kapasitor didefenisikan sebagai jumlah muatan yang ditampung oleh bahan konduktor dibagi dengan erbedaan potensial diantara kedua konduktor tersebut.
Symbol untuk besaran kapasitor adalah �.
� =
� �
=
∮ �.�� − ∫ �.��
2.2
Meskipun kapasitansi suatu kapasitor didefenisikan oleh suatu besaran eksternal, akan tetapi kapasitansi kapasitor akan ditentukan oleh factor dimensi dan
bahan dielektrik yang dipergunakan. Kapasitor Pelat Datar Sejajar
Misalkan dua pelat datar dari bahan logam sejajar yang masing-masing memiliki luas
�, jarak kedua pelat sejajar �, dan dipisahkan oleh medium dielektrik dengan permitivitas dielektrik
� seperti pada gambar 2.1 berikut.
S +Q
-Q -Ea
z
-d O
Gambar 2.1 Kapasitor dua pelat datar sejajar. Kapasitansi:
� =
� �
=
∮ �.�� − ∫ �.��
2.3
Atau � =
� ∫ −��
� �
�
. −���
�
� ∫ �−�
�
. ��−�
� −�
�
=
� ∫ � ��
� �
− ∫ � ��
−� �
2.4
� =
�� �
2.5
2.2 Osilator Dengan IC XR2206
Dalam penelitian ini digunakan pembangkit sinyal dengan memanfaatkan IC XR2206 sebagai generator sinyal. Keluaran dari XR2206 terdiri dari gelombang
sinusoidal, kotak dan segitiga yang memiliki stabilitas dan kecepatan yang tinggi. Frekuensi yang dihasilkan akan dipengaruhi oleh nilai RC eksternal yang
dikonfigurasikan. Jangka frekuensi yang dapat dihasilkan berada diantara 0,01 Hz hingga 1 MHz. Rangkaian XR2206 sangat ideal untuk perangkat komunikasi,
instrumentasi dan pembangkit fungsi function Generator. Aplikasi yang dapat
diterapkan adalah seperti pembangkit sinyal sinusoidal untuk suara, gelombang AM, gelombang FM dan pembangkit FSK Frecuency Shift Keying.
Gambar 2.2 diagram blok XR2206
Voltage-Controlled Oscilator VCO merupakan sebuah osilator tegangan terkendali yang dapat menghasilkan frekuensi secara proporsional kesebuah arus
masukan, dimana pin 7 dan 8 mempunyai tegangan referensi 3 volt, sehingga frekuensi keluarannya dapat diatur oleh sebuah tahanan penentu timing resistor ke
terminal ground dan kapasitor penentu timing capasitor, sehingga frekuensi keluarannya dapat dihitung secara teori dengan persamaan:
� =
� ��
; ��
2.6
Keterangan: � = frekuensi Hz
� = resistor Ω � = kapasitor F
Nilai resistor yang direkomendasikan berada pada range 4 k Ω R 200 k Ω.
Sementara untuk nilai kapasitor yang direkomendasikan berada diantara 1 nF sampai dengan 100
�F, dan XR2206 akan bekerja optimal pada suhu antara 25-30
o
C.
2.3 Transduser Kapasitif
2.3.1 Defenisi Transduser kapasitif
Besaran masukan pada kebanyakan sistem instrumentasi bukan besaran listrik. Untuk menggunakan metoda dan tehnik listrik pada pengukuran, manipulasi atau
pengontrolan, besaran yang bukan listrik ini diubah menjadi suatu sinyal listrik sebuah alat yang disebut transduser. Suatu defenisi menyatakan “transduser adalah
sebuah alat yang bila digerakkan oleh energy didalam sebuah sistem transmisi, menyalurkan energy dalam bentuk yang sama atau dalam bentuk yang berlainan ke
sistem transmisi kedua.” Transmisi energi ini bisa listrik, mekanik, kimia, optic radiasi atau termal panas. Transmisi yang dapat menyalurkan energi ke transmisi
berikutnya dengan berdasarkan perubahan kapasitansi disebut transduser kapasitif. Transduser kapasitif merupakan jenis transduser pergeseran pasif yang juga
memerlukan sebuah eksitasi AC. Pada dasarnya sebuah kapasitor adalah terdiri dari sepasang pelat logam paralel yang diletakkan diantara suatu celah udara atau material
dielektrik padat dimana energi akan disimpan jika suatu tegengan tertentu dikenakan pada pelat-pelat tersebut.
Perubahan kapasitansi dapar terjadi akibat antara lain : a.
Perubahan jarak antara pelat konduktor sejajar b.
Perubahan luas area pelat sejajar c.
Dan perubahan bahan dielektrik diantara pelat sejajar. Konsep pengubahan sebuah gaya terpasang menjadi pergeseran merupakan dasar
bagi berbagai jenis transduser. Nilai kapasitansi yang dapat diukur oleh transduser kapasitif berbanding lurus
dengan area atau luas pelatkeping sejajar dan berbanding terbalik dengan jarak antara keping sejajar. Kapasitansi dari sebuah kapasitor pelat paralel diberikan oleh:
� = �. �
�
.
� �
farad 2.7
A = luas masing-masing plat, dalam m
2
d = jarak kedua pelat, dalam m �
= 9,85 x 10
-12
dalam Fm K = konstanta dielektrik
Karena kapasitansi berbanding terbalik dengan jarak kedua pelat paralel, setiap variasi dalam d menyebabkan variasi yang berkaitan pada kapasitansi. Prinsip
ini diterapkan pada transduser kapasitif pada gambar 2.5. sebuah gaya yang diberikan pada diafragma yang berfungsi sebagai salah satu pelat sebuah kapasitor sederhana,
mengubah jarak antara diafragma dengan pelat diam. Perubahan kapasitansi yang dihasilkan ini dapat diukur oleh sebuah jembatan ac, tetapi biasanya dia diukur
dengan sebuah rangkaian osilator. Transduser, sebagai bagian dari rangkaian osilator, menyebabkan perubahan frekuensi osilator. Perubahan frekuensi ini merupakan
ukuran dari besarnya gaya yang dipasang.
Gambar 2.3 transduser kapasitif Seijin Statham Instruments, Inc.. Transduser kapasitif memiliki respon frekuensi yang sangat baik dan dapat
mengukur fenomena static dan dinamik. Kekurangannya adalah kepekaan terhadap variasi temperature dan kemungkinan sinyal-sinyal yang tak teratur atau cacat
distorsi karena kawat yang panjang. Juga instrumentasi pencatatan bisa besar dan rumit dan sering membutuhkan sebuah osilator kedua dengan frekuensi yang tetap
untuk tujuan pencampuran frekuensi heterodyning. Jadi frekuensi selisih yang dihasilkan dapat dibaca oleh sebuah alat keluaran yang sesuai seperti halnya
pencacah elektronik.
2.3.2 Interaksi Gelombang Listrik pada Medium Dielektrik
Medium dielektrik memiliki kemampuan untuk menyimpan muatan jika dilewatkan gelombang listrik. Muatan listrik yang terkandung didalamnya tidak akan mengalir,
sehingga tidak timbul arus seperti pada bahan konduktor, tapi hanya sedikir bergeser dari posisi setimbangnya mengakibatkan terciptanya pengutuban dielektrik. Oleh
karena pengutuban dielektrik, muatan positif bergerak menuju kutub negatif medan listrik, sedang muatan negatif bergerak pada arah yang berlawanan yaitu menuju
kutub positif medan listrik. Hal ini menimbulkan medan listrik internal didalam bahan dielektrik yang menyebabkan jumlah keseluruhan medan listrik yang
melingkupi bahan dielektrik menurun. Gelombang listrik yang dilewatkan melalui medium dielektrik dengan
konstanta dielektrik tertentu akan mengalami pelemahan amplitudo gelombang listrik seperti ditunjukkan pada gambar berikut.
Medium dielektrik
Gambar 2.4 Ilustrasi perambatan gelombang melalui medium dielektrik yang mengalami pelemahan amplitudo gelombang
2.4 Sistem Pelumasan Mesin
2.4.1 Dasar Pelumasan Mekanik Mesin
Dua permukaan logam yang bergerak satu sama lain akan menimbulkan terjadinya gesekan. Dan fungsi pelumas ialah melapisi sekaligus memisahkan dua permukaan
logam yang saling bergesekan tersebut agar tingkat keausan logam dapat dikurangi sekecil mungkin.
Gambar 2.5 Dasar Pelumas Mekanik mesin Fungsi penting lainnya pelumasan yang dibutuhkan pada mekanik mesin, ialah:
1. Untuk melapisi sekaligus memisahkan dua permukaan logam yang saling
bergesekan, agar tingkat ke ausan logam dapat dikurangi. 2.
Untuk mendinginkan mesin dengan cara menyalurkan panas akibat gesekan dan pembakaran.
3. Untuk membersihkan mesin, dengan cara mengangkut kotoran dan elemen
logam yang terbawa arus sirkulasi hingga ke filter oli. 4.
Untuk memaksimalkan kompresi dan mempertahankan tekanan, agar konsumsi bahan bakar sangat efektif tidak boros.
5. Untuk merapatkan antar mekanik yang bergerak.
6. Untuk memelihara mesin tetap terjaga kebersihannya.
2.4.2 Minyak Pelumas
Minyak pelumas bahan dasarnya dari minyak dasar mineral, minyak dasar atau minyak dasar sintesis. Minyak pelumas saat ini sebagian besar dibuat dari minyak
dasar mineral yang berasal dari tambang yang diolah dengan cara penyulingan. Apabila persediaan minyak bumi sudah menipis, minyak pelumas dibuat dari minyak
sintetis, nabati, atau hewani. Minyak pelumas dengan bahan dasar alami merupakan minyak pelumas paling baik. Akan tetapi saat ini jumlahnya belum sesuai dengan
kebutuhan. Minyak dasar alami berasal dari tumbuh-tumbuhan, misalnya jarak, kopra, dan kelapa sawit, minyak ini dapat juga dibuat dari lemak hewan.
Sedangkan minyak pelumas dengan minyak dasar sintetis, dibuat dari bahan- bahan kimia yang dipergunakan sebagai dasar membuat minyak pelumas. dewasa ini
minyak pelumas dibuat dari bahan dasar minyak alami atau mineral dengan bahan tamabahan berasal dari bahan-bahan kimia.
2.4.2.1 Kekentalan Minyak Pelumas viscositas
Kekentalan minyak pelumas menunjukkan kemampuannya terhadap laju aliran minyak; viscositas minyak ditentukan dengan mengukur sampel minyak. Pengolahan
minyak dilakukan dengan memanaskan minyak tersebut sampai suhu tertentu, kemudian dialirkan melalui lubang pada viscosimeter. Lamanya waktu yang
diperlukan untuk meneteskan minyak pelumas dari viscosimeter ke gelas ukur,
menentukan kekentalan minyak pelumas. Minyak pelumas yang mengalir lebih cepat, viscositasnya rendah, sedangkan yang mengalir lambat, viscositasnya tinggi.
Suatu badan Internasional, yaitu Society of Automotive Enginers SAE, mempunyai standard kekentalanviscositas dengan awalan SAE di depan indeks
kekentalan. SAE telah membuat indeks kekentalan yang diikuti dengan huruf W, yang menunjukkan kekentalan miyak pelumas pada temperatur -20
o
C W artinya Wintermusim dingin dan disebut kekentalan rendah. Sedangkan minyak pelumas
untuk keperluan sampai temperatur 100
o
C, tidak ditandai dengan huruf W.
Gambar 2.6 Kekentalanviscositas oli
2.4.2.2 Klasifikasi viscositas Oli Mesin Berdasarkan Indeks SAE
Indeks diatas menunjukkan temperatur berkenaan dengan lingkungan dimana oli tertentu dapat digunakan, sebagai contoh 10W-30. Semakin besar angkanya, semakin
tinggi viscositasnya oli. Oli dengan indeks viskositas yang menunjukkan rentang seperti SAE 10W-30 disebut oli multigrade. Semakin rendah angkanya, seperti 10
maka semakin kecil kemungkinan oli untuk mengeras pada temperatur rendah. Semakin tinggi angka kedua, seperti 30, semakin kecil kemungkinan oli menjadi
kurus pada temperatur tinggi, “W” winter berarti musim dingin, menunjukkan bahwa viskositas ini ialah untuk penerapan pada temperatur rendah.
Multigrade Oil ialah oli yang nilai kekentalannya tidak terpengaruh oleh temperatur ada range temperatur dan biasanya ditandai dengan kode W
dibelakangnya; contohnya SAE 10W; SAE 10W-30; SAE 30. Huruf W pada 10W menunjukkan derajat viskositaskekentalan pada -17,8 derajat celcius yang
merupakan patokan pada viskositas mesin untuk start pada keadaan dingin. Nomor yang tidak memakai huruf W merupakan derajat viskositas pada 98,9 derajat Celcius.
Gambar 2.7 klasifikasi oli berdasarkan SAE
2.5 Penguat Operasional
Op-Amp pada dasarnya merupakan sebuah blok komponen yang sederhana. Sebuah Op-Amp akan memiliki dua buah terminal masukan dimana salah satu masukan
disebut sebagai masukan pembalik diberi tanda - sementara satu masukan lainnya disebut dengan masukan non-pembalik diberi tanda +. Pada umumnya Op-Amp
memiliki sebuah keluaran atau keluaran tunggal. Akan tetapi beberapa jenis Op-Amp khusus yang umumnya digunakan pada rangkaian-rangkaian frekuensi radio dapat
memiliki dua buah terminal keluaran. Sebuah Op-Amp juga memiliki dua buah rel hubungan catu daya yang masing-masing adalah rel hubungan positif dan rel
hubungan negatif. Op-Amp merupakan sebuah penguat arus searah dengan gain tinggi
besarnya gain pada umumnya lebih besar dari 100.000 atau lebih besar dari 100dB. Dengan menggunakan kopling kapasitif yang tepat, Op-Amp dapat diaplikasikan
pada berbagai macam rangkaian-rangkaian penguat arus bolak-balik. Tegangan pada terminal keluaran op-amp merupakan perkalian antara selisih tegangan diantara
masukan pembalik dan non-pembalik dengan besarnya gaian yang dimiliki. Dengan demikian op-amp merupakan sebuah penguat diferensial.
Untuk dapat menjalankan fungsinya dengan baik, op-amp harus memiliki umpan balik. Hampir seluruh rancangan rangkaian yang ada pada umumnya
menggunakan umpan balik negatif untuk mengendalikan besarnya gain serta memperoleh operasi kerja op-amp linier. Rangkaian-rangkaian nonlinier, misalnya
komparator dan osilator, menggunakan umpan balik positif yang dapat diperoleh dengan menghubungkan komponen, misalnya resistor, diantara terminal keluaran op-
amp dan masukan non-pembaliknya, yaitu terminal masukan yang bertanda +.
2.5.1 Op-Amp Ideal
Pada saat menganalisa suatu rangkaian umpan balik, akan sangat membantu jika kita asumsikan bahwa komponen penguat memiliki beberapa karakteristik ideal berikut
ini : 1.
Keluaran dari penguat dengan masukan diferensial ideal hanya bergantung pada beda atau selisih dari tengangan-tegangan yang diberikan pada dua
terminal masukan. 2.
Kinerja dari penguat seluruhnya bergantung pada rangkaian masukan dan umpan balik.
3. Tidak ada arus yang mengalir pada teminal-terminal masukan penguat.
4. Respon frekuensi penguat memiliki rentang dari nol sampai tak hingga untuk
menjamin diperolehnya respon yang mencakup semua sinyal arus searah DC maupun arus bolak-balik AC, dengan waktu respons nol serta tidak
terjadi perubahan fasa terhadap frekuensi. 5.
Penguat tidak dipengaruhi oleh beban atau perubahan dari besarnya beban yang terjadi.
6. Pada saat sinyal tegangan masukan bernilai nol, sinyal keluaran juga harus
bernilai nol tanpa mempertimbangkan besarnya resistansi sumber masukan. Satu op-amp merupakan suatu penguat diferensial dengan penguatan tak
berhingga. Satu penguat diferensial adalah suatu penguat yang mempunyai dua masukan dan voltase pada keluaran tergantung dari perbedaan potensial antara kedua
masukannya. Berarti terdapat persamaan sebagai berikut:
�
������
= ��
������
− �
������
�. � 2.8
Dimana � adalah faktor penguatan.
Karena penguatan A dari op-amp tak berhingga, maka terdapat persamaan untuk op-amp:
�
������
= ��
������
− �
������
�. ∞ 2.9
Dari persamaan diatas dapat dilihat bahwa besar dari output menjadi positif tak berhingga ketika input 1 lebih besar dari input 2 dan besar output menjadi negatif
tak berhingga ketika input 1 lebih kecil dari input 2. Berarti ketika input 2 tinggi, output rendah, sebab itu input 2 disebut inverting input atau masukan membalik dan
dalam skema rangkaian biasanya ditandai dengan tanda “-“, ketika input tinggi, output tinggi, sebab itu input 1 disebut non-inverting input atau masukan tak
membalik dan dalam skema rangkaian biasanya ditandai dengan tanda “+”.
+ -
+ Vcc
- Vcc
Gambar 2.8 Lambang op-amp
2.5.2 Penguat Diferensiator
Sebuah rangkaian diferensiator dasar sederhana seperti terlihat pada gambar 2.10, dapat diperoleh dengan memasangkan kapasitor pada masukan negatif penguat dan
resistor pada posisi yang menghubungkan keluaran dengan masukan sebagai feedback.
+ -
e in
o R
C e
Gambar 2.9 rangkaian diferensiator dasar
Persamaan kinerja ideal rangkaian diferensiator dasar dapat diturunkan dengan menggunakan asumsi-asumsi penguat ideal. Oleh karena pada rangkaian
diferensiator sinyal masukan dikenakan ke rangkaian melalui sebuah kapasitor maka akan terdapat aliran arus yang menuju titik penjumlahan op-amp dan tegangan
keluaran yang tidak sama dengan nol hanya terjadi saat tegangan masukan berubah. Arus yang mengalir ke titik penjumlahan penguat adalah:
�
��
= �
��
��
��
2.10
Dalam kondisi ideal arus ini harus sama dengan arus yang mengalir melalui resistor umpan balik R. maka:
�
�
= −�
�
� 2.11
Atau, �
�
= −��
��
��
��
2.12 2.5.3
Penguat Inverting
Penguat membalik inverting merupakan penerapan dari penguat opersional sebagai penguat sinyal dengan karakteristik dasar sinyal output memiliki phase yang
berkebalikan dengan phase sinyal input. Pada rangkaian penguat inverting terdapat pemasangan resistor umpan balik feedback dan resistor input adalah untuk
mengatur faktor penguatan inverting. Dengan memasang resistor umpan balik �
�
dan resistor input �
��
maka faktor penguatan dapat diatur dari 1 sampai 100.000 kali. Rangkaian penguat inverting seperti ditunjukkan pada gambar berikut.
+ -
e in
o Rf
e Rin
Gambar 2.10 rangkaian penguat inverting Besar penguatan dari rangkaian penguat inverting dapat dihitung secara matematis
dengan pesamaan: � = −
�
�
�
��
2.13
Dengan : � = penguatan gain
2.6 Mikrokontroller ATMega8535