondary emission)
Pada emisi sekunder ini energi yang menjadi penyebab lepasnya
elektron datang dalam bentuk energi mekanik yaitu energi yang
diberikan dalam proses tumbukan antara elektron luar yang datang
dengan elektron yang ada pada katoda. Pada proses tumbukan terjadi
pemindahan sebagian energi kinetik dari elektron yang datang ke
elektron yang ada pada katoda sehingga elektron yang ada pada
katoda tersebut terpental keluar dari permukaan katoda. Pada
kenyataannya proses emisi sekunder tidak dapat berlangsung sukses
dengan sendirinya untuk melepaskan elektron dari permukaan akan
tetapi proses emisi ini masih membutuhkan dukungan dari emisi jenis
lainnya secara bersamaan yaitu emisi medan listrik. Dukungan proses
emisi medan listrik dibutuhkan pada proses emisi sekunder, karena
walaupun elektron sudah terpental keluar dari permukaan katoda akan
tetapi energi yang dimiliki oleh elektron ini seringkali tidak
cukup untuk
menjangkau anoda sehingga dibutuhkanlah dukungan energi dari proses
emisi medan listrik.
Dasar Mekatronika dan penerapnya By AMIRIN FTUIA
38
5. Emisi Fotolistr ik (Photo Electric Emission)
Pada emisi fotolistrik energi diberikan ke elektron pada katoda
melalui foton yaitu paket paket energi cahaya, yang oleh elektron
kemudian diubah menjadi energi mekanik sehingga elektron tersebut
dapat terlepas dari permukaan katoda. Sama seperti proses emisi
sekunder emisi fotolistrik juga tidak dapat berjalan dengan
sempurna tanpa bantuan proses emisi medan listrik, hal ini
disebabkan karena energi yang didapat oleh elektron dari foton
belum cukup untuk membuat elektron tersebut mampu menjangkau
anoda.
Sampai pada bagian ini kita baru saja meyelesaikan obrolan kita
mengenai emisi electron dan sekarang obrolan akan kita lanjutkan ke
pembahasan mengenai vacuum tube dan cara kerjanya.
Yang dimaksud dengan vacuum tube ialah peralatan elektronik dimana
aliran elektron terjadi pada ruang hampa. Ada beberapa jenis vacuum
tube yang umum digunakan yaitu
• - Dioda
• - Trioda
• -Tetroda
• - Pentoda
3.4.3 PENYEARAH
Penggunaan dioda yang paling umum adalah sebagai penyearah .
Penyearah adalah suatu rangkaian yang berfungsi untuk mengubah
tegangan bolak-balik menjadi tegangan searah. Penyearah dengan
dioda mengikuti sifat dioda yang akan menghantar pada satu arah
dengan drop tegangan yang kecil yaitu sebesar 0,7 volt.
Ada dua type rangkaian penyearah dengan menggunakan dioda
yaitu penyearah gelombang penuh dan penyearah setengah gelombang
yang mana kedua rangkaian tersebut akan diuji pada praktikum
3.4.3.1 Penyearah Setengah Gelombang
39
Penyearah Setengah Gelombang dengan Kapasitor
Untuk mendapatkan suatu tegangan DC yang baik dimana bentuk
tegangan hasil penyearahan adalah mendekati garis lurus maka
tegangan keluaran dari suatu rangkaian penyearah seperti terlihat
pada gambar 1.1 dihubungkan dengan suatu kapasitor secara paralel
terhadap beban seperti pada gambar 1.2 dimana arus dari keluaran
rangkaian penyearah selain akan melewati beban juga akan mengisi
kapasitor sehingga pada saat tegangan hasil penyearahan mengalami
penurunan maka kapasitor akan membuang muatannya kebeban dan
tegangan beban akan tertahan sebelum mencapai nol. Hal ini dapat
dijelaskan pada gambar berikut:
Hasil penyearahan yang tidak ideal akan mengakibatkan adanya ripple
seperti terlihat pada gambar diatas dimana tegangan ripple yang
dihasilkan dapat ditentukan oleh persamaan berikut :
Ripple (peak to peak) = Idc . (T / C)
Dimana Idc dalam hal ini adalah tegangan keluaran dibagi dengan R
beban. T adalah periode tegangan ripple (detik) dan C adalah nilai
kapasitor (Farad) yang digunakan.
3.4.3.2 Penyearah Gelombang Penuh
Dasar Mekatronika dan penerapnya By AMIRIN FTUIA
40
3.4.4 DIODA ZENER Sebagian dioda semikonduktor bila dihubungkan
dengan suatu tegangan balik yang cukup akan melakukan suatu arus
balik. Hal ini tidak ditunjukkan sebelumnya karena biasanya akan
merusak dioda. Akan tetapi dioda Zener justru adalah suatu dioda
yang dirancang untuk bisa melakukan arus balik dengan aman dan
dengan drop tegangan hanya beberapa volt saja. Simbol dioda zener
adalah seperti pada gambar 2.1 dimana bentuk simbol tersebut
menyerupai dioda biasa kecuali garis melintang pada kepala panah
yang digunakan untuk menyatakan sudut karakteristik balik. Pada
arah maju dioda zener berperilaku seperti dioda biasa.
AK
3.4.5 Transis tor
Dasar Mekatronika dan penerapnya By AMIRIN FTUIA
41
Pada umumnya, transistor memiliki 3 terminal. Tegangan atau arus
yang dipasang di satu terminalnya mengatur arus yang lebih besar
yang melalui 2 terminal lainnya. Transistor adalah komponen yang
sangat penting dalam dunia elektronik modern. Dalam rangkaian
analog, transistor digunakan dalam amplifier (penguat). Rangkaian
analog melingkupi pengeras suara, sumber listrik stabil, dan
penguat sinyal radio. Dalam rangkaian-rangkaian digital, transistor
digunakan sebagai saklar berkecepatan tinggi. Beberapa
transistor juga dapat dirangkai sedemikian rupa sehingga berfungsi
sebagai logic gate, memori, dan komponen- komponen lainnya.
Cara Kerja Semikonduktor
Pada dasarnya, transistor dan tabung vakum memiliki fungsi yang
serupa; keduanya mengatur jumlah aliran arus listrik.
) terbentuk. Menaikan konsentrasi garam akan meningkatkan konduksi,
namun tidak banyak. Garam dapur sendiri adalah nonkonduktor
(isolator ), karena pembawa muatanya tidak bebas.
Silikon murni sendiri adalah sebuah isolator, namun jika sedikit
pencemar ditambahkan, seperti Arsenik, dengan sebuah proses yang
dinamakan doping, dalam jumlah yang cukup kecil sehingga tidak
mengacaukan tata letak kristal silikon, Arsenik akan memberikan
elektron bebas dan hasilnya memungkinkan terjadinya konduksi arus
listrik. Ini karena Arsenik memiliki 5 atom di orbit terluarnya,
sedangkan Silikon hanya 4. Konduksi terjadi karena pembawa muatan
bebas telah ditambahkan (oleh kelebihan elektron dari Arsenik).
Dalam kasus ini, sebuah Silikon tipe-n (n untuk negatif, karena
pembawa muatannya adalah elektron yang bermuatan negatif) telah
terbentuk.
Selain dari itu, Silikon dapat dicampur dengn Boron untuk membuat
semikonduktor tipe-p. Karena Boron hanya memiliki 3 elektron di
orbit paling luarnya, pembawa muatan yang baru, dinamakan "lubang"
(hole, pembawa muatan positif), akan terbentuk di dalam tata letak
kristal silikon.
Dalam tabung hampa, pembawa muatan (elektron) akan dipancarkan oleh
emisi thermionic dari sebuah katode yang dipanaskan
oleh kawat filamen. Karena itu, tabung hampa tidak bisa membuat
pembawa muatan positif (hole).
Dapat disimak bahwa pembawa muatan yang bermuatan sama akan saling
tolak menolak, sehingga tanpa adanya gaya yang lain, pembawa-
pembawa muatan ini akan terdistribusi secara merata di dalam materi
semikonduktor. Namun di dalam sebuah transistor bipolar (atau diode
junction) dimana sebuah semikonduktor tipe-p dan sebuah
semikonduktor
Dasar Mekatronika dan penerapnya By AMIRIN FTUIA
42
tipen dibuat dalam satu keping Silikon, pembawapembawa muatan ini
cenderung berpindah ke arah sambungan P-N tersebut (perbatasan
antara semikonduktor tipe-p dan tipe-n), karena tertarik oleh
muatan yang berlawanan dari seberangnya.
Kenaikan dari jumlah pencemar (doping level) akan meningkatkan
konduktivitas dari materi semikonduktor, asalkan tata-letak kristal
Silikon tetap dipertahankan. Dalam sebuah transistor bipolar,
daerah terminal emiter memiliki jumlah doping yang lebih besar
dibandingkan dengan terminal basis. Rasio perbandingan antara
doping emiter dan basis adalah satu dari banyak faktor yang
menentukan sifat penguatan arus (current gain) dari transistor
tersebut.
Jumlah doping yang diperlukan sebuah semikonduktor adalah sangat
kecil, dalam ukuran satu berbanding seratus juta, dan ini menjadi
kunci dalam keberhasilan semikonduktor. Dalam sebuah metal,
populasi pembawa muatan adalah sangat tinggi; satu pembawa muatan
untuk setiap atom. Dalam metal, untuk merubah metal menjadi
isolator, pembawa muatan harus disapu dengan memasang suatu beda
tegangan. Dalam metal, tegangan ini sangat tinggi, jauh lebih
tinggi dari yang mampu menghancurkannya. Namun, dalam sebuah
semikonduktor hanya ada satu pembawa muatan dalam beberapa juta
atom. Jumlah tegangan yang diperlukan untuk menyapu pembawa muatan
dalam sejumlah besar semikonduktor dapat dicapai dengan mudah.
Dengan kata lain, listrik di dalam metal adalah inkompresible
(tidak bisa dimampatkan), seperti fluida. Sedangkan dalam
semikonduktor, listrik bersifat seperti gas yang bisa dimampatkan.
Semikonduktor dengan doping dapat dirubah menjadi isolator,
sedangkan metal tidak.
Gambaran di atas menjelaskan konduksi disebabkan oleh pembawa
muatan, yaitu elektron atau lubang, namun dasarnya transistor
bipolar adalah aksi kegiatan dari pembawa muatan tersebut untuk
menyebrangi daerah depletion zone. Depletion zone ini terbentuk
karena transistor tersebut diberikan tegangan bias terbalik, oleh
tegangan yang diberikan di antara basis dan emiter. Walau
transistor terlihat seperti dibentuk oleh dua diode yang
disambungkan, sebuah transistor sendiri tidak bisa dibuat dengan
menyambungkan dua diode. Untuk membuat transistor, bagian-
bagiannya harus dibuat dari sepotong kristal silikon, dengan sebuah
daerah basis yang sangat tipis.
Cara Kerja Transistor
Dari banyak tipe-tipe transistor modern, pada awalnya ada dua tipe
dasar transistor, bipolar junction transistor (BJT atau
transistor bipolar) dan field-effect transistor (FET),
yang masing-masing bekerja secara berbeda.
Transistor bipolar dinamakan demikian karena kanal konduksi
utamanya menggunakan dua polaritas pembawa muatan: elektron dan
lubang, untuk membawa arus listrik. Dalam BJT, arus listrik utama
harus melewati satu daerah/lapisan pembatas dinamakan depletion
zone, dan ketebalan lapisan ini dapat diatur dengan kecepatan
tinggi dengan tujuan untuk mengatur aliran arus utama
tersebut.
Dasar Mekatronika dan penerapnya By AMIRIN FTUIA
43
FET (juga dinamakan transistor unipolar) hanya menggunakan satu
jenis pembawa muatan (elektron atau hole, tergantung dari
tipe FET). Dalam FET, arus listrik utama mengalir dalam satu kanal
konduksi sempit dengan depletion zone di kedua sisinya
(dibandingkan dengan transistor bipolar dimana daerah Basis
memotong arah arus listrik utama). Dan ketebalan dari daerah
perbatasan ini dapat dirubah dengan perubahan tegangan yang
diberikan, untuk merubah ketebalan kanal konduksi tersebut. Lihat
artikel untuk masing-masing tipe untuk penjelasan yang lebih
lanjut.
Jenis-Jenis Transistor
Simbol Transistor dari Berbagai Tipe Secara umum, transistor dapat
dibeda-bedakan berdasarkan banyak kategori:
• Materi semikonduktor: Germanium, Silikon, Gallium
Arsenide
• Kemasan fisik: Through Hole Metal, Through Hole Plastic,
Surface Mount, IC, dan lain-lain
• Tipe: UJT, BJT, JFET, IGFET ( MOSFET), IGBT, HBT, MISFET,
VMOSFET, MESFET, HEMT, dan lain-lain
• Polaritas: NPN atau N-channel, PNP atau P-channel
Dasar Mekatronika dan penerapnya By AMIRIN FTUIA
44
• Maximum frekwensi kerja: Low, Medium, atau High Frequency,
RF transistor, Microwave, dan lain-lain
• Aplikasi: Amplifier, Saklar, General Purpose, Audio,
Tegangan Tinggi, dan lain-lain
BJT
BJT (Bipolar Junction Transistor) adalah salah satu dari dua
jenis transistor. Cara kerja BJT dapat dibayangkan sebagai dua
dioda yang terminal positif atau negatifnya berdempet, sehingga ada
tiga terminal. Ketiga terminal tersebut adalah emiter (E), kolektor
(C), dan basis (B).
Perubahan arus listrik dalam jumlah kecil pada terminal basis dapat
menghasilkan perubahan arus listrik dalam jumlah besar pada
terminal kolektor. Prinsip inilah yang mendasari penggunaan
transistor sebagai penguat elektronik. Rasio antara arus pada
koletor dengan arus pada basis biasanya dilambangkan dengan β
atau hFE. β biasanya berkisar sekitar 100 untuk
transistor-transisor BJT.
FET
FET dibagi menjadi dua keluarga: Junction FET (JFET) dan Insulated
Gate FET (IGFET) atau juga dikenal sebagai Metal Oxide Silicon
(atau Semiconductor) FET (MOSFET). Berbeda dengan IGFET, terminal
gate dalam JFET membentuk sebuah dioda dengan kanal (materi
semikonduktor antara Source dan Drain). Secara fungsinya, ini
membuat N-channel JFET menjadi sebuah versi solid-state dari tabung
vakum, yang juga membentuk sebuah dioda antara antara grid
dan katode. Dan juga, keduanya (JFET dan tabung vakum) bekerja di
"depletion mode", keduanya memiliki impedansi input tinggi, dan
keduanya menghantarkan arus listrik dibawah kontrol tegangan
input.
FET lebih jauh lagi dibagi menjadi tipe enhancement mode dan
depletion mode. Mode menandakan polaritas dari tegangan gate
dibandingkan dengan source saat FET menghantarkan listrik. Jika
kita ambil N-channel FET sebagai contoh: dalam depletion mode, gate
adalah negatif dibandingkan dengan source, sedangkan dalam
enhancement mode, gate adalah positif. Untuk kedua mode, jika
tegangan gate dibuat lebih positif, aliran arus di antara source
dan drain akan meningkat. Untuk P-channel FET, polaritas-polaritas
semua dibalik. Sebagian besar IGFET adalah tipe enhancement mode,
dan hampir semua JFET adalah tipe depletion mode. kalau perlu
mendesain sinyal level meter, histeresis pengatur suhu, osilator,
pembangkit sinyal, penguat audio, penguat mic, filter aktif semisal
tapis nada bass, mixer, konverter sinyal, integrator,
differensiator, komparator dan sederet aplikasi lainnya, selalu
pilihan yang mudah adalah dengan membolak-balik data komponen yang
bernama op- amp. Komponen elektronika analog dalam kemasan IC
(integrated circuits) ini memang adalah komponen serbaguna dan
dipakai pada
Dasar Mekatronika dan penerapnya By AMIRIN FTUIA
45
banyak aplikasi hingga sekarang. Hanya dengan menambah beberapa
resitor dan potensiometer, dalam sekejap (atau dua kejap) sebuah
pre- amp audio kelas B sudah dapat jadi dirangkai di atas sebuah
proto-board.
Penguat diferensial Op-amp dinamakan juga dengan penguat
diferensial (differential
amplifier). Sesuai dengan istilah ini, op-amp adalah komponen IC
yang memiliki 2 input tegangan dan 1 output tegangan, dimana
tegangan output-nya adalah proporsional terhadap perbedaan tegangan
antara kedua inputnya itu. Penguat diferensial seperti yang
ditunjukkan pada gambar-1 merupakan rangkaian dasar dari sebuah
opamp.
gambar-1 : penguat diferensial Pada rangkaian yang demikian,
persamaan pada titik Vout adalah Vout
= A(v1-v2) dengan A adalah nilai penguatan dari penguat diferensial
ini. Titik input v1 dikatakan sebagai input non-iverting,
sebab tegangan vout satu phase dengan v1. Sedangkan sebaliknya
titik v2 dikatakan input inverting sebab berlawanan phasa dengan
tengangan vout.
Diagram Op-amp
Op-amp di dalamnya terdiri dari beberapa bagian, yang pertama
adalah penguat diferensial, lalu ada tahap penguatan (gain),
selanjutnya ada rangkaian penggeser level (level shifter ) dan
kemudian penguat akhir yang biasanya dibuat dengan penguat
push-pull kelas B. Gambar-2(a) berikut menunjukkan diagram dari
op-amp yang terdiri dari beberapa bagian tersebut.
Dasar Mekatronika dan penerapnya By AMIRIN FTUIA
46
Simbol op-amp adalah seperti pada gambar-2(b) dengan 2 input, non-
inverting (+) dan input inverting (-). Umumnya op-amp bekerja
dengan dual supply (+Vcc dan –Vee) namun banyak juga op-amp dibuat
dengan single supply (Vcc – ground). Simbol rangkaian di
dalam op-amp pada gambar-2(b) adalah parameter umum dari sebuah
op-amp. Rin adalah resitansi input yang nilai idealnya infinit (tak
terhingga). Rout adalah resistansi output dan besar resistansi
idealnya 0 (nol). Sedangkan AOL adalah nilai penguatan open loop
dan nilai idealnya tak terhingga.
Saat ini banyak terdapat tipe-tipe op-amp dengan karakterisktik
yang spesifik. Op-amp standard type 741 dalam kemasan IC DIP 8 pin
sudah dibuat sejak tahun 1960-an. Untuk tipe yang sama, tiap
pabrikan mengeluarkan seri IC dengan insial atau nama yang berbeda.
Misalnya dikenal MC1741 dari motorola, LM741 buatan National
Semiconductor, SN741 dari Texas Instrument dan lain sebagainya.
Tergantung dari teknologi pembuatan dan desain IC-nya,
karakteristik satu op-amp dapat berbeda dengan opamp lain. Tabel-1
menunjukkan beberapa parameter op-amp yang penting beserta nilai
idealnya dan juga contoh real dari parameter LM714.
tabel-1 : parameter op-amp yang penting
Dasar Mekatronika dan penerapnya By AMIRIN FTUIA
47
Penguatan Open-loop
Op-amp idealnya memiliki penguatan open-loop (AOL) yang tak
terhingga. Namun pada prakteknya opamp semisal LM741 memiliki
penguatan yang terhingga kira-kira 100.000 kali. Sebenarnya dengan
penguatan yang sebesar ini, sistem penguatan opamp menjadi tidak
stabil. Input diferensial yang amat kecil saja sudah dapat membuat
outputnya menjadi saturasi.
Unity-gain frequency
Op-amp ideal mestinya bisa bekerja pada frekuensi berapa saja mulai
dari sinyal dc sampai frekuensi giga Herzt. Parameter unity-gain
frequency menjadi penting jika op-amp digunakan untuk aplikasi
dengan frekuensi tertentu. Parameter AOL biasanya adalah penguatan
op-amp pada sinyal DC. Response penguatan op-amp menurun seiring
dengan menaiknya frekuenci sinyal input. Op-amp LM741 misalnya
memiliki unity-gain frequency sebesar 1 MHz. Ini berarti penguatan
op-amp akan menjadi 1 kali pada frekuensi 1 MHz. Jika perlu
merancang aplikasi pada frekeunsi tinggi, maka pilihlah op-amp yang
memiliki unity-gain frequency lebih tinggi.
Slew rate
Di dalam op-amp kadang ditambahkan beberapa kapasitor untuk
kompensasi dan mereduksi noise. Namun kapasitor ini menimbulkan
kerugian yang menyebabkan response op-amp terhadap sinyal input
menjadi lambat. Op-amp ideal memiliki parameter slew-rate yang tak
terhingga. Sehingga jika input berupa sinyal kotak, maka outputnya
juga kotak. Tetapi karena ketidak idealan op-amp, maka sinyal
output dapat berbentuk ekponensial. Sebagai contoh praktis, op-amp
LM741 memiliki slew-rate sebesar 0.5V/us. Ini berarti perubahan
output op-amp LM741 tidak bisa lebih cepat dari 0.5 volt dalam
waktu 1 us.
Parameter CMRR
Ada satu parameter yang dinamakan CMRR (Commom Mode Rejection
Ratio). Parameter ini cukup penting untuk menunjukkan kinerja
op-amp tersebut. Op-amp dasarnya adalah penguat diferensial dan
mestinya tegangan input yang dikuatkan hanyalah selisih tegangan
antara input v1 (non-inverting) dengan input v2 (inverting). Karena
ketidak- idealan op-amp, maka tegangan persamaan dari kedua input
ini ikut juga dikuatkan. Parameter CMRR diartikan sebagai kemampuan
op-amp untuk menekan penguatan tegangan ini (common mode)
sekecilkecilnya. CMRR didefenisikan dengan rumus CMRR = ADM/ACM
yang dinyatakan dengan satuan dB. Contohnya op-amp dengan CMRR = 90
dB, ini artinya penguatan ADM (differential mode) adalah kira-kira
30.000 kali dibandingkan penguatan ACM (commom mode). Kalau
CMRR-nya 30 dB, maka artinya perbandingannya kira-kira hanya 30
kali.
Dasar Mekatronika dan penerapnya By AMIRIN FTUIA
48
Kalau diaplikasikan secara real, misalkan tegangan input v 1 = 5.05
volt dan tegangan v2 = 5 volt, maka dalam hal ini tegangan
diferensialnya (differential mode) = 0.05 volt dan tegangan
persamaan-nya (common mode) adalah 5 volt. Pembaca dapat mengerti
dengan CMRR yang makin besar maka op-amp diharapkan akan dapat
menekan penguatan sinyal yang tidak diinginkan (common mode)
sekecil-kecilnya. Jika kedua pin input dihubung singkat dan diberi
tegangan, maka output op-amp mestinya nol. Dengan kata lain, op-amp
dengan CMRR yang semakin besar akan semakin baik.
LM714 termasuk jenis op-amp yang sering digunakan dan banyak
dijumpai dipasaran. Contoh lain misalnya TL072 dan keluarganya
sering digunakan untuk penguat audio. Tipe lain seperti
LM139/239/339 adalah opamp yang sering dipakai sebagai komparator.
Di pasaran ada banyak tipe op-amp. Cara yang paling baik pada saat
mendesain aplikasi dengan op-amp adalah dengan melihat dulu
karakteristik opamp tersebut. Saat ini banyak op-amp yang
dilengkapi dengan kemampuan seperti current sensing, current
limmiter, rangkaian kompensasi temperatur dan lainnya. Ada
juga op-amp untuk aplikasi khusus seperti aplikasi frekuesi tinggi,
open colector output, high power output dan lain sebagainya. Data
karakteristik op-amp yang lengkap, ya ada di datasheet.
Analisa Rangkaian Op-Amp Popular
Operational Amplifier atau di singkat op-amp merupakan
salah satu komponen analog yang popular digunakan dalam berbagai
aplikasi rangkaian elektronika. Aplikasi op-amp popular yang paling
sering dibuat antara lain adalah rangkaian inverter, non-inverter,
integrator dan differensiator. Pada pokok bahasan kali ini akan
dipaparkan beberapa aplikasi opamp yang paling dasar, dimana
rangkaian feedback (umpan balik) negatif memegang peranan penting.
Secara umum, umpanbalik positif akan menghasilkan osilasi sedangkan
umpanbalik negatif menghasilkan penguatan yang dapat terukur.
Op-amp ideal
Op-amp pada dasarnya adalah sebuah differential
amplifier (penguat diferensial) yang memiliki dua
masukan. Input (masukan) op-amp seperti yang telah dimaklumi ada
yang dinamakan input inverting dan non- inverting. Op-amp ideal
memiliki open loop gain (penguatan loop terbuka) yang tak terhingga
besarnya. Seperti misalnya op-amp LM741 yang sering digunakan oleh
banyak praktisi elektronika, memiliki karakteristik tipikal
open loop gain sebesar 10 4
~ 10 5
. Penguatan yang sebesar ini membuat opamp menjadi tidak stabil,
dan penguatannya menjadi tidak terukur (infinite). Disinilah peran
rangkaian negative feedback (umpanbalik negatif) diperlukan,
sehingga op-amp dapat dirangkai menjadi aplikasi dengan nilai
penguatan yang terukur (finite). Impedasi input op-amp ideal
mestinya adalah tak terhingga, sehingga mestinya arus input pada
tiap
Dasar Mekatronika dan penerapnya By AMIRIN FTUIA
49
memiliki impedansi input Zin = 10 6
Ohm. Nilai impedansi ini masih relatif sangat besar sehingga
arus input op-amp LM741 mestinya sangat kecil.
Ada dua aturan penting dalam melakukan analisa rangkaian
op-amp berdasarkan karakteristik op-amp ideal. Aturan ini dalam
beberapa literatur dinamakan golden rule, yaitu :
Aturan 1 : Perbedaan tegangan antara input v+ dan
v-adalah nol (v+ - v-= 0 atau v+ = v-) Aturan 2 : Arus
pada
input Op-amp adalah nol (i+ = i- = 0)
Inilah dua aturan penting op-amp ideal yang digunakan untuk
menganalisa rangkaian op-amp.
Inverting amplifier
Rangkaian dasar