1. Pendahuluan

Makalah ini menyajikan pembuatan rangkaian detektor logam dengan metode Beat

Frequency Oscilator (BFO). BFO merupakan oscilator biasa dengan rangkaian tangki LC

yang merupakan rangkaian penentu frekuensi yang diatur pada frekuensi tertentu,

pengaturan frekuensi ini harus sesuai dengan permintaan objek agar bekerja maksimal,

kadangkala frekuensi yang sesuai untuk objek itu tidak dapat dideteksi oleh detektor,

karena itu diperlukan osilator yang lain untuk dicampur sehingga memperoleh frekuensi

campuran yang dapat dideteksi detektor. Dalam hal ini BFO menggunakan dua buah

osilatior yang masing-masing bekerja di frekuensi radio, dua osilator ini dicampur untuk

mendapat frekuensi selisih yang bekerja pada frekuensi audio yang dapat didengar.

Osilator pertama merupakan osilator variabel yang frekuensinya dapat berubah sesuai

karakteristik detektornya yang merupakan bagian rangkaian LC nya, sedangkan osilator

kedua merupakan osilator tetap yang digunakan untuk mengurangkan frekuensi osilator

pertama agar didapat frekuensi audio yang dapat didengar. Keluaran dari BFO ini akhirnya

diperkuat untuk didengar perubahan frekuensinya. Jika detektor mendeteksi adanya

logam, hal ini akan menimbulkan variasi frekuensi pada keluaran BFO dan akhirnya

diperkuat dan didengar.

2. Dasar Teori

Detektor logam secara umum dapat dikatakan sebagai alat yang dapat mendeteksi

adanya logam pada jarak tertentu dari sensor. Metode yang digunakan untuk membangun

sebuah rangkaian detektor logam sangat beragam tergantung dari aplikasinya. Maksud

dari aplikasinya adalah apa yang akan dideteksi oleh sensor, apakah itu logam yang

dalam atau logam yang dangkal, atau juga benda non logam. Jadi detektor logam bukan

berarti hanya digunakan untuk mendeteksi adanya logam, yang penting lagi bahwa

sensornya dapat mendeteksi objek yang dipilih.

Diantara metode yang dipakai untuk mendeteksi logam adalah type Beat frequency

oscilator (BFO). Prinsip yang digunakan adalah terjadinya perubahan karakteristik pada

sensor akibat mendeteksi adanya logam. Detektor bekerja berdasarkan frekuensi resonan

yang telah diatur berubah-ubah ketika terdapat onjek berupa logam yang letaknya cukup

dekat dengan sensor search coil. Rabgkaian tuning (tune circuit) harus merupakan bagian

dari rangkaian osilator sehingga jika koil sensior didekati oleh logam tertentu maka

frekuensi output dari rangkaian osilasi akan berubah. Variasi perubahan frekuensi output

ini tergantung dari frekuensi yang dipilih.

Pemilihan frekuensi yang semakin tinggi akan menyebabkan sensitivitas rangkaian

akan semakin meningkat karena perubahan frekuensinya semakin besar. Tetapi apabila

frekuensinya juga terlalu tinggi maka pada prakteknya akan menghasilkan suatu sistem

yang tidak sensitif. Hal ini karena pada frekuensi tinggi sebagian besar tidak akan

dipantulkan kembali oleh objek tetapi lebih banyak diserap oleh tanah dan material

bangunan.

Metode lain yang digunakan untuk detektor logam adalah fix frequency oscilator atau

detektor resonansi dengan frekuensi tetap. Pada prinsipnya metode ini hampir sama

dengan metode BFO tetapi sedikit berbeda pada rangkaian tune circuitnya. Disini

perubahan karakteristik pada search coilnya akan menyebabkan perubahan nilai Q,

sehingga osilator dengan frekuensi tetap akan berubah-ubah amplitudonya.

Search CoilTunedCircuit

Rectifier/Filter

Voltmeter Speaker

Oscilator

Gambar 2Detektor Resonansi dengan Frekuensi tetap

Metode yang digunakan untuk mendeteksi logam yang tertana jauh di dalam tanah

digunakan sistem magnetometer. Sistem ini menggunakan sensor magnet buatan yang

sangat kuat dengan sensor yang berbentuk U.

Pada sensor itu terdapat dua buah kumparan, kumparan yang satu merupakan

kumparan penghasil medan listrik kuat untuk menimbulkan medan magnit kuat pada

sensor itu. Kumparan yang lain dihubungkan ke rangkaian level detektor yang akan

mendeteksi adanya perubahan level tegangan pada sensor tersebut. Detektor dengan

metode magnetometer ini tidak kebal terhadap adanya gangguan yang disebabkan oleh

medan-medan listrik dan medan-medan magnet liar yang disebabkan oleh jaringan listrik

atau bahan-bahan magnetik.

Output dari detektor logam juga beragam, dapat berupa perubahan frekuensi yang

dapat didengar secara langsung oleh pengamat, dengan menggunakan buzzer, lampu

penunjuk dengan LED atau sebuah VU meter. Output dengan menggunakan buzzer dan

LED menggunakan teknik trigger tegangan, dimana tegangan yang dibutuhkan oleh

buzzer atau LED untuk bekerja ditentukan dan kemudian digunakan penyala tegangan

(trigger) untuk mendapat level tegangan yang dibutuhkan itu. Jika sensor tidak mendeteksi

adanya logam, output dari sensor tidak cukup untuk menggerakkan trigger sehingga level

tegangannya tidak cukup untuk menggerakkan buzzer atau LED, jika sensor mendeteksi

adanya logam maka output akan menghasilkan tegangan yang dapat menggerakkan

trigger sehingga level tegangannya dapat menggerakkan buzzer atau LED.

Ke rangkaianLevel Detector

Oscilatordan

RangkaianDriver

Gambar 3Blok diagram detektor logam dengan metode Magnetometer

3. Tujuan dan Permasalahan

Detektor logam dengan banyak metode rangkaian membuat banyak pertimbangan

untuk memilih salah satu diantaranya untuk digunakan. Salah satu pertimbangan adalah

pada sensornya. Konstruksi sensor mempengaruhi hasil pendeteksian. Sensor pendeteksi

logam saat ini sudah banyak yang menggunakan mikrokontroler untuk memberi fungsi-

fungsi pengaturan yang khusus. Hal ini tentunya akan meningkatkan kenyamanan dalam

penggunaan detektor logam dalam pencarian detektor yang diinginkan. Namun inilah yang

menyebabkan detektor logam mempunyai harga yang cukup tinggi. Pada kesempatan ini

akan dibahas mengenai pembuatan detektor logam yang tidak menggunakan

mikrokontroler namun cukup efektif dalam mendeteksi logam. Dan yang paling penting

adalah mudah dibuat dan cukup efektif.

4. Blok Diagram Rangkaian Detektor logam dengan BFO

Metode yang digunakan dalam penulisan makalah ini adalah metode beat frequency.

Pada metode ini, jika sensor (berupa lilitan/search coil) berdekatan dengan logam, maka

karakteristik dari rangkaian osilator akan berubah. Perubahan akan menyebabkan

perubahan frekuensi output dari rangkaian osilator tersebut.

Ketika sinyal dengan frekuensi tertentu yang dihasilkan oleh rangkaian osilator

pada search coil oscilator di campur dengan sinyal dari blok beat frequency oscilator oleh

blok mixer maka akan menghasilkan suatu sinyal dengan frekuensi selisih dari frekuensi

keduanya dan sinyal ini dapat didengar oleh pendengaran manusia. Suara yang dihasilkan

seperti suara ketukandan sering dikenal dengan beat note.

Audio amplifier adalah sebagai penguat tegangan yang akan menguatkan sinyal

sampai ke taraf tegangan tertentu yang dapat digunakan untuk menggerakkan driver

Search coilSearch

coiloscilator

Mixer

AudioFrequencyAmplifier

OutputBuffer

BeatFrequencyOscilator

Meterdrive

Circuit

Speaker

Gambar 6.Blok diagram detektor logam dengan Beat Frequency Oscilator

penguat daya agar dapat menggerakkan speaker, dan juga digunakan untuk

menggerakkan meter driver circuit yang merupakan penunjuk kuat sinyal. Perubahan

frekuensi tergantung dari ukuran logam yang terdeteksi dan jarak antara sensor dengan

logam yang terdeteksi.

5. Cara Kerja Rangkaian

Pada gambar 7 merupakan skematik untuk blok rangkaian osilator sensor dan

osilator beat serta rangkaian suplai power sederhana yang dibangun dari IC LM7805,

yang merupakan IC khusus untuk regulator tegangan dengan output sebesar 5 volt dari

input 12 volt. Tegangan yang telah stabil sebesar 5 volt ini dicatu ke rangkaian osilator

sensor dan osilator beat. Tegangan yang stabil mutlak diperlukan agar perubahan

tegangan pada sumber daya tidak ikut menyebabkan perubahan frekuensi pada osilator.

C1 dan C2 digunakan untuk mengurangi noise yang mungkin saja terjadi. L2

merupakan komponen sensor yang berupa lilitan kawat tembaga dengan email dan

bersama-sama dengan komponen VC1, C3, dan C4 membentuk rangkaian resonansi

paralel yang frekuensi kerjanya ditentukan dari nilai komponen-komponen tersebut, dalam

hal ini yang menyebabkan perubahan frekuensi kerja adalah komponen L2.

Rangkaian tune circuit berfungsi untuk melakukan tuning (menentukan frekuensi

kerja) osilator yang dibentuk oleh TR1. C3 dan C4 mempunyai fungsi yang khusus yaitu

sebagai capacitive tap yang menentukan nilai feedback untuk rangkaian tune circuit

C1 1000uF

V in

C2100uF

Vcc

R162

C5100 nF

TR1MPF102

C31nF

C41nF

R21k

R462

TR2MPF102

C8100nF

C7100nF

R3100k

C7100nF

R51k

VR110k

C9100nF

R91k

TR3BC548

R81k

R71M

C9100nF

R610k

LM7805C/TO220

1 in 3 out

2 GND

1

2

jp 1

12VDc

VC1AM tuner F17k

L2 Search coil

L1 Shield winding

5

9

8

1

4

C11100nF

To amplifier

Gambar 7Rangkaian osilator sensor dan osilator beat

sebagai ganti tap pada search coil. R2 digunakan untuk memberikan arus DC kepada TR1

agar dapat bekerja dengan normal.

TR2, T1, R3, R4 dan C7 merupakan osilator yang kedua yang nantinya akan

dicampur dengan sinyal yang dihasilkan oleh rangkaian osilator yang pertama. Pada blok

osilator ini, frekuensi kerjanya diatur oleh T1, yang merupakan rangkaian tuning IF standar

yang menggunakan integral kapasitor di dalamnya. Komponen potensimeter VR1

digunakan untuk mengatur level dari sinyal yang dihasilkan oleh blok osilator beat.

Rangakain mixer dibentuk oleh TR3, C9 adalah kopling AC bagi keluaran sinyal

dari osilator search coil, sedangkan R6 digunakan untuk membatasi level sinyalnya.

Sampai di kolekor TR3, sinyal mixing yang masih cukup lemah perlu dikuatkan lagi

dengan menggunakan sebuah operational amplifier, lihat gambar 8. Dalam proyek ini

menggunakan LM324. LM324 mempunyai 4 buah operational amplifier dalam satu

kemasan IC. Suplai tenaganya harus sekitar 9 – 12 VDC.

Sinyal beat, output pada kolektor TR3 masih cukup lemah begitu pula ketika sinyal

ini masuk ke diode D1 (sekitar mV) dan masih belum cukup untuk menggerakkan

transduser. Rangkaian R12, R13, dan C14 menghasilkan sebuah referensi tegangan bagi

operational amplifier dalam menguatkan sinyal beat agar tegangan referensinya terletak

pada tegangan Vin/2. Sedangkan R14 dan R15 digunakan untuk mengatur penguatan

(gain) operational amplifier.

Begitu pula untuk blok rangkaian buffer, gambar 9, R17 dan R16 berfungsi untuk

mengatur tegangan referensi penguatan agar terletak di tengah-tengah tegangan suplai

C1210uF

R1010k

D11N4148

C13100nF

R1127k

C1510uF

R1410k

R151M

R124,7k

R134,7k

C1410uF

Beat output

Vin

Amplifier input

LM324

2

3

4

11

1

Gambar 8Rangkaian penguat sinyal

yaitu Vin/2. pada rangkaian ini LM324 dikonfigurasikan sehingga hanya membentuk

rangkaian voltage follower yang berfungsi sebagai buffer sinyal.

Jika juga dinginkan agar dapat dilihat levelnya dalam sebuah VU meter analog

maka perlu ditambahkan sebuah rangkaian penyearah sederhana yang dibangun dengan

menggunakan operational amplifier dan dioda D2, D3 seperti tampak pada gambar 10.

Penggunaan VU meter penting ketika terjadinya ‘zero beat’ dan juga dapat

berfungsi sebagai indikator kondisi baterai, walaupun tidak menunjukkan nilai tegangan

dari batterai. Penurunan tegangan baterai tentunya akan menurunkan level sinyal audio

yang disearahkan sehingga level tegangan DC yang masuk ke VU meter akan turun pada

kondisi yang sama. R23 digunakan untuk mengatur simpangan maksimum pada VU

meter.

Walaupun disain layout PCB tidak terlalu kritis, namun pada proyek ini

menggunakan sinyal dengan frekuensi yang cukup tinggi sehingga perlu diterapkannya

beberapa aturan.

1. Usahakan tidak membuat jalur PCB yang panjang dalam menghubungkan komponen

ke komponen yang lain.

2. Jangan membuat jalur di bawah komponen, terutama komponen yang membentuk

rangkaian osilator karena akan menyebabkan stray capacitance.

3. Penempatan komponen sebisa mungkin diletakkan berdekatan untuk setiap blok

rangkaian.

4. Penempatan kapasitor decoupling frekuensi tinggi sedekat mungkin dengan komponen

yang dimaksud (seperti TR1) untuk mengurangi noise dan menjaga kestabilan sistem.

6. Konstruksi Search Coil

Ada beberapa metode dalam membuat search coil. Search coil dapat dibentuk

dengan menggunakan kawat tembaga yang mempunyai lapisan email sebanyak 25 lilitan

dengan diameter 18 cm. Bentuk dari lilitannya dapat dilihat pada gambar 11.

Gambar 11.

Konstruksi search coil

Untuk bentuk lilitan Double D mempunyai karakteristik yang cukup baik dalam hal

penunjukkan lokasi, mempunyai daerah pencarian yang cukup besar dan sensitivitas yang

baik. Biasanya digunakan untuk detektor yang besar. Sedangkan lilitan I search coil

Biasanya digunakan untuk detektor yang besar. Sedangkan lilitan search coil yang berupa

persegi panjang mempunyai daerah pencarian yang lebih sempit. Pembuatan pelindung

search coil dan penggunaan poros berputar tergantung dari kebutuhan karena setiap

aplikasi membutuhkan bentuk dari pelindung yang berbeda.

Frekuensi yang dihasilkan oleh rangkaian osilator search coil adalah sekitar 400KHz

sampai 500KHz sehingga nilai L1 (seach coil) perlu disesuaikan dengan kondisi ini. Jika

jumlah lilitan pada search coil kurang/lebih dapat mempengaruhi kerja dari detektor logam

ini. Pengaturan ‘zero beat’ harus dilakukan pertama kali dengan cara mengatur T1 agar

didapatkan suara ketukan, VR1 agar didapatkan kualitas suara yang paling baik. Sampai

di sini T1 perlu di atur ulang (perlahan) sampai tidak didapatkan suara ketukan (beat).

Kecepatan irama (pitch) dapat diatur dengan mengatur VC1. Dalam pengaturan VU meter,

simpangan maksimal perlu diatur. Atur sehingga VC1 menghasilkan output sekitar 1KHz

dan atur VR3 sehingga menghasilkan pembacaan yang maksimal. Ketika kondisi ‘zero

beat’ terjadi maka VU meter juga tidak terjadi simpangan.

7. Kesimpulan

Dalam bagian sebelumnya telah dibahas bagaimana cara membuat detektor logam

yang sederhana yang hanya menggunakan komponen-komponen yang murni analog.

Walau hasilnya memang tidak sebagus detektor logam yang menggunakan mikroprosesor

dan mikrokoktroler, tapi rangkaian ini mudah dibuat, dikalibrasi dan diaplikasikan. Detektor

logam ini mempunyai kelemahan tidak dapat mendeteksi semua logam, tetapi hal itu

dapat diatasi agar ia dapat mendeteksi logam yang dikehendaki dengan mengganti nilai

komponen pembentuk osilator beat dan osilator search coil.

8. Daftar pustaka

- Loveday, George. Intisari Elektronika, Elex Media Komputindo, 1982

- HME ITB. Elektron No.31 TH.X, HME ITB, 1986

- S, Wasito. Teknik Ukur dan Peranti Ukur Elektronik, Elex Media Komputindo,

1987