Post on 01-Oct-2015
description
BAB 2
LANDASAN TEORI
2.1 Sensor Dan Transduser
Model apapun yang digunakan dalam sistem otomasi pemabrikan sangat
bergantung kepada keandalan sistem kendali yang dipakai. Hasil penelitian
menunjukkan secanggih apapun sistem kendali yang dipakai akan sangat
bergantung kepada sensor maupun transduser yang digunakan. Pada bagian
selanjutnya akan dijelaskan tentang pengertian maupun jenis-jenis sensor dan
transduser.
2.1.1 Pengertian
Sensor adalah suatu peralatan yang berfungsi untuk mendeteksi gejala-
gejala atau sinyal-sinyal yang berasal dari perubahan suatu energi seperti energi
listrik, energi fisika, energi kimia, energi biologi, energi mekanik dan sebagainya.
Contohnya camera sebagai sensor penglihatan, telinga sebagai sensor
pendengaran, kulit sebagai sensor peraba, LDR (light dependent resistance)
sebagai sensor cahaya, dan lainnya.
Transduser adalah sebuah alat yang bila digerakan oleh suatu energi di
dalam sebuah sistem transmisi, akan menyalurkan energi tersebut dalam bentuk
yang sama atau dalam bentuk yang berlainan ke sistem transmisi berikutnya.
Transmisi energi ini bisa berupa listrik, mekanik, kimia, optic (radiasi) atau
thermal (panas). Contohnya generator adalah transduser yang merubah energi
Universitas Sumatera Utara
mekanik menjadi energi listrik, motor adalah transduser yang merubah energi
listrik menjadi energi mekanik, dan sebagainya.
2.1.2 Klasifikasi Sensor Dan Transduser
Secara umum berdasarkan fungsi dan penggunaannya sensor dapat
dikelompokan menjadi 3 bagian yaitu:
a. sensor thermal (panas)
b. sensor mekanis
c. sensor optik (cahaya)
Sensor thermal adalah sensor yang digunakan untuk mendeteksi gejala
perubahan panas/temperatur/suhu pada suatu dimensi benda atau dimensi ruang
tertentu. Contohnya bimetal, termistor, termokopel, RTD, photo transistor, photo
dioda, photo multiplier, photovoltaik, infrared pyrometer, hygrometer, dsb.
Sensor mekanis adalah sensor yang mendeteksi perubahan gerak mekanis,
seperti perpindahan atau pergeseran atau posisi, gerak lurus dan melingkar,
tekanan, aliran, level dsb. Contohnya strain gage, linear variable deferential
transformer (LVDT), proximity, potensiometer, load cell, bourdon tube, dsb.
Sensor optic atau cahaya adalah sensor yang mendeteksi perubahan
cahaya dari sumber cahaya, pantulan cahaya ataupun bias cahaya yang mengernai
benda atau ruangan. Contohnya photo cell, photo transistor, photo diode, photo
voltaic, photo multiplier, pyrometer optic, dsb.
Universitas Sumatera Utara
Sementara klasifikasi transduser adalah :
a. Self generating transduser (transduser pembangkit sendiri)
Self generating transduser adalah transduser yang hanya memerlukan satu
sumber energi. Contohnya piezo electric, termocouple, photovoltatic,
termistor, dsb. Ciri transduser ini adalah dihasilkannya suatu energi listrik
dari transduser secara langsung. Dalam hal ini transduser berperan sebagai
sumber tegangan.
b. External power transduser (transduser daya dari luar)
External power transduser adalah transduser yang memerlukan sejumlah
energi dari luar untuk menghasilkan suatu keluaran. Contohnya RTD
(resistance thermal detector), Strain gauge, LVDT (linier variable
differential transformer), Potensiometer, NTC, dsb.
2.2 Sensor Cahaya
Penggunaan sensor cahaya dalam sistem kendali pada industri sangat
efektif dan efisien. Oleh karena itu sensor cahaya banyak digunakan pada pabrik-
pabrik dan juga pada sistem keamanan gedung-gedung bertingkat. Pada bagian
selanjutnya akan dibahas tentang energi cahaya dan juga jenis-jenis sensor cahaya.
2.2.1 Pengertian
Elemen-elemen sensitive cahaya merupakan alat terandalkan untuk
mendeteksi energi cahaya. Alat ini melebihi sensitivitas mata manusia terhadap
semua spectrum warna dan juga bekerja dalam daerah-daerah ultraviolet dan infra
merah.
Universitas Sumatera Utara
Energi cahaya bila diolah dengan cara yang tepat akan dapat dimanfaatkan
secara maksimal untuk teknik pengukuran, teknik pengontrolan dan teknik
kompensasi.
Cahaya merupakan gelombang elektromagnetis (EM) yang memiliki
spectrum warna yang berbeda satu sama lain. Setiap warna dalam spectrum
mempunyai energi, frekuensi dan panjang gelombang yang berbeda. Hubungan
spektrum optis dan energi dapat dilihat pada formula dan Gambar berikut. Energi
photon (Ep) setiap warna dalam spektrum cahaya nilainya adalah:
hchfWp == . . . . . . . . . . . . (2.1)
Dimana :
Wp = energi photon (eV)
h = konstanta Plancks (6,63 x 10-34 J-s)
c = kecepatan cahaya, Electro Magnetic (2,998 x 108 m/s)
= panjang gelombang (m)
f = frekuensi (Hz)
Frekuensi foton bergantung pada energi yang dilepas atau diterima saat
elektron berpindah tingkat energinya. Spektrum gelombang optis diperlihatkan
pada Gambar 2.1, spektrum warna cahaya terdiri dari ultra violet dengan panjang
gelombang 200 sampai 400 nanometer (nm), visible adalah spektrum warna
cahaya yang dapat dilihat oleh mata dengan panjang gelombang 400 sampai 800
nm yaitu warna violet, hijau dan merah, sedangkan spektrum warna infrared
mulai dari 800 sampai 1600 nm adalah warna cahaya dengan frekuensi terpendek.
Universitas Sumatera Utara
Untuk lebih jelasnya, spektrum warna cahaya dapat dilihat pada Gambar 2.1.
Sedangkan daya spektral cahaya dapat dilihat pada Gambar 2.2.
Gambar 2.1 Spektrum Gelombang EM
Gambar 2.2 Kurva Output Sinyal Optis
Bahan-bahan yang dapat dijadikan sumber energi selain matahari adalah
antara lain:
a. Incandescent Lamp yaitu lampu yang menghasilkan energi cahaya dari
pijaran filament bertekanan tinggi, misalnya lampu mobil, lampu spot
light, lampu flashlight.
Ultraviolet Visible Infrared
Photon energy, eV
200 400 800 1600
4 2 1
Wavelength, nm
Vio
let
Gre
en
Red
Universitas Sumatera Utara
b. Energi Atom, yaitu memanfaatkan loncatan atom dari valensi energi 1 ke
level energi berikutnya.
c. Fluorescense yaitu sumber cahaya yang berasal dari perpendaran bahan
fluorescence yang terkena cahaya tajam, seperti layar osciloskop.
d. Sinar Laser adalah sumber energi mutakhir yang dimanfaatkan untuk
sebagai cahaya dengan kelebihannya antara lain : monochromatic (cahaya
tunggal atau membentuk garis lurus), coherent (cahaya seragam dari
sumber sampai ke beban sama), dan divergence (simpangan sangat kecil
yaitu 0,001 radians).
2.2.2 Jenis-Jenis Sensor Cahaya
Banyak peralatan sistem kendali menggunakan sensor cahaya, oleh karena
sensor ini bayak jenisnya. Baik berdasarkan prinsip kerja maupun ukuran sensor
ini terdiri dari berbagai jenis, diantaranya adalah :
1. Dioda foto
2. Transistor foto
3. Tabung cahaya berisi gas
4. Pemfotodaraf
5. Fotosel
2.2.3 Dioda foto
Dioda foto memanfaatkan sifat-sifat sel emisi cahaya atau tabung cahaya.
Tabung cahaya merupakan sebuah alat pemancar energi yang mengontrol
pancaran elektronnya bila dihadapkan ke cahaya yang datang. Kontruksi sebuah
Universitas Sumatera Utara
dioda foto diperlihatkan pada Gambar 2.3 (a) dan simbolnya dalam diagram
skema pada Gambar 2.3 (b).
(a) (b)
Gambar 2.3 Dioda foto
a. Konstruksi Dioda foto
b.Diagram Skema Dioda foto
Elemen setengah lingkaran yang besar adalah katoda yang sensitif cahaya
dan kawat tipis yang menuju pusat tabung adalah anoda. Kedua elemen ini
ditempatkan di dalam sebuah pembungkus (envelope) gelas yang telah
dihampakan. Bila antara anoda dan katoda diberikan suatu tegangan konstan, arus
di dalam rangkaian berbanding langsung dengan banyaknya cahaya atau intensitas
cahaya yang jatuh pada katoda.
Katoda cahaya memancarkan elektron bila dirangsang dengan energi
pancaran yang datang. Pada waktu itu katoda cahaya yang paling penting
digunakan di dalam tabung cahaya vakum adalah permukaan cesium-antimony,
yang ditandai dengan sensitivitas yang tinggi di dalam spektrum visibel. Jenis
gelas yang digunakan di dalam penutup gelas terutama menentukan sensitivitas
alat pada panjang gelombang yang lain. Biasanya gelas menghentikan transmisi
radiasi dalam daerah ultraviolet.
Universitas Sumatera Utara
Karateristik khas antara tegangan dan arus diperlihatkan pada Gambar 2.4
(a). Bila tegangan yang cukup diberikan antara katoda cahaya dan anoda, arus
yang terkumpul secara keseluruhan hampir bergantung pada jumlah cahaya yang
masuk. Tabung cahaya vakum ditandai oleh status respons arus cahaya yang
linear sepanjang suatu rangkuman yang lebar, begitu besar sehingga tabung-
tabung ini sering digunakan sebagai standar dalam pengukuran pembandingan
cahaya. Gambar 2.4 (b) memperlihatkan hubungan linear antara arus dan cahaya.
(a)
(b)
Gambar 2.4 Karakterisrik Dioda Foto
a. Karakteristik Arus vs Tegangan b. Arus vs Fluksi Cahaya
Universitas Sumatera Utara
2.2.4 Transistor Foto
Sama halnya dioda foto, maka transistor foto juga dapat dibuat sebagai
sensor cahaya. Teknis yang baik adalah dengan menggabungkan dioda foto
dengan transistor foto dalam satu rangkaian seperti terlihat pada Gambar 2.5.
Gambar 2.5 Rangkaian Uji Transistor Foto
Adapun perbedaan karateristik antara dioda foto dan transistor foto adalah
sebagai berikut.
Karakteristik transistor foto yaitu hubungan arus, tegangan dan intensitas
foto dapat dilihat pada Gambar 2.6
Kombinasi dioda foto dan transistor dalam satu chip
Transistor sebagai penguat arus
Linieritas dan respons frekuensi tidak sebaik dioda foto
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.6 Karateristik Transistor foto
2.2.5 Tabung Cahaya Berisi Gas
Tabung cahaya berisi gas memiliki kontruksi umum yang sama seperti
tabung cahaya vakum, kecuali bahwa penutup berisi gas lamban (biasanya argon)
pada suatu tekanan yang sangat rendah. Elektron dipancarkan dari katoda melalui
kekuatan photoelectric dan mempercepatnya melalui gas dengan memberikan
tegangan pada anoda. Jika energi elektron melebihi potensial ionisasi gas (15, 7 V
untuk argon), tumbukan sebuah elektron dan molekul gas dapat menyebabkan
ionisasi, yakni pembentukan sebuah ion positif dan sebuah elektron sekunder. Jika
selanjutnya tegangan diperbesar melebihi potensial ionisasi, arus yang
dikumpulkan oleh anoda bertambah karena jumlah tumbukan antara elektron
cahaya (photo-elektron) dan molekul gas lebih banyak. Jika tegangan anoda
dinaikkan ke suatu nilai yang sangat tinggi, arus menjadi tidak terkontrol; maka
semua molekul gas terionisasi dan tabung memiliki suatu lucutan kilap (glow
discharge). Keadaan ini harus dicegah karena dapat merusak tabung untuk
seterusnya. Karateristik khas anatara arus dan tegangan untuk berbagai level
cahaya diperlihatkan pada Gambar 2.7.
40 30 20 10
Intensity (W/m2)
2 4 6 8 10 12 14 16 Collector-Emitter Voltage
28
20
12
8
4 Col
lect
or C
urre
nt (m
A)
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.7 Karakteristik Khas Antara Tegangan dan Arus pada Tabung Gas
2.2.6 Pemfotodarap (Photomultiplier)
Untuk mendeteksi level-level cahaya yang sangat rendah, dalam
kebanyakan pemakaian diperlukan penguatan khusus bagi arus cahaya.
Pemfotodarap atau alat menggandakan cahaya (photomultiplier), menggunakan
emisi sekunder untuk memberikan penguatan arus diatas faktor 106 dan berarti
menjadi sebuah detektor yang sangat bermanfaat bagi level cahaya yang rendah.
Dalam sebuah pemfotodarap, elektron yang dipancarkan oleh fotokatoda
diarahkan secara elektrostatik ke sebuah permukaan pancar sekunder yang disebut
dynoda. Jika pada dynoda ini diberikan tegangan kerja yang sesuai, tiga sampai
enam elektron sekunder dipancarkan untuk setiap elektron primer yang
menumbuk dynoda. Elektron sekunder ini difokuskan ke sebuah dynoda kedua
dimana proses berulang. Dengan demikian pancaran katoda semula digandakan
beberapa kali.
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.8 memperlihatkan sebuah pemfotodarap beserta sepuluh
dynoda. Dynoda terakhir (ke-10) disusul oleh anoda yang mengumpulkan elektron
dan dalam kebanyakan pemakaian bekerja sebagai elektron keluaran sinyal.
Pemfotodarap linear pada Gambar 2.8 (juga dikenal sebagai tabung
Matheson) memiliki struktur sangkar pemusat (pemfokus) yang dirancang secara
khusus dengan permukaan efektif yang besar untuk pengumpulan elektron cahaya
pada dynoda pertama. Tabung Matheson ini menggunakan sebuah katoda
lengkung dan cincin-cincin annular untuk pemusatan elektron-elektron cahaya
secara elektrostatik. Kontruksi ini memperlihatkan pengumpulan foto-elektron
yang sangat efektif dan juga waktu peralihan yang sangat pendek (respons
frekuensi tinggi).
Gambar 2.8 Pola Kerja dari Pemfotodarap
Universitas Sumatera Utara
Penguatan pemfotodarap bergantung pada jumlah dan sifat-sifat bahan
dynoda. Untuk sebuah tabung khas dengan sepuluh dynoda seperti diperlihatkan
pada Gambar 2.8, penguatan ini akan berada dalam orde 106 dengan pemberian
tegangan sebesar 100 V setiap tingkatan (dalam hal ini akan diperlukan sumber
tegangan 1000 V). Respons spektral dapat dikontrol oleh bahan katoda dan
dynoda. Keluaran pemfotodarap adalah linear, serupa dengan keluaran tabung
cahaya vakum.
Medan-medan magnetik mempengaruhi penguatan pemfotodarap sebab
sebagian elektron mungkin dibelokan dari lintasan normalnya diantara tingkatan-
tingkatan, dan dengan demikian tidak pernah mencapai sebuah dynoda atau
akhirnya anoda. Dalam pemakaian alat cacah kelipatan efek ini bisa mengganggu,
dan untuk ini pelindung magnetik logam-mu sering dipasang sekeliling
pemfotodarap.
2.2.7 Fotosel
Fotosel adalah elemen-elemen yang daya hantarnya merupakan fungsi dari
radiasi elektromagnetik yang masuk. Banyak bahan bersifat fotokonduktif sampai
tingkat tertentu, akan tetapi yang terpenting secara komersial adalah kadmium-
sulfida, germanium dan silikon. Respons spektral dari sel kadmium-sulfida
hampir sesuai dengan mata manusia, dan dengan demikian sel ini sering
digunakan dalam pemakaian dimana penglihatan manusia merupakan suatu faktor,
seperti halnya pengontrolan cahaya jalan atau pengontrol selaput pelangi otomatik
pada alat-alat kamera.
Universitas Sumatera Utara
Elemen-elemen dasar dari sebuah fotosel adalah substrat keramik, lapisan
bahan konduktif, elektroda metalik untuk menghubungkan alat ke sebuah
rangkaian, dan sebuah penutup tahan uap air. Sebuah pandangan terpotong lancip
dari sebuah fotosel diperlihatkan pada Gambar 2.9.
Suatu pemakaian khas dari sebuah rangkaian praktis fotosel untuk
mengontrol on-off ditunjukkan pada gambar 2.10. Tahanan R2, R3, dan R4 dipilih
sehingga catu emitter ke basis Q2 cukup positif untuk mengijinkan Q2 konduksi.
Sebagai akibatnya, relay di dalam rangkaian kolektor Q2 akan bekerja. Bila
digunakan konfigurasi A sebagai rangkaian kontrol, relay bekerja bila cahaya
pada Fotosel berada dibawah suatu level yang telah ditentukan. Untuk lebih
jelasnya, dapat dilihat pada Gambar 2.9 dan 2.10.
Gambar 2.9 Konstruksi Fotosel
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.10 Rangkaian Fotosel untuk Mengontrol on-off
Bila fotosel diterangi, catu emitter ke basis dari Q1 menjadi cukup positif untuk
mengijinkan Q1 konduksi. Potensial kolektornya menjadi sangat kurang positif,
mengurangi catu pada Q2, dan Q2 terputus mematikan relay. Bila yang digunakan
adalah konfigurasi B, relay akan bekerja bila cahaya yang masuk pada fotosel
berada di atas suatu level telah ditentukan sebelumnya.
Fotosel semikonduktor digunakan dalam beberapa pemakaian.
Karakteristik volt-ampere dari sebuah bahan p-n bisa nampak berupa garis tebal
pada Gambar 2.11, tetapi bila cahaya diberikan pada sel, kurva bergeser ke bawah
seperti diperlihatkan oleh garis patah.
Dalam pemakaian fotosel dicatu dalam arah balik. Bila sel tersebut
disinari, arus balik bertambah dan suatu tegangan keluaran dapat dibangkitkan
melalui sebuah tahanan keluaran. Selanjutnya tegangan keluran ini sebanding
dengan jumlah cahaya yang masuk. Orde khas besarnya pertambahan arus
keluaran adalah sekitar 0,7 A untuk setiap pertambahan penerangan sebesar 1 fc
Universitas Sumatera Utara
(foot-candle). Pertambahan arus cahaya ini adalah linear terhadap pertambahan
penerangan. Konstanta waktu fotosel dari bahan p-n yang relatif cepat, membuat
alat ini sangat bermanfaat untuk frekuensi eksitasi optik sekalipun di atas daerah
audio.
2.3 Sistem Kendali
Kemajuan ilmu pengetahuan dan teknologi dari masa ke masa berkembang
cepat terutama di bidang otomasi industri. Perkembangan ini tampak jelas di
industri pemabrikan dimana sebelumnya banyak pekerjaan mengunakan tangan
manusia, kemudian beralih menggunakan mesin, berikutnya dengan semi
otomatis dan terakhir sudah menggunakan full-otomatis. Semua itu adalah sistem
kendali. Pada bagian selanjutnya akan dijelaskan pengertian dan jenis-jenis sistem
kendali.
2.3.1 Pengertian
Sistem kontrol adalah suatu sistem yang terdiri dari beberapa komponen
atau elemen pendukung yang digunakan untuk mengukur nilai dari variabel
sistem yang dikontrol dan menerapkan variabel tersebut ke dalam sistem untuk
mengoreksi atau membatasi penyimpangan nilai yang diukur dari nilai yang
dikehendaki.
Sistem kontrol otomatis adalah sistem kontrol umpan balik dengan acuan
masukan atau keluaran yang dikehendaki dapat konstan atau berubah secara
perlahan dengan berjalannya waktu dan tugas utamanya adalah menjaga keluaran
sebenarnya berada pada nilai yang dikehendaki dengan adanya gangguan. Banyak
Universitas Sumatera Utara
contoh sistem kontrol otomatis, beberapa diantaranya adalah pengaturan otomatis
tegangan pada plant daya listrik di tengah tengah adanya variasi beban daya
listrik dan kontrol otomatis tekanan, kekentalan, dan suhu dari proses kimiawi.
2.3.2 Jenis-Jenis Rangkaian Kendali
Sistem kontrol rangkaian terbuka (open-loop control system) merupakan
sistem yang keluarannya tidak mempunyai pengaruh terhadap aksi kontrol.
Dengan kata lain, sistem kontrol rangkaian terbuka keluarannya tidak dapat
digunakan sebagai perbandingan umpan balik dengan masukan. Suatu contoh
sederhana adalah mesin cuci. Perendaman, pencucian dan pembilasan dalam
mesin cuci dilakukan atas basis waktu. Mesin ini tidak mengukur sinyal keluaran
yaitu tingkat kebersihan kain. Setiap gangguan yang terjadi akan menimbulkan
pengaruh yang tidak diinginkan pada outputnya, seperti terlihat pada Gambar
2.12.
input output
Gambar 2.11 Diagram Blok Sistem Kontrol Rangkaian Terbuka
Sistem kontrol rangkaian tertutup (closed-loop control system) merupakan
sistem pengendalian dimana besaran keluaran memberikan efek terhadap besaran
masukan sehingga besaran yang dikendalikan dapat dibandingkan terhadap harga
yang diinginkan melalui alat pencatat (indikator atau rekorder). Perbedaan yang
terjadi antara besaran yang dikendalikan dan penunjukkan pada alat pencatat
digunakan sebagai koreksi, seperti terlihat pada Gambar 2.12.
Proses
Universitas Sumatera Utara
Umpan Balik
Proses
Input Output
Gambar 2.12 Diagram Blok Sistem Kontrol Rangkaian Tertutup
Masing-masing dari sistem kontrol baik itu loop terbuka maupun loop
tertutup mempunyai kelebihan dan kelemahan yaitu :
Kelebihan sistem kontrol loop terbuka adalah :
1. Konstruksinya sederhana dan perawatannya mudah.
2. Lebih murah daripada sistem kontrol loop tertutup.
3. Tidak ada persoalan kestabilan.
4. Cocok digunakan jika keluaran sulit diukur atau secara ekonomi tidak
layak. (sebagai contoh, mengusahakan suatu peralatan untuk mengukur
kualitas keluaran pemanggang roti adalah cukup mahal).
Kelemahan sistem kontrol loop terbuka adalah :
1. Gangguan dan perubahan kalibrasi akan menimbulkan kesalahan, sehingga
keluaran mungkin berbeda dengan yang diinginkan.
2. Untuk menjaga kualitas yang diperlukan pada keluaran diperlukan
kalibrasi ulang dari waktu ke waktu.
3. Dapat digunakan pada sistem jika terdapat gangguan yang tidak dapat
diramalkan atau perubahan yang tidak dapat diramal pada komponen
sistem.
Universitas Sumatera Utara
Kelebihan sistem kontrol loop tertutup adalah :
1. Tidak memerlukan kalibrasi ulang dari waktu ke waktu.
2. Dapat digunakan untuk komponen-komponen yang kurang teliti dan
murah untuk mendapatkan pengontrolan plant yang teliti.
3. Dapat digunakan pada sistem jika terdapat gangguan yang tidak dapat
diramalkan atau perubahan yang tidak dapat diramal pada komponen
sistem.
Kelemahan sistem kontrol loop tertutup adalah :
1. Kestabilan selalu merupakan persoalan utama karena cenderung terjadi
kesalahan akibat koreksi berlebih yang dapat menimbulkan osilasi pada
amplitudo konstan maupun berubah.
2. Harga lebih mahal daripada sistem kontrol loop terbuka.
Universitas Sumatera Utara