BAB II LANDASAN TEORI

BAB II

LANDASAN TEORI

2.1 Sistem Kendali

Sistem kendali adalah suatu sistem yang bertujuan untuk mengendalikan suatu proses agar output yang dihasilkan dapat dikontrol. Secara umum, sistem kendali dapat dibedakan menjadi dua jenis, yaitu:

1. Open Loop Control System

Open loop control system adalah sistem kendali yang outputnya tidak memperngaruhi input. Atau dengan kata lain output tidak dapat digunakan sebagai perbandingan umpan balik dengan inputnya. Gambar II.1 memperlihatkan blok diagram dari Open Loop Control System.

Gambar II. 1 Open Loop Control System [2]

2. Close Loop Control System

Close loop control system seringkali disebut sistem kendali umpan balik. Pada sistem kendali ini, sinyal eror yang bekerja, yaitu perbedaan antara sinyal input dan sinyal umpan balik yang diinputkan ke kontroler dan membawa output sistem ke nilai yang dikehendaki. Gambar II.2 memperlihatkan blok diagram Close Loop Control System.

Gambar II. 2 Close Loop Control System [2]                

2.2 Sistem Autopilot

Autopilot (automatic pilot) adalah sebuah sistem kendali otomatis yang menjalankan pesawat pada attitude (sikap) yang diinginkan dan mengembalikannya pada kondisi semula. Tujuan utama sistem autopilot adalah untuk mengurangi beban kerja dan mempermudah pilot pada saat mengemudikan pesawat terbang dalam waktu yang lama, khususnya pada saat terbang jelajah (cruising flight). Autopilot memungkinkan pilot untuk menerbangkan pesawat dengan pengoperasian manual yang sangat minim karena pada sistem autopilot, pilot dapat mengendalikan pesawat hanya dengan menggerakan knob-knob pada pengendali autopilot.

Sistem autopilot dikelompokkan berdasarkan jumlah sumbu gerak pesawat yang akan dikendalikannya, diantaranya adalah sebagai berikut.

1. Autopilot satu sumbu(single-axis), yaitu sumbu longitudinal,

2. Autopilot dua sumbu (two-axis), yaitu sumbu longitudinal dan lateral, 3. Autopilot tiga sumbu (three-axis), yaitu sumbu longitudinal,

lateral dan vertikal (lihat pada Gambar II.3).

Gambar II. 3 Sumbu Kendali Pesawat Terbang [3]                

Dalam pengopersian autopilot sederhana, terdapat komponen-komponen dasar seperti yang ditunjukkan sistem kendali rudder pada Gambar II.4. Hal ini juga berlaku untuk sistem kendali yang lain yaitu kendali aileron dan kendali elevator. Komponen-komponen tersebut adalah sebagai berikut.

1. Command element, merupakan suatu alat dimana pilot dapat memberikan perintah ke sistem autopilot. Gambar II.5 merupakan salah satu jenis command element pada pesawat. Alat ini terletak didalam cockpit dan terdapat tombol-tombol (knob). Pilot dapat memindahkan tombol pitch atau turn untuk memasok perintah secara manual ke autopilot untuk mengubah sikap pitch atau turn.

2. Sensing element, merupakan alat yang digunakan untuk mendeteksi perubahan sikap pesawat. Alat yang digunakan adalah directional gyro untuk mendeteksi perubahan terhadap sumbu vertikal, atau horizontal gyro untuk mendeteksi perubahan terhadap sumbu longitudinal dan lateral.

3. Komputer atau Amplifier, komponen ini membandingkan sinyal perintah dan sinyal dari sensor yang kemudian akan menghasilkan sinyal eror untuk mengendalikan servo.

4. Output element alat ini digunakan untuk menerima sinyal dari komputer dan memasok gaya-gaya yang penting untuk memindahkan bidang kendali terbang. Pada umumnya output element yang digunakan pada pesawat adalah servo. Dewasa ini servo yang berkembang adalah servo listrik, maupun servo elektro-pneumatik, dan elektro-hidrolik.

Komponen-komponen dasar sistem autopilot ditunjukkan lebih detail pada Gambar II.6.

               

Gambar II. 4 Prinsip Dasar Sistem Autopilot [3]

Gambar II. 5 Autopilot Controller yang Umum [3]

2.3 Komponen Elektronika 2.3.1 Resistor

Resistor merupakan suatu komponen yang berguna untuk menghambat arus listrik. Resistor dapat diaplikasikan untuk mengontrol arus dan tegangan yang bekerja dalam suatu rangkaian elektronik. Selain itu, resistor juga dapat berperan sebagai beban pengganti yang mensimulasikan keberadaan suatu rangkaian selama pengujian. Resistor dapat diklasifikasikan menjadi resistor tetap dan resistor variabel.

               

Gambar II. 6 Komponen Dasar Sistem Autopilot [3]

Spesifikasi–spesifikasi untuk suatu resistor umumnya meliputi nilai resistansi (dinyatakan dalam ohm [Ω], kilo ohm [k Ω], atau mega ohm [M Ω]), nilai toleransi dan rating daya (daya disipasi maksimum pada resistor tersebut). Resisistor diberi lambang R dengan simbol seperti yang ditunjukkan pada Gambar II.7.

Salah satu resistor tetap, yaitu resistor karbon yang mempunyai spesifikasi yang ditandai dengan kode-kode warna untuk menunjukkan nilai dan toleransinya. Ada dua metoda pengkodean warna yang umumnya                

digunakan. Yang pertama adalah dengan menggunakan empat cincin berwarna (lihat Gambar II.9) sementara yang kedua menggunakan lima cincin warna (lihat Gambar II.10).

Gambar II. 7 Simbol Resistor [8]

Gambar II. 8 Bentuk Resistor [9]

Sebagai contoh, pada Gambar II.8 diperlihatkan sebuah resistor lima cincin.

a) Cincin pertama berwarna kuning = 4 b) Cincin ke-dua berwarna kuning = 4 c) Cincin ke-tiga berwarna putih = 9

d) Cincin ke-empat berwarna hitam = 100_{= 1}

e) Cincin ke-lima berwarna coklat= ± 20%

Dengan demikian dapat diketahui besar resistansinya adalah 449Ω ± 20%. Sedangkan 20% x 449 Ω= 89,8 Ω. Artinya nilai resistansi                

maksimumnya adalah 449 Ω+89,9 Ω= 538,9 Ω. Sedangkan nilai resistansi minimumnya adalah 449 Ω – 89,9 = 359,1 Ω.

Gambar II. 9 Kode-Kode Warna Resistor Empat Cincin [1]

Gambar II. 10 Kode-Kode Warna Resistor Lima Cincin [1]                

GambarII. 11 Resistor Seri: (a) Dua Resistor Seri (b) Tiga Resistor Seri [1]

Resistansi total dari setiap rangkaian seri yang diperlihatkan Gambar II.11 adalah jumlah dari resistansi-resistansinya. Sehingga, rumus untuk Gambar II.11(a):

(1)

Sementara untuk Gambar II.11(b):

(2)

Gambar II. 12 Resistor Paralel: (a) Dua Resistor Paralel (b) Tiga Resistor Paralel [1]                

Berbeda dengan resistor paralel seperti yang diperlihatkan dalam Gambar II.12. Maka, rumus untuk Gambar II.12 (a) adalah:

(3)

atau

(4)

Sementara untuk Gambar II.12 (b) adalah:

(5)

Resistor Variabel

Resistor variabel adalah resistor yang nilai resistansinya dapat diubah. Sebuah penggeser yang dapat bergerak, melakukan kontak dengan elemen resistansinya (lihat Gambar II.13). Simbol resistor variabel ditunjukkan pada Gambar II.14. Kebanyakan resistor variabel memiliki tiga terminal. Beberapa jenis resistor varibel yang umum ditemukan dipasaran adalah potensiometer dan trimpot. Perbedaannya hanya terlihat pada penggesernya. Jika potensiometer dapat digeserkan dengan cara memutarnya secara langsung, maka trimpot hanya dapat digeserkan dengan alat bantu obeng. Lihat Gambar II.15 dan Gambar II.16.

Gambar II. 13 Konstruksi Sebuah Potensiometer [1]                

Gambar II. 14 Simbol Resistor Variabel [9]

Gambar II. 15 Trimpot yang Umum [10]

Gambar II. 16 Potensiometer yang Umum [9]

2.3.2 Kapasitor

Kapasitor adalah perangkat yang bersifat dapat menyimpan muatan listrik. Oleh karena itu, kapasitor dapat digunakan sebagai tempat penampungan (reservoir) di mana muatan dapat disimpan dan kemudian diambil kembali. Aplikasi-aplikasi yang umum meliputi rangkaian-rangkaian filter, pengganda tegangan, dan lain-lain.

Muatan atau kuantitas listrik yang dapat disimpan di dalam medan listrik antara pelat-pelat kapasitor akan sebanding dengan tegangan yang diberikan dan sebanding dengan kapasitansi dan kapasitor. Maka:

               

(6)

di mana adalah muatan (dalam Coulomb), adalah kapasitansi (dalam farad) dan adalah beda potensial (dalam volt). Gambar II.17 menunjukkan simbol kapasitor, sedangkan Gambar II.18 menunjukkan kapasitor yang umum digunakan.

Gambar II. 17 Simbol Kapasitor [11]

Gambar II. 18 Kapasitor yang Umum [12]

Spesifikasi-spesifikasi pada kapasitor adalah nilai kapasitansi dan tegangan maksimum. Contoh: 100 μF/16V, artinya nilai kapasitansinya 100 μF dan tegangan kerja DC maksimum adalah 16 V. Untuk mendapatkan suatu nilai kapasistansi tertentu, kapasitor-kapasitor dapat disusun dalam bentuk seri maupun paralel (lihat Gambar II.19 dan Gambar II.20).

               

Gambar II. 19 Kapasitor Seri: (a) Dua Kapasitor Seri; (b) Tiga Kapasitor Seri [1]

Untuk Gambar II.19 (a) adalah:

(7)

atau

(8)

Sementara untuk Gambar II.19 (b) adalah:

(9)

Untuk susunan kapasitor yang paralel, kapasitansi dari rangkaiannya adalah jumlah dari kapasitansi-kapasitansinya.

GambarII. 20 Kapasitor Paralel: (a) Dua Kapasitor Paralel; (b) Tiga Kapasitor Paralel [1]                

Untuk Gambar II.20 (a) adalah:

(10)

Sementara untuk Gambar II.20 (b) adalah:

(11)

2.3.3 Dioda

Ketika suatu sambungan dibentuk dari bahan semikonduktor tipe-N dan tipe-P, perangkat yang dihasilkan itu disebut dioda. Kaki dioda di sisi tipe-P disebut Anoda, dan di sisi tipe-N disebut Katoda. Sebuah dioda akan melewatkan arus pada satu arah ketika tegangan Anoda lebih positif dari tegangan Katoda (forward bias). Tetapi apabila tegangan Katoda lebih positif dari tegangan Anoda (reverse bias), maka arus tidak akan mengalir. Bila dioda dalam keadaan forward bias maka akan terdapat tegangan jatuh pada kaki Anoda-Katode sebesar 0,6-0,7 Volt untuk dioda berbahan silikon dan 0,3-0,4 Volt untuk yang berbahan Germanium.

Parameter dioda yang terpenting adalah arus maksimal yang dapat lewat pada dioda tersebut dan Peak Inverse Voltage (PIV). PIV adalah tegangan balik maksimum yang dapat diberikan pada dioda tersebut dan bila nilai dari PIV ini terlampaui, maka dioda akan rusak. Contoh, sebuah dioda mempunyai spesifikasi 1A/100V, maka arus maju maksimum sebesar 1 A dan PIV sebesar 100 V. Gambar II.21 menunjukkan bentuk dioda yang umum digunakan. Sedangkan Gambar II.22 menunjukkan simbol dioda.

2.3.4 Transistor

Transistor adalah kependekan dari transfer resistor (resistor transfer). Arus yang mengalir pada rangkaian output ditentukan oleh arus yang mengalir pada rangkaian input. Transistor digolongkan ke dalam dua kategori (bipolar dan efek-medan), dikelompokkan menurut bahan semikonduktor yang digunakan (silikon atau germanium), dan menurut bidang aplikasinya                

(misalnya pensaklaran, frekuensi tinggi, dll). Gambar II.23 menunjukkan simbol transistor NPN dan PNP.

Gambar II. 21 Bentuk Dioda yang Umum Digunakan [1]

Gambar II. 22 Simbol Dioda

Gambar II. 23 Simbol Transistor [13]

Transistor bipolar umumnya terbentuk dari sambungan NPN atau PNP dengan bahan silikon (Si) atau germanium (Ge) (lihat Gambar II.24 dan Gambar II.25). Transistor-transistor silikon lebih unggul dibandingkan dengan transistor-transistor germanium untuk sebagian besar aplikasi (terutama pada suhu tinggi), oleh karena itu, perangkat germanium sangat jarang ditemukan.                

Gambar II. 24 Konstruksi Resistor NPN [1]

Gambar II. 25 Konstruksi Transistor PNP [1]

Gambar II.26 dan Gambar II.27 memperlihatkan tegangan bias-normal yang diberikan kepada transistor NPN dan PNP. Pada transistor NPN, sambungan basis-emitor diberikan bias maju dan sambungan basis-kolektor diberi bias mundur. Namun, karena daerah basis dibuat sangat sempit sehingga pembawa-pembawa muatan dapat menyeberanginya dari emitor menuju kolektor dan hanya arus yang relatif kecil mengalir dalam basis. Arus yang mengalir pada rangkaian emitor umumnyanya adalah 100 kali lebih besar dari arus yang mengalir pada basis. Untuk transistor PNP, keadaan diatas harus dibalik. Persamaan yang menghubungkan arus yang mengalir pada kolektor, basis, dan emitor adalah:

(12)

di mana adalah arus emitor, adalah arus basis, dan adalah arus kolektor (semuanya dinyatakan dalam satuan yang sama).

               

Gambar II. 26 Tegangan dan Arus Bias Mengalir dalam Transistor NPN [1]

Gambar II. 27 Tegangan dan Arus Bias Mengalir dalam Transistor PNP [1]

Salah satu variable yang terpenting pada transistor adalah faktor penguatan arus yang dikenal dengan simbol β. Dimana β adalah perbandingan antara arus kolektor dan arus basis (β=IC/IB). Gambar II.28 merupakan contoh

bentuk-bentuk transistor.

Gambar II. 28 Beberapa Kemasan Transistor yang Umum Digunakan [1]                

2.3.5 Transformator

Transformator (trafo) adalah alat yang digunakan untuk menaikkan atau menurunkan tegangan bolak-balik (AC). Transformator terdiri dari 3 komponen pokok yaitu: kumparan pertama (primer) yang bertindak sebagai input, kumparan kedua (sekunder) yang bertindak sebagai output, dan inti besi yang berfungsi sebagai rangkaian magnet. Transformator (trafo) digunakan pada peralatan listrik terutama yang memerlukan perubahan atau penyesuaian besarnya tegangan bolak-balik. Gambar II.29 menunjukkan bagian-bagian trafo, sedangkan Gambar II.30 menunjukkan simbol trafo.

Prinsip kerja dari sebuah transformator adalah ketika kumparan primer dihubungkan dengan sumber tegangan bolak-balik, perubahan arus listrik pada kumparan primer menimbulkan perubahan medan magnet. Perubahan medan magnet tersebut dihantarkan oleh inti besi ke kumparan sekunder, sehingga pada ujung kumparan sekunder akan timbul ggl induksi. Efek ini dinamakan induktansi bersama (mutual inductance).

Gambar II. 29 Bagian-Bagian Trafo [4]

Gambar II. 30 Simbol Trafo [4]

Berdasarkan perbandingan antara jumlah lilitan primer dan jumlah lilitan skunder transformator ada dua jenis yaitu:

               

a) Transformator step up yaitu transformator yang mengubah tegangan AC rendah menjadi tegangan AC yang lebih tinggi, transformator ini mempunyai jumlah lilitan kumparan sekunder lebih banyak daripada jumlah lilitan primer (Ns > Np).

b) Transformator step down yaitu transformator yang mengubah tegangan AC tinggi menjadi tegangan AC rendah, transformator ini mempunyai jumlah lilitan kumparan primer lebih banyak daripada jumlah lilitan sekunder (Np > Ns).

2.3.6 Motor DC

Motor DC merupakan jenis motor yang menggunakan tegangan searah sebagai sumber tenaganya. Dengan memberikan beda tegangan pada kedua terminalnya, motor akan berputar pada satu arah, dan bila polaritas dari tegangan tersebut dibalik maka arah putaran motor akan terbalik pula. Polaritas dari tegangan yang diberikan pada dua terminal menentukan kecepatan motor.

Gaya elektromagnetik pada motor DC timbul ketika adanya arus yang mengalir pada penghantar yang berada dalam medan magnet. Medan magnet itu sendiri ditimbulkan oleh magnet permanen. Garis-garis gaya magnet mengalir diantara dua kutub magnet dari kutub utara ke kutub selatan. Menurut hukum gaya Lourentz, arus yang mengalir pada penghantar yang terletak dalam medan magnet akan menimbulkan gaya. Gaya F, timbul tergantung pada arah arus I, dan arah medan magnet B. Arah gaya F dapat ditentukan dengan kaidah tangan kiri seperti pada Gambar II.31. Gambar II.32 menunjukkan contoh motor DC yang umum digunakan.

2.4 Rangkaian Terpadu (IC)

Rangkaian terpadu (Integrated Circuit) adalah rangkaian kompleks yang terdiri dari beberapa komponen aktif dan pasif pada sebuah irisan kecil                

silikon yang mempunyai fungsi tertentu, contohnya IC yang berfungsi sebagai voltage regulator, voltage comparator dll. Gambar II.33 menunjukkan beberapa bentuk IC yang umum digunakan.

Gambar II. 31 Kaidah Tangan Kiri [5]

Gambar II. 32 Contoh Motor DC yang Umum [5]

Gambar II. 33 Beberapa Kemasan Rangkaian Terpadu yang Umum Dipasaran [1]                

2.4.1 Voltage regulator

Voltage regulator merupakan salah satu jenis IC yang dapat digunakan untuk menjaga agar nilai tegangan output konstan akibat perubahan tegangan input maupun beban output. Oleh karena itu biasanya pada rangkaian power supply, IC voltage regulator ini selalu dipakai untuk menstabilkan tegangan output. Gambar II.34 menunjukkan susunan kaku IC voltage regulator.

Gambar II. 34 Susunan Kaki IC Voltage Regulator [14]

2.4.2 Operational Amplifier

Penguat operasional atau yang biasa disebut op-amp merupakan suatu jenis penguat elektronika dengan dua masukan dan satu keluaran dengan DC coupling dan memiliki voltagegain sangat besar, dimana nilai penguatannya ditentukan oleh komponen-komponen pendukungnya.

Penguat operasional adalah perangkat yang sangat efisien dan serba guna. Contoh penggunaan penguat operasional adalah untuk operasi matematika sederhana seperti penjumlahan dan pengurangan terhadap tegangan listrik input hingga dikembangkan kepada penggunaan aplikatif seperti komparator dan osilator dengan distorsi rendah. Beberapa aplikasi sirkuit yang umum:

1. Komparator (pembanding) 2. Penguat pembalik phasa 3. Penguat non-pembalik phasa                

4. Penguat diferensial 5. Penguat penjumlah 6. Integrator

7. Diferensiator, dll

Penguat diferensial digunakan untuk mencari selisih dari dua tegangan input yang kemudian dikalikan dengan konstanta tertentu yang ditentukan oleh nilai resistansi yaitu AV = . Pada rangkaian Gambar II.35, apabila

dan maka penguat tegangan diferensialnya adalah:

(13)

2.4.3 Timer 555

Timer 555 merupakan salah satu IC yang sering digunakan pada berbagai aplikasi seperti hiasan lampu LED, timer counter, clock generator dll. IC ini memiliki 8 pin, dimana setiap pin memiliki fungsi tertentu. Gambar II.36 memperlihatkan gambar dari pin IC Timer 555 ini.

Gambar II. 35 Rangkaian Op-amp (Aplikasi: Penguat Diferensial) [6]                

Gambar II. 36 Gambar Pin IC Timer 555 [15] Definisi dan fungsi masing-masing pin:

1. Ground, adalah pin input dari sumber tegangan DC paling negatif. 2. Trigger, adalah input negatif dari lower comparator.

3. Output, pin ini merupakan pin output untuk dihubungan ke rangkaian selanjutnya.

4. Reset, adalah pin yang berfungsi untuk me-reset Flip-flop.

5. Control voltage, pin ini berfungsi untuk mengatur kestabilan tegangan referensi input negatif upper comparator.

6. Threshold, pin ini terhubung ke input positif upper comparator yang akan me-reset flip-flop ketika tegangan pada kapasitor mulai melebihi 2/3 Vcc.

7. Discharge, pin ini terhubung ke collector transistor Q1 yang emiternya terhubung ke ground.

8. Vcc, pin ini untuk menerima supply DC voltage positif yang diberikan.                

Blok Diagram IC Timer 555

Gambar II. 37 Blok Diagram Timer 555 [16]

Prinsip kerja IC Timer 555 adalah sebagai berikut. (Lihat Gambar II.37)

1. IC ini terdiri dari rangakaian pembagi tegangan, lower dan upper comparator, flip-flop, output state, discharge transistor, dan reset circuit.

2. Pembagi tegangan terdiri dari 3 resistor sama besar sehingga input positif lower comparator adalah 1/3 Vcc dan input negative upper comparator adalah 2/3 Vcc.

3. Output dari lower dan upper comparator mengontrol flip-flop yang tersambung ke output stage yang berfungsi sebagai penguat arus outputnya.

4. Discharge transistor berfungsi untuk membuang muatan kapasitor eksternal.

5. Reset circuit, apabila basis transistor ini diberi tegangan 0 V maka RS flip-flop akan reset.

               

Ada dua macam rangkaian dasar yang sering digunakan untuk mengaplikasikan IC Timer 555 ini, yaitu rangkaian monostable dan rangkaian astablemultivibrator.

Rangkaian Monostable Multivibrator

Gambar II. 38 Rangkaian Monostable Multivibrator [7]

Prinsip kerja monostable multivibrator adalah sebagai berikut. (lihat Gambar II.38)

1. Ketika trigger input diberi pulsa sebesar 0 V, maka lower comparator mendeteksi input ini dan menge-set keadaan flip-flop, pada saat itu, keadaan output berada dalam keadaan low.

2. Ketika Vtrigger kurang dari 1/3 Vcc, maka lower comparator memerintahkan output flip-flop untuk bertegangan mendekati Vcc dan menyebabkan sinyal outputhigh.

3. Pada saat itu, kapasitor C1 terisi merata melalui resistor R1.

4. Lama kelamaan, kapasitor C1 akan penuh, dan ketika tegangannya

mencapai 2/3 Vcc, maka discharging transistor aktif sehingga muatan pada kapasitor akan terbuang.

5. Ketika basis transistor reset circuit diberi tegangan 0 V, maka flip-flop akan mereset, yang menyebabkan sinyal output kembali low.                

(14) Rangkaian Astable Multivibrator

Pada dasarnya prinsip kerja astable multivibrator, sama dengan prinsip kerja monostable multivibrator. Namun, pada astable, pin-2 dan pin-6 disambungkan bersama pada sirkuit, yang menyebabkan timer ini dapat mentriger dirinya sendiri pada setiap siklusnya. Lihat Gambar II.39.

Ketika kapasitor C1 terisi, sinyal outputnya dipengaruhi oleh kedua resistor R1 dan R2, namun ketika discharging hanya dipengaruhi oleh R2.

Sehingga duty cycle yang diperoleh adalah:

(15)

dimana duty cyle ini adalah perbandingan antara sinyal output high dan sinyal output seluruhnya.

Dan besarnya frekuensi pada rangkaian astable adalah:

(16)                

Gambar II. 39 Rangkaian Astable Multivibrator [7]