1. Tujuan
- Mengetahui dan memahami sensor Strain Gauge dan sensor photodiode
- Mampu menjelaskan prinsip kerja sensor Strain Gauge dan sensor photodiode
- Mampu mengaplikasikan sensor Strain gauge dan sensor photodioda pada rangkaian
2. Komponen
Alat:
1. Voltmeter DC
Difungsikan guna mengukur
besarnya tegangan listrik yang terdapat dalam suatu rangkaian listrik. Dimana,
untuk penyusunannya dilakukan secara paralel sesuai pada lokasi komponen yang
sedang diukur.
2. Ground
Berfungsi sebagai
penghantar arus listrik langsung ke bumi atau tanah.
3. Power supply
Power supply atay catu
daya adalah suatu alt listrik yang dapat menyediakan energi listrik untuk
perangkat listrik maupun elektronika lainnya.
Bahan:
1. Resistor
Resistor merupakan salah
satu komponen elektronika pasif yang berfungsi untuk membatasi arus yang
mengalir pada suatu rangkaian
Spesifikasi:
2. Strain gauge (load
cell)
Strain gauge merupakan
salav satu jenis sensor mekanik yang digunakan untuk mengukur tegangan (stress)
atau tegangan (strain). Output strain gauge adalah perubahan hambatan yang
kemudian dikondisikan menggunakan rangkaian divider atau rangkaian jembatan
wheatstone. Strain gauge digunakan dengan cara menempelkan pada bagian benda
yang akan diukur tegangan atau regangannya.
spesifikasi:
3. Relay
Relay adalah komponen
elektronika yang berupa saklar atau switch elektrik yang dioperasikan
menggunakan listrik. Relay disebut sebagai komponen electromechanical
karena terdiri dari dua bagian utama yaitu coil atau elektromagnet dan kontak
saklar atau mekanikal.Komponen relay menggunakan
prinsip elektromagnetik sebagai penggerak kontak saklar, sehingga
dengan menggunakan arus listrik yang kecil atau low power, dapat menghantarkan
arus listrik yang memiliki tegangan lebih tinggi.
4. Baterai
Baterai merupakan suatu
komponen elektronika yang digunakan sebagai sumber tegangan pada rangkaian.
5. Op-amp
Operasional amplifier
(Op-Amp) adalah suatu penguat berpenguatan tinggi yang terintegrasi dalam
sebuah chip IC yang memiliki dua input inverting dan non-inverting dengan sebuah
terminal output, dimana rangkaian umpan balik dapat ditambahkan untuk
mengendalikan karakteristik tanggapan keseluruhan pada operasional amplifier
(Op-Amp).
6. Lampu (led)
Lampu merupakan komponen
elektronika yang berfungsi sebagai indikator pada rangkaian.
Spesifikasi:
7. Sensor
photodioda
Photodiode adalah jenis
dioda yang berfungsi mendeteksi cahaya. Berbeda dengan diode biasa, komponen
elektronika ini akan mengubah cahaya menjadi arus listrik. Cahaya yang dapat
dideteksi oleh diode foto ini mulai dari cahaya infra merah, cahaya tampak,
ultra ungu sampai dengan sinar-X.
Spesifikasi:
8. Lamp
Lampu Listrik adalah
suatu perangkat yang dapat menghasilkan cahaya saat dialiri arus listrik.
Spesifikasi :
3. Dasar Teori
1. Strain
gauge (load cell)
Load Cell adalah sebuah
sensor gaya yang sering digunakan untuk mengukur berat (Piskorowski, 2008).
Load cell tersusunan dari satu strain gauge atau lebih tergantung
kebutuhan. Strain gauge merupakan sensor yang dapat mendeteksi tekanan dan
gaya. Strain gauge terdiri dari selembar kertas foil logam tipis, yang dibentuk
sedemikian rupa menjadi benang-benang yang sangat halus. Kertas foil ini
terbungkus seluruhnya oleh lapisan film plastik. Perubahan tekanan yang
dideteksi Strain gauge akan menyebabkan perubahan resistansinya. Strain
gauge dipasangkan pada objek yang akan diberi tekanan mekanik. Ketika objek
terkena tekanan, kertas foil mengalami hal yang sama sehingga benang-benangnya
akan tertarik memanjang. Ketika hal ini terjadi, benang-benang tersebut menjadi
lebih panjang dan tipis sehingga tahanan listriknya bertambah. Perubahan nilai
tahanan ini sangat kecil, sehingga diperlukan rangkaian khusus untuk
mengukurnya.
Rumus:
Jika panjang (l) suatu
bahan berubah maka resitansi bahan tersebut akan berubah, begitu pula jika luas
permukaan (A) yang dilalui arus listriknya berubah.Sensor strain gauge umumnya
diaplikasikan pada jembatan whetston dan jembatan penimbangan kendaraan. Pada
jembatan Wheatstone persamaan sederhana tegangan pada kabel AB jika jembatan
Wheatstone tidak seimbang adalah sebagai berikut:
Keterangan:
GF
: Gauge Faktor
ΔR
: Perubahan resistansi karena pergangan
R
: Resistansi tanpa peregangan
ϵ
: regangan (strain)
L
: panjang bahan
A
: luas permukaan bahan
𝘱
: hambat jenis bahan
Karakteristik:
· Sensitivitas
yang cukup tinggi.grafik perubahan resistansi sensor terhadap pembebanan.
· Memiliki
ketelitian ± 1µm/m dalam range strain ±10%
· Output
selama periode pembacaan relatif tidak bergantung kepada temperature dan
parameter lainya.
· Strain
gauge dan peralatan pendukungnya rendah biaya dan dapat dipakai secara
luas.
· Sistem Strain gauge mudah
diinstal dan dioperasikan
2. IC
OP AMP
Penguat operasional atau
yang dikenal sebagai Op-Amp merupakan suatu rangkaian terintegrasi atau IC yang
memiliki fungsi sebagai penguat sinyal, dengan beberapa konfigurasi. Secara
ideal Op-Amp memiliki impedansi masukan dan penguatan yang tak berhingga serta
impedansi keluaran sama dengan nol. Dalam prakteknya, Op-Amp memiliki impedansi
masukan dan penguatan yang besar serta impedansi keluaran yang kecil.
Op-Amp memiliki beberapa
karakteristik, diantaranya:
a. Penguat tegangan
tak berhingga (AV = ∼)
b. Impedansi input
tak berhingga (rin = ∼)
c. Impedansi output
nol (ro = 0) d. Bandwidth tak berhingga (BW = ∼)
d. Tegangan offset
nol pada tegangan input (Eo = 0 untuk Ein = 0)
b. Inverting dan non
inverting amplifier
3. Resistor
Resistor atau hambatan
adalah salah satu komponen elektronika yang memiliki nilai hambatan
tertentu, dimana hambatan ini akan menghambat arus listrik yang
mengalir melaluinya. Satuan Resistor adalah Ohm
(simbol: Ω) yang merupakan satuan SI untuk resistansi
listrik. Dalam sejarah, kata ohm itu diambil dari nama salah
seorang fisikawan hebat asal German bernama George Simon Ohm. Beliau juga yang
mencetuskan keberadaan hukum ohm yang masih berlaku hingga sekarang.
Rumus dari Rangkaian Seri
Resistor: Rtotal = R1 + R2 + R3 + ….. + Rn
Rumus dari Rangkaian
paralel Resistor: 1/Rtotal = 1/R1 + 1/R2 + 1/R3 + ….. +
1/Rn
Rumus resistor dengan
hukum ohm: R = V/I
4. Sensor Photodioda
Sensor Photodioda adalah
sensor yang peka terhadap cahaya, yang mana berfungsi mengubah cahaya menjadi
arus listrik secara forward, pada rangkaian ini juga digunakan torch ldr yang
berfungsi untuk menghantarkan arus listrik jika menerima cahaya yang beri oleh
torch. Yang mana pada percobaan rangkaian ini, arus yang dihasilkan pada
photodioa digunakan untuk menggerakkan motor DC, dan jika arus yang dialirkan
besar, maka akan membuat gerakan motor DC semakin cepat, berlaku juga untuk
sebaliknya.
Photodioda adalah salah
satu jenis detektor cahaya, yang digunakan untuk mengubah cahaya menjadi arus
atau tegangan berdasarkan mode operasi perangkat. Ini terdiri dari filter
optik, lensa built-in dan juga area permukaan. Photodioda ini memiliki waktu
respons yang lambat ketika luas permukaan Photodioda meningkat.
Prinsip kerja dari
Photodioda adalah, ketika foton energi yang banyak menyerang dioda, itu membuat
beberapa lubang (holes) dan elektron. Mekanisme ini juga disebut sebagai efek
fotolistrik dalam. Jika penyerapan muncul di persimpangan daerah penipisan,
maka pembawa dihapus dari persimpangan oleh medan listrik inbuilt dari daerah
penipisan.
Oleh karena itu, holes di
wilayah itu bergerak ke arah anoda, dan elektron bergerak ke arah katoda, dan
arus foto akan dihasilkan. Seluruh arus melalui dioda adalah jumlah dari tidak
adanya cahaya dan arus listrik. Jadi arus yang tidak ada harus dikurangi untuk
memaksimalkan sensitivitas perangkat.
5.
Alternator
Alternator ini merupakan
generator kebalikan dari motor starter, jika motor starter merubah
dari energi lisrik menjadi energi gerak maka sistem pengisian merubah energi
gerak menjadi energi listrik. Begitu juga dengan komponennya, jika
pada motor starter yang berfungsi untuk membangkitkan medan magnet
adalah yang diam (dalam hal ini field coil), maka pada sistem pengisian
yang berfungsi untuk membangkitkan medan magnet adalah yang berputar (rotor).
6. Relay
Relay merupakan komponen
elektronika berupa saklar atau swirch elektrik yang dioperasikan secara listrik
dan terdiri dari 2 bagian utama yaitu Elektromagnet (coil) dan mekanikal
(seperangkat kontak Saklar/Switch). Komponen elektronika ini menggunakan
prinsip elektromagnetik untuk menggerakan saklar sehingga dengan arus listrik
yang kecil (low power) dapat menghantarkan listrik yang bertegangan lebih
tinggi. Berikut adalah simbol dari komponen relay.
Pada dasarnya, Relay
terdiri dari 4 komponen dasar yaitu :
1. Electromagnet
(Coil)
2. Armature
3. Switch Contact
Point (Saklar)
4. Spring
Kontak Poin (Contact
Point) Relay terdiri dari 2 jenis yaitu :
- Normally Close
(NC) yaitu kondisi awal sebelum diaktifkan akan selalu berada di posisi CLOSE
(tertutup)
- Normally Open (NO)
yaitu kondisi awal sebelum diaktifkan akan selalu berada di posisi OPEN
(terbuka)
7. LED
LED merupakan sebuah
komponen yang menghasilkan cahaya monokromatik ketika diberi tegangan. LED
terbuat dari semikonduktor dan perbedaan warna yang dihasilkan
disebabkan perbedaan bahan semikonduktor yang digunakan.
LED merupakan keluarga
dari Dioda yang terbuat dari Semikonduktor. Cara kerjanya pun hampir sama
dengan Dioda yang memiliki dua kutub yaitu kutub Positif (P) dan Kutub
Negatif (N). LED hanya akan memancarkan cahaya apabila dialiri tegangan
maju (bias forward) dari Anoda menuju ke Katoda.
LED terdiri dari sebuah
chip semikonduktor yang di doping sehingga menciptakan junction P dan N. Yang
dimaksud dengan proses doping dalam semikonduktor adalah proses untuk menambahkan
ketidakmurnian (impurity) pada semikonduktor yang murni sehingga menghasilkan
karakteristik kelistrikan yang diinginkan. Ketika LED dialiri tegangan maju
atau bias forward yaitu dari Anoda (P) menuju ke Katoda (K), Kelebihan Elektron
pada N-Type material akan berpindah ke wilayah yang kelebihan Hole (lubang)
yaitu wilayah yang bermuatan positif (P-Type material). Saat Elektron berjumpa
dengan Hole akan melepaskan photon dan memancarkan cahaya monokromatik (satu
warna).
8. Lamp
Lampu Listrik adalah
suatu perangkat yang dapat menghasilkan cahaya saat dialiri arus listrik. Arus
listrik yang dimaksud ini dapat berasal tenaga listrik yang dihasilkan oleh
pembangkit listrik terpusat (Centrally Generated Electric Power) seperti PLN
dan Genset ataupun tenaga listrik yang dihasilkan oleh Baterai dan Aki. Jenis
Jenis Lampu Listrik
1. Lampu Pijar
(Incandescent Lamp)
Lampu Pijar atau disebut
juga Incandescent Lamp adalah jenis lampu listrik yang menghasilkan cahaya
dengan cara memanaskan Kawat Filamen di dalam bola kaca yang diisi dengan gas
tertentu seperti nitrogen, argon, kripton atau hidrogen. Kita dapat
menemukan Lampu Pijar dalam berbagai pilihan Tegangan listrik yaitu Tegangan
listrik yang berkisar dari 1,5V hingga 300V.
Lampu Pijar yang dapat
bekerja pada Arus DC maupun Arus AC ini banyak digunakan di Lampu Penerang
Jalan, Lampu Rumah dan Kantor, Lampu Mobil, Lampu Flash dan juga Lampu
Dekorasi. Pada umumnya Lampu Pijar hanya dapat bertahan sekitar 1000 jam
dan memerlukan Energi listrik yang lebih banyak dibandingkan dengan jenis-jenis
lampu lainnya.
2. Lampu Lucutan Gas (Gas
discharge Lamp)
Lampu lucutan
gas menghasilkan cahaya dengan mengirimkan lucutan elektris melalui gas
yang terionisasi, misalnya pada plasma. Sifat lucutan gas sangat tergantung
pada frekuensi atau modulasi arus listriknya. Biasanya, lampu lampu ini
menggunakan gas mulia (argon, neon, kripton, dan xenon) atau campuran dari
gas-gas tersebut. Sebagian besar lampu-lampu ini juga mengandung bahan-bahan
tambahan, seperti merkuri, natrium, dan/atau halida logam.
3. Lampu LED (Light
Emitting Diode)
Lampu LED adalah komponen
elektronika yang dapat memancarkan cahaya monokromatik ketika diberikan
tegangan maju. LED merupakan keluarga Dioda yang terbuat dari bahan
semikonduktor. Warna warna Cahaya yang dipancarkan oleh LED tergantung pada
jenis bahan semikonduktor yang dipergunakannya. LED juga dapat memancarkan
sinar inframerah yang tidak tampak oleh mata seperti yang sering kita jumpai
pada Remote Control TV ataupun Remote Control perangkat elektronik lainnya.
9. Baterai
Baterai (Battery) adalah
sebuah alat yang dapat merubah energi kimia yang disimpannya menjadi energi Listrik
yang dapat digunakan oleh suatu perangkat Elektronik. Dengan adanya Baterai,
kita tidak perlu menyambungkan kabel listrik untuk dapat mengaktifkan perangkat
elektronik kita sehingga dapat dengan mudah dibawa kemana-mana. Dalam kehidupan
kita sehari-hari, kita dapat menemui dua jenis Baterai yaitu Baterai yang hanya
dapat dipakai sekali saja (Single Use) dan Baterai yang dapat di isi ulang
(Rechargeable). Jenis-jenis Baterai
1. Baterai Primer
(Baterai Sekali Pakai/Single Use)
Baterai Primer atau Baterai
sekali pakai ini merupakan baterai yang paling sering ditemukan di pasaran,
hampir semua toko dan supermarket menjualnya. Hal ini dikarenakan penggunaannya
yang luas dengan harga yang lebih terjangkau. Baterai jenis ini pada umumnya
memberikan tegangan 1,5 Volt dan terdiri dari berbagai jenis ukuran seperti AAA
(sangat kecil), AA (kecil) dan C (medium) dan D (besar). Disamping itu,
terdapat juga Baterai Primer (sekali pakai) yang berbentuk kotak dengan
tegangan 6 Volt ataupun 9 Volt.
Jenis-jenis Baterai yang
tergolong dalam Kategori Baterai Primer (sekali Pakai / Single use) diantaranya
adalah :
a. Baterai Zinc-Carbon
(Seng-Karbon)
b. Baterai Alkaline
(Alkali)
c. Baterai Lithium
d. Baterai Silver Oxide
2. Baterai Sekunder
(Baterai Isi Ulang/Rechargeable)
Baterai Sekunder adalah
jenis baterai yang dapat di isi ulang atau Rechargeable Battery. Pada
prinsipnya, cara Baterai Sekunder menghasilkan arus listrik adalah sama dengan
Baterai Primer. Hanya saja, Reaksi Kimia pada Baterai Sekunder ini dapat
berbalik (Reversible). Pada saat Baterai digunakan dengan menghubungkan beban
pada terminal Baterai (discharge), Elektron akan mengalir dari Negatif ke
Positif. Sedangkan pada saat Sumber Energi Luar (Charger) dihubungkan ke
Baterai Sekunder, elektron akan mengalir dari Positif ke Negatif sehingga
terjadi pengisian muatan pada baterai. Jenis-jenis Baterai yang dapat di isi
ulang (rechargeable Battery) yang sering kita temukan antara lain seperti
Baterai Ni-cd (Nickel-Cadmium), Ni-MH (Nickel-Metal Hydride) dan Li-Ion
(Lithium-Ion).
Jenis-jenis Baterai yang
tergolong dalam Kategori Baterai Sekunder (Baterai Isi Ulang) diantaranya
adalah :
a. Baterai Ni-Cd
(Nickel-Cadmium)
b. Baterai Ni-MH
(Nickel-Metal Hydride)
c. Baterai Li-Ion
(Lithium-Ion)
4. Prinsip Kerja
Prinsip
kerja strain gauge adalah jika diberikan tekanan dari sebuah benda, maka
foil atau kawat akan terdeformasi, dan tahanan listriknya akan
berubah. Prinsip kerja load cell adalah selama proses penimbangan akan
menimbulkan reaksi terhadap elemen logam pada load cell yang mengakibatkan gaya
secara elastis. Gaya yang ditimbulkan oleh regangan ini dikonversi ke dalam
sinyal elektrik oleh strain gauge (pengukur regangan) yang terpasang pada load
cell. Sinyal elektrik berupa tegangan yang dihasilkan strain gauge sangat kecil
sehingga dibutuhkan rangkaian penguat sinyal dengan menggunakan operator
amplifier.
Saat
tekanan atau beban yang diberikan berada dalam batas ukur, maka tegangan yang
dihasilkan oleh strain gauge pada load cell lebih kecil (Vo<3.6 mV).
Tegangan ini akan diperkuat menjadi 1000 kali oleh rangkaian operator amplifier
(Vo<3.6 V). Tegangan keluaran dari operator amplifier akan diteruskan menuju
relay, karena tegangan tersebut tidak memenuhi tegangan minimum untuk
mengaktifkan relay maka lampu tidak menyala karena tidak terhubung dengan
alternator. Yang mengakibatkan mesin tetap berjalan.
Saat
tekanan atau beban yang diberikan berada luar batas ukur, maka tegangan yang
dihasilkan oleh strain gauge pada load cell lebih besar(Vo>=3.6 mV). Tegangan
ini akan diperkuat menjadi 1000 kali oleh rangkaian operator ampilifier
(Vo>=3.6 V). Tegangan keluaran dari operator amplifier akan diteruskan
menuju relay, karena tegangan tersebut memenuhi tegangan minimum untuk
mengaktifkan relay maka lampu akan menyala karena terhubung dengan alternator. Sehingga
mesin berhenti karena muatan material yang berlebih.
Arus
mengalir dari input menuju LED sehingga LED menyala. Ketika LED menyala maka
photodioda akan menangkap cahaya dari LED. Ketika Button ditutup maka arus
mengalir dari input menuju photodioda. Karena photodioda menerima cahaya dari
led maka resistansinya akan semakin kecil sehingga tegangan yang dihasilkannya
semakin besar. Selanjutnya arus mengalir menuju transistor NPN
Q1, Masuk dari basis dan keluar dari kolektor. Selanjutnya terjadi penguatan
pada op-AMP non inverting dimana arus keluarannya bernilai positif. Selanjutnya
akan menuju OP-AMP non inverting lagi untuk dikuatkan sekali lagi. Selanjutnya
arus masuk ke transistor NPN Q2 melalui basis dan keluar dari kolektor dan arus
menuju motor dc sehingga dapat menggerakan motor dc. Pada motor DC akan membaca
tegangan output dari Sensor Photodioda tadi.
5. Gambar Rangkaian
0 komentar:
Posting Komentar