Sistem Pengukuran - Repository UNIKOM

(1)

Diktat

Instrumentasi Sistem Kendali

Jurusan Teknik Elektro

Universitas Komputer Indonesia

2010

(2)

Matakuliah

: Instrumentasi Sistem Kendali

Pokok Pembahasan

• Dasar Sistem Kontrol dan Mekatronika

– Mengenal Mekatronika (Sistem control, sistem listrik, dan mekanik)

– Istilah-istilah Sistem Pengukuran – Teknik Digital

• Sistem Penggerak

– Motor DC

– Motor Stepper – Motor Servo

• Power Suplay

– Tenaga Surya – Baterai

– Catu Daya

• Sensor

– Pengkondisian Sinyal

– Mengenal Berbagai Sensor – Sensor Jarak

– Sensor Panas – Sensor Posisi

– Teknologi Wireless

• Kontrol

– PLC – PID

(3)

Experimental Error

Element Error

• Error setiap alat sesuai spesifikasi

pembuat

• Dinyatakan dalam persen terhadap

nilai full scale

• Misal: 2%

– nilai kesalahan maksimal = 2%x

angka full scale

• Jika alat dioperasikan tidak pada

full scale

– nilai kesalahan maksimal tetap,

mengikuti saat full scale

– Misal operasi pada half scale:

– Error max = 4%x skala yang

(4)

Experimental Error

Element Error (2)

Akumulasi Element Error (3)

•

Akumulasi kesalahan tiap alat dalam sistem

• E

a :

error alat terakumulasi

• Estimasi:

(5)

Experimental Error

Improper Functioning

• penggunaan tidak sesuai fungsi(≠)

• berhubungan dengan perawatan

dan penyesuaian alat

(maintenance & adjustment)

• Kalibrasi

• Zero offset

(6)

Experimental Error

Kalibrasi



Sensitivitas

•

Response curve suatu alat

• garis lurus dengan kemiringan

yang menunjukkan sensitivitas alat

Zero Offset

• deviasi Response line (pada

sumbu vertikal)

• garis lurus dengan kemiringan

(7)

Experimental Error

Range

• Daerah kerja

•

Response curve masih linier /

masih dalam batas toleransi

• : batas atas dengan deviasi

response curve maksimum

(8)

OPTOELEKTRONIKA

Pada awal perkembangan semikonduktor telah diketahui bahwa dioda dan transistor peka terhadap cahaya dan juga beberapa devais semikonduktor dapat mengeluarkan cahaya, karena proses rekombinasi.

Dari gejala tsb dapat dikembangkan devais-devais sensitif cahaya baik sebagai detektor ataupun pemancar. Pada optoelektronika berkaitan dengan cahaya tampak maupun tak tampak (IR maupun UV). Spektrum gelombang cahaya tsb merupakan bagian dari spektrum gelombang elektromagnet, seperti ditunjukka pada Gambar 1 berikut.

Gambar 1, Spektrum cahaya

(9)

Ada banyak sumber cahaya buatan seperti lampu

pijar, lampu fuorescent, lampu gas discharge

(Xenon, Merkuri, dll), namun konsentrasi kita pada

sumber cahaya yang dihasilkan dari bahan

semikonduktor, seperti LED. Tujuan dari peraga

elektronik adalah untuk mengimplemen informasi

visual dari peralatan menggunakan devais yang

memancarkan cahaya maupun termodulasi oleh

cahaya, termasuk pada lampu pijar, lampu gas

discharge (tabung Nixie), LCD dan LED.

Masing-masing peraga tadi berbeda dalam hal

kemampuannya dan kebutuhannya, seperti warna

dan kecerahannya, disipasi daya, ukuran,

tegangan dan arus yang diperlukan dan

pengaruhnya terhadap lingkungan (seperti suhu,

getaran, dll).

(10)

LED

LED = light emitting diode adalah sebuah dioda

yang dapat memancarkan cahaya jika mendapat

bias maju. Karakteristik LED mirip dengan dioda

p-n. LED ini sibuat dengan berbagai macam panjang

gelombang sehingga dapat dibedakan dari

warnanya, umumnya adalah warna merah (~ 650

nm), hijau (~550 nm) dan kuning (~600 nm).

Disamping ada LED yang memancarkan cahaya

infra merah (~950 nm) yang biasanya dipakai

sebagai sumber cahaya pada sistem sensor,

sedangkan LED cahaya tampak dipakai untuk

indikator, peraga dalam instrumen digital, dll.

(11)

Ada beberapa keunggulan penggunaan LED dibandingkan dengan lampu pijar untuk sistem elektronika, seperti:

1. LED beroperasi pada tegangan rendah dan kompatibel dengan level tegangan logika TTL 5 volt, disamping juga butuh konsumsi daya yang rendah sekitar ~ 20 - 30 mW.

2. berumur panjang, MTBF ~ 100.000 jam

3. konstruksi semikonduktor lebih andal dibandingkan dengan konstruksi filamen yang mudah pecah.

4. ukurannya kecil. 5. murah

6. emisi LED hampir monokromatis dan tersedia dalam beberapawarna.

7. dapat diberi pulsa pada frekuensi tinggi

(12)

Selanjutnya untuk mengemudikan LED dari rangkaian logika perlu juga diberi hambatan pembatas, hal ini karena pada gerbang TTL standar dapat menerima (sink) arus hingga 16 mA (yaitu IOL), sedangkan TTL standar hanya dapat menyalurkan (source) arus hingga 1 mA. Kondisi ini tidak cukup terang untuk sebagian besr aplikasi LED. Kesulitan ini dapat diatasi dengan gerbang yang dapat di-pull-up dengan sebuah hambatan, seperti gerbang 7410, seperti ditunjukkan pada rangkaian berikut ini.

(13)

Untuk memperagakan pada peraga 7-segmen perlu

decoder, umumnya yang tersedia adalah decoder BCD ke 7-segmen, sehingga format data input berupa format BCD. Disamping decoder perlu driver untuk memberikan arus ke peraga minimum ~ 10 mA agar dapat menyalakan 7-segmen. Decoder dan driver tersedia dalam satu chip IC, seperti 7447. IC 7447 digunakan untuk peraga dengan tipe anoda bersama. Rangkaiannya ditunjukkan pada Gambar 3.

Gambar 3, Rangkaian peraga 7-segmen

(14)

Keuntungan dari rangkaian ini adalah koneksi pengkawatan kawat jauh lebih sedikit disamping jumlah komponennya juga lebih sedikit, serpti ditunjukkan pada gambar berikut.

Gambar 4, Rangkaian peraga BCD 4-digit

(15)

Sensor Cahaya

Devais ini bekerja berdasarkan perubahan karakteristik listrik pada saat energi cahaya mengenai devais tsb sehingga kondutivitas devais berubah. Ada beberap devais sensor cahaya diantaranya: fotoresistor, fotodioda, fototransistor, fotodarlington, fototiristor.

Fotoresistor

(16)

Gambar 5, Ilustrasi penggunaan fotocel CdS

Fotodioda

Fotodioda bekerja mirip dengan dioda Zener yaitu pada bias mundur. Pada saat cahaya dengan panjang gelombang yang sesuai mengenai fotodioda, maka akan ada arus yang mengalir. Sehingga energi cahaya dipergunakan untuk menghasilkan pacsangan elektron-hole didekat hubungan. Arus tsb kira-kira sebanding dengan intensitas total cahaya datang. Perbandingan arus pada saat dikenai cahaya dengan pada saat tidak ada cahaya ternyata cukup besar. Karakteristik ini diperlukan sebagai transducer cahaya. Umumnya fotodioda terbuat dari silikon dengan waktu reaksi ~ 1ns. Selanjutnya fotodioda juga dipergunakan untuk mengkonversi energi solar menjadi energi listrik. Karakteristik

(17)

 Tanggapan spektral, (dinyatakan dalam %), untuk

fotodioda Silikon tanggapan maksimum pada panjang gelombang sekitar 800 nm.

 Arus gelap adalah arus mundur fotodioda pada saat tak ada cahaya. Arus gelap ini bergantung pada suhu, biasanya arus gelap ini cukup besar dibandingkan dengan dioda hubungan (arus mundur) dalam orde nA atau μA tergantung pada luas permukaan devais.

 Effisiensi kuantum yaitu perbandingan jumlah pasangan hole elektron yang terjadi secara optis dengan jumlah foton datang. Effisiensi ini lebih besar dari 90 % pada panjang gelombang puncak. Tanggapan fotodioda lebih cepat dibandingkan dengan fotoresistor. Fotodioda dapat mengikuti pulsa cahaya dengan frekuensi tinggi dalam orde MHz, sehingga cocok untuk applikasi transmisi data dengan serat optis.

Fototransistor

(18)

Hal ini dapat dikurangi dengan cara memberikan bias seperti ditunjukkan pada Gambar 6.

Gambar 6. Contoh rangkaian dengan fototransistor untuk mendeteksi cahaya lemah.

(19)

Optokopler

Optokopler seringkali dikenal sebagai optically coupled isolator (OCI) terdiri atas sebuah devais pemancar cahaya (biasanya IRED) dan sebuah fotodetektor (biasanya fototransistor, light-sensitive SCR (LASCR),

atau sel fotokonduktif). Antara pemancar dan penerima tidak ada hubungan listrik dan keduanya diisolasi dengan bahan transparan.

Relay elektromekanis dapat juga dipergunakan untuk mengisolasi tegangan DC namun tanggapannya lambat, sedangkan pada optokopler dapat dikurangi hingga waktu

switchingnya kurang dari 10 μs. Trafo juga dapat mengisolasi tegangan DC namun jauh lebih berat dan lebih besar disamping itu ada pengaruh beban dengan sumber (dikenal sebagai pembebanan pantulan /reflected loading). Sedangkan pada optokopler pada sisi beban sangat terisolasi dengan sumber. Karena keunggulan-keunggulan tsb dipergunakan pada:

1. Penerima data bersifat optis, terutama jika transducer jauh dari rangkaian sehingga ada beda potensial antar kedua terminal ground.

2. Aplikasi medis, seperti pada ECG 3. Relay terisolasi secara optis

(20)

Gambar 6. Contoh rangkaian dengan optokopler

(21)