Sistem Pengukuran - Repository UNIKOM

  

Diktat

Instrumentasi Sistem Kendali

Jurusan Teknik Elektro Universitas Komputer Indonesia

  2010 Oleh :Jana Utama,ST.

  

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
• – Neural Network – Mikrokontroller

  

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 digunakan

  

Experimental Error

Element Error (2)

  Akumulasi Element Error (3) Akumulasi kesalahan tiap alat dalam sistem •

• Ea : error alat terakumulasi
• Estimasi:

  dengan εT , εSC , εA , εR masing-masing adalah

  error Transducer, signal conditioner, amplifier dan

  recorder

  Experimental Error

Improper Functioning

• • penggunaan tidak sesuai fungsi(≠)

• berhubungan dengan perawatan dan penyesuaian alat (maintenance & adjustment)
• Kalibrasi • Zero offset
• Range / Span

  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 yang menunjukkan sensitivitas alat

  Experimental Error

Range

• Daerah kerja
• Response curve masih linier / masih dalam batas toleransi

• • : batas atas dengan deviasi

  response curve maksimum

• • : batas bawah ( error alat)

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 Besaran-besaran yang biasanya digunakan dalam bidang fotometri dan radiometri adalah :

  

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).

  

Dominasi elektronika digital menyebabkan alat

peraga juga bergeser ke alat-alat peraga

kompatibel digital, seperti pada LED, peraga 7-

segmen, peraga 4x7-segmen dan peraga 5x7-

  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.

  

Proses pembentukan pasangan elektron-hole

bersifat reversibel, energi cahaya dipancarkan

pada saat terjadi rekombinasi elektron-hole. Pada

Si dan Ge umumnya rekombinasi terjadi pada

cacat kristal, namun kadang-kadang dapat juga

sebuah elektron langsung terjatuh ke hole sambil

memancarkan energi cahaya, keadaan ini lebih

banyak terjadi pada GaAs. Pada kondisi khusus

cahaya yang dipancarkan bersifat koheren, dan

devais ini dikenal sebagai laser semikonduktor.

  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

Untuk pemasangan LED perlu dibatasi arus maju

yang lewat pada LED tsb, umumnya hambatan pembatas sekitar 200 Ω. Untuk menghitung hambatan pembatas perlu diketahui karakteristik I- V dari LED yang dipakai. Sebagai contoh LED warna merah dari GaAsP, arus maju minimum agar cahaya dari LED tsb tampak pada ruangan normal (diterangi dengan lampu) sekitar ~ 20 mA, tegangan jatuh pada LED pada saat IF = 20 mA adalah VF = 1,6 volt (perlu di-check dari data sheet LED ybs). Maka hambatan pembatasnya

  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.

  Gambar 2, LED dikendalikan oleh gerbang NAND Peraga numerik biasanya menggunakan sistem 7- segmen, sedangkan untuk peraga alfanumerik biasanya menggunakan matrik titik 5 x 7 atau LCD. Peraga 7- segmen merpakan peraga yang paling umum dijumpai untuk peraga numerik karena menggunakan IC standar dan cukup sederhana untuk mengendalikannya, misalnya untuk menampilkan angka 2 perlu memberikan bias maju pada segmen a, b, g, e, d. 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 Untuk memperagakan bilangan besar misalnya ada 4 atau lebih digit biasanya dipergunakan teknik multiplek.

  Dengan teknik ini hanya menggunakan satu buah decoder/driver yang dipakai untuk men-decodenilai BCD ke peraga 7-segmen dengan menyalakan masing- masing peraga secara bergantian. Jika pergantian peraga tsb terjadi > 100 Hz, mata kita tidak akan merasakan berkedipnya peraga tsb. Keuntungan dari rangkaian ini adalah koneksi pengkawatan kawat jauh lebih sedikit disamping jumlah komponennya juga lebih sedikit, septi ditunjukkan pada gambar berikut.

  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 Dekoder 74156 tidak mampu men-drive peraga 7- segmen sehingga diperlukan driver dari transistor, sedangkan data input ke dekoder 7447 setiap saat di- perbarui sesuai dengan frekuensi clock. Dari gambar tsb tiap peraga menyala ¼ perioda scan.

  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

  Fotoresistor atau LDR (light dependent resistor) umumnya terbuat dari CdS (Cadmium Sulfida) yang memiliki hambatan besar (~ 10 MΩ) bila tak terkena cahaya, sebaliknya jika ada cahaya yang mengenai CdS hambatannya akan berkurang (~30 - 300 Ω). Pada saat bahan itu tidak terkena cahaya, konsentrasi pembawa muatan bebas redah, sehingga hambatannya tinggi, sebaliknya jika ada cahaya mengenai bahan tsb maka akan terbentuk pembawa muatan bebas (efek fotoresistivitas) dan konsentrasinya bertambah sehingga hambatannya berkurang sesuai dengan intensitas cahaya. Sensitivitas cahaya bergantung pada panjang gelombang, sensitivitas maksimum sekitar 680 nm (cahaya merah). Rentang panjang gelombang yang dapat mengubah hambatan fotoresistor sekitar 400 nm hingga 800 nm. Di luar rentang ini fotoresitor(LDR) tak dapat berfungsi. Umumnya fotoresistor dihubungkan seri dengan hambatan sehingga membentuk rangkaian pembagi tegangan, seperti ditunjukkan pada gambar berikut.

  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 utama dari fotodioda adalah:

  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

  Secara fisik fototransistor mirip dengan transistor konvensional, hanya permukaan atas dapat dikenai cahaya yang dilengkapi dengan lensa, disamping itu ada beberapa tipe fototransistor kaki basisnya tidak ada (sehingga hanya ada 2 kaki), sedang ada beberapa tipe mirip seperti BJT. Cara kerja fototransistor mirip dengan transistor BJT, hanya fotodioda yang ada diantara basis-kolektor dipergunakan sebagai sumber arus. Hal ini berarti bahwa arus yang timbul pada basis-kolektor diperkuat sebesar hfe termasuk arus bocornya. Hal ini dapat dikurangi dengan cara memberikan bias seperti ditunjukkan pada Gambar 6.

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

  Sedangkan fotodarlington juga mirip dengan fototransistor, hanya peguatan arusnya besar sekali mirip rangkaian Darlington. Sebaliknya fototiristor juga mirip dengan tiristor pnpn hanya pada kolektornya diperluas sehingga memungkinkan terpicu oleh intensitas cahaya datang. Disamping sensor-sensor cahaya di atas, ada komponen optoelektronik lain yang dikemas jadi satu antara pemancar dan penerima cahaya, misalnya optokopler. Optokopler berfungsi mengisolasi listrik dari dua rangkaian listrik yang berbeda.

  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 Sensor optokopler tidak dapat berdiri sendiri maka dibutuhkan suatu rangkaian agar sensor tersebut dapat terbaca secara low (0) atau high (1) oleh sistem pada komputer atau mikrokontroler.

  Gambar 6. Contoh rangkaian dengan optokopler Gambar 7. Rangkaian Sensor Kecepatan

  1. Jelaskan istilah-istilah plant, sistem, gain, lintasan, loop dan fungsi alih dalam sistem pengendalian!

  2. Apa yang dimaksud sistem pengendalian umpan balik!

  3. Jelaskan keuntungan dan kerugian untuk sistem kendali jerat terbuka!

  4. Sebutkan keunggulan dan kekurangan untuk sistem kendali jerat terbutup!

  5. Berikan contoh dan penjelasan mengenai sistem pengendalian manual!

  6. Berikan contoh dan penjelasan tentang sistem pengendalian otomatis!

  7. Jelaskan pengertian variabel terkendali!

  8. Terangkan pengertian variabel terukur dan variabel termanipulasi!

  9. Gambarkan diagram blok sistem pengendalian arah otomobil dan jelaskan!

  10. Terangkan mekanisme apa saja yang memiliki kesamaan diagram blok sistem kendali dengan gambar berikut!

  Soal-soal latihan