SK : Mengoperasikan Rangkaian Elektronika Terapan
KD : Menjelasakan Konsep Dasar Sensor Dalam Elektronika Indsutri
A. Pengertian Sensor
Sensor adalah jenis tranduser yang digunakan untuk mengubah besaran mekanis, magnetis, panas, sinar, dan kimia menjadi tegangan dan arus listrik. Sensor sering digunakan untuk pendeteksian pada saat melakukan pengukuran atau pengendalian.
Sensor merupakan komponen yang digunakan untuk mendeteksi suatu besaran fisik menjadi besaran listrik sehingga dapat dianalisa dengan rangkaian listrik tertentu. Hampir seluruh peralatan elektronik yang ada mempunyai sensor didalamnya. Pada saat ini, sensor tersebut telah dibuat dengan ukuran sangat kecil. Ukuran yang sangat kecil ini sangat memudahkan pemakaian dan menghemat energi. Sensor merupakan bagian dari transducer yang berfungsi untuk melakukan sensing atau merasakan dan menangkap adanya perubahan energi eksternal yang akan masuk ke bagian input dari transducer, sehingga perubahan kapasitas energy yang ditangkap segera dikirim kepada bagian konvertor dari transducer untuk dirubah menjadi energi listrik. Beberapa jenis sensor yang banyak digunakan dalam rangkaian elektronik antara lain sensor cahaya, sensor suhu, dan sensor tekanan.
B. Jenis Sensor
1. Sensor Cahaya
a. Fotovoltaic atau sel solar atau surya sell
Fotovoltaic atau sel solar atau surya sell adalah alat sensor sinar yang mengubah energi sinar langsung menjadi energi listrik. Sel solar silikon yang modern pada dasarnya adalah sambungan PN dengan lapisan P yang transparan. Jika ada cahaya pada lapisan transparan P akan menyebabkan gerakan elektron antara bagian P dan N, jadi menghasilkan tegangan DC yang kecil sekitar 0,5 volt per sel pada sinar matahari penuh. Sel fotovoltaic adalah jenis tranduser sinar.
Gambar 1. Pembangkitan tegangan pada Fotovoltaic
Gambar 2. Cahaya pada sel fotovoltaic menghasilkan tegangan
b. Fotokonduktif
Sensor jenis foto konduktif bekerja atas dasar perubahan nilai resistansi akibat intensitas cahaya matahari. Sel-sel fotokonduktif (photoconductive cell), juga disebut tahanan cahaya (photo resistor) atau tahanan yang bergantung cahaya yang bisa dikenal dgn LDR (light dependent resistor), dipakai luas dalam industri dan penerapan pengontrloan di laboratorium. Energi yang jatuh pada sel fotokonduktif akan menyebabkan perubahan tahanan sel. Apabila intensitas cahaya yang mengenai permukaan alat ini kurang (gelap) maka tahanan/nilai resistansi alat menjadi tinggi. Ketika permukaan terkena intensitas tinggi (terang) maka nilai tahanan turun pada tingkat harga yang rendah.
c. Fotodiode/Dioda foto dan Photo Transistor
Fotodiode merupakan sambungan P-N yang dirancang untuk beroperasi bola dibiaskan dalam arah terbalik. Ketika energy cahaya dengan panjang gelombang yang benar jatuh pada sambungan fotodiode,maka arus akan mengalir di dalam sirkit eksternal. Komponen ini dapat diidentikkan sebagai pembangkit arus, nyang arusnya sebannding dengan intensitas cahaya.
Sama halnya dioda foto, maka transistor foto juga dapat dibuat sebagai sensor cahaya. Teknis yang baik adalah dengan menggabungkan dioda foto dengan transistor foto dalam satu rangkaian.
– Karakteristik transistor foto yaitu hubungan arus, tegangan dan intensitas foto
– Kombinasi dioda foto dan transistor dalam satu chip
– Transistor sebagai penguat arus
– Linieritas dan respons frekuensi tidak sebaik dioda foto
2. Sensor Suhu
Ada 5 jenis utama sensor suhu yang biasa digunakan :
a. Thermocouple
Thermocouple ditemukan oleh Thomas Johan Seebeck tahun 1820. Tegangan keluaran emf (elektro motive force) thermokopel masih sangat rendah, hanya beberapa milivolt Thermocouple terdiri dari sepasang penghantar yang berbeda jenisnya disambungkan dan dilebur bersama membentuk sambungan, dimana terdapat perbedaan yang timbul antara sambungan tersebut dengan sambungan referensi yang berfungsi sebagai pembanding. Ujung sambungan merupakan ujung yang digunakan untuk pengukuran dan ujung yang satunya merupakan ujung yang dijadikan sambungan referensi. Apabila ujung yang dipersatukan tersebut dipanaskan maka pada kedua ujung yang terbuka akan terdapat beda potensial, yang besarnya sebanding dengan besarnya suhu pada ujung yang dipersatukan. Perbedaan suhu antara sambungan pengukuran dengan sambungan referensi harus muncul agar thermocouple dapat bekerja sesuai fungsinya. Thermocouple berfungsi sebagai sensor suhu rendah dan tinggi, yang digunakan pada proses industri baja, gelas dan keramik yang lebih dari 30000 °F.
Gambar 3. Konstruksi Termocouple
Prinsip kerja dari thermocouple adalah jika salah satu bagian pangkal lilitan dipanasi, maka pada kedua ujung penghantar yang lain akan muncul beda potensial (emf). Thermokopel bekerja berdasarkan perbedaan pengukuran. Oleh karena itu jika untuk mengukur suhu yang tidak diketahui, terlebih dulu harus diketahui tegangan pada suhu referensi (reference temperature). Bila thermokopel digunakan untuk mengukur suhu yang tinggi maka akan muncul tegangan (suhu pengukuran). Tegangan sesungguhnya adalah selisih antara suhu referensi dan suhu pengukuran yang disebut net voltage (Vnet).
Thermocouple sangat cocok digunakan dalam sistem deteksi dan sebagai alat ukur yang bekerja pada suhu yang relative tinggi seperti pada ketel uap, pengecoran logam,dll.
b. Detektor Suhu Tahanan / Resistant Temperature Detector (RTD)
Konsep utama dari yang mendasari pengukuran suhu dengan detektor suhu tahanan adalah tahanan listrik dari logam yang bervariasi sebanding dengan perubahan suhu. Kesebandingan variasi ini adalah presisi dan dapat diulang lagi sehingga memungkinkan pengukuran suhu yang konsisten melalui pendeteksian tahanan. Semakin tinggi suhu, resistansinya semakin besar. Bahan yang sering digunakan RTD adalah platina karena kelinearan, stabilitas dan reproduksibilitas. RTD dapat digunakan sebagai sensor suhu yang mempunyai ketelitian 0,03 °C dibawah 500°C dan 0,1 °C diatas 1000°C.
Gambar 4. Konstruksi RTD
Prinsip Kerja dari sensor ini adalah Bila RTD berada pada suhu kamar maka beda potensial jembatan adalah 0 Volt. Keadaan ini disebut keadaan setimbang. Bila suhu RTD berubah maka resistansinya juga berubah sehingga jembatan tidak dalam kondisi setimbang. Hal ini menyebabkan adanya beda potensial antara titik A dan B. Begitu juga yang berlaku pada keluaran penguat diferensial.
RTD memiliki keunggulan dibanding termokopel yaitu:
1. Tidak diperlukan suhu referensi
2. Sensitivitasnya cukup tinggi, yaitu dapat dilakukan dengan cara mem-perpanjang kawat yang digunakan dan memperbesar tegangan eksitasi.
3. Tegangan output yang dihasilkan 500 kali lebih besar dari termokopel
4. Dapat digunakan kawat penghantar yang lebih panjang karena noise tidak jadi masalah
5. Tegangan keluaran yang tinggi, maka bagian elektronik pengolah sinyal menjadi sederhana dan murah.
Aplikasi penggunaan sensor RTD dalam kegiatan indsutri adalah untuk pengontrolan temperatur di line fuel gas (pipa berbahan
bakar gas). Hal ini ni diperlukan pengontrolan (pengendalian) temperatur agar suhu yang ada pada pipa tersebut selalu dalam keadaan stabil.
c. Thermistor
Thermistor adalah resistor yang peka terhadap panas yang biasanya mempunyai koefisien suhu negatif. Karena suhu meningkat, tahanan menurun dan sebaliknya. Thermistor sangat peka (perubahan tahanan sebesar 5 % per °C) oleh karena itu mampu mendeteksi perubahan kecil di dalam suhu.
Berfungsi untuk mengubah suhu menjadi resistansi/hambatan listrik yang berbanding terbalik dengan perubahan suhu. Semakin tinggi suhu, semakin kecil resistansi. Thermistor dibentuk dari bahan oksida logam campuran, kromium, kobalt, tembaga, besi atau nikel.
Gambar 5. Konstruksi Thermistor
1) Positive Temperature Coeffisient (PTC)
Positive Temperature Coeffisient (PTC) disebut juga Thermistor, dan namanya bisa diartikan Koefisien Temperatur Positif jadi bergantung pada temperatur positif. PTC ini termasuk dalam kelompok Resistansi yang variabel. Signal output yang dihasilkan oleh PTC ini adalah resistansi atau tahanan. Nilai tahanan besar bila koefisien temperatur naik/semakin panas dan nilai tahanan kecil bila koefisien temperatur turun. Kegunaan dari PTC thermistor ini sebagai contoh adalaha untuk over current protection.
2) Negative Temperature Coeffisient (NTC)
Negative Temperature Coeffisient (NTC) disebut juga thermistor. Akan berubah nilai resistansinya apabila terjadi perubahan temperature untuk perubahan temperatur sama seperti PTC namun jika NTC perubahannya panasnya ke arah kecilnya resistansi. Nilai tahanan kecil bila koefisien temperatur naik/semakin panas dan nilai tahanan besar bila koefisien temperatur turun. Fungsi dari Thermistor adalah pelindung rangkaian dari lonjakan arus yang tiba-tiba tinggi. Fungsi utama dari NTC thermistor ini khususnya untuk melindungi komponen dioda jembatan dan capasitor
Gambar 6. Komponen PTC dan NTC
d. Sensor Suhu Rangkaian Terpadu (IC)
Sensor suhu dengan IC ini menggunakan chip silikon untuk elemen yang merasakan (sensor). Memiliki konfigurasi output tegangan dan arus. Meskipun terbatas dalam rentang suhu (dibawah 200 °C), tetapi menghasilkan output yang sangat linear di atas rentang kerja.
IC yang sering digunakan adalah IC LM35. IC ini berfungsi untuk mengubah suhu menjadi tegangan tertentu yang sesuai dengan perubahan suhu.
Gambar 7. Konstruksi LM35
Prinsip Kerja IC LM35 adalah tegangan keluaran rangkaian bertambah 10 mV/0C. Dengan memberikan tegangan referensi negatif (-Vs) pada rangkaian, sesor ini mampu bekerja pada rentang suhu -550C – 1500C. Tegangan keluaran dapat diatur 0 V pada suhu 00C dan ketelitian sensor ini adalah ± 10C.
e. Thermostat
Thermostat terbuat dari sebuah jalur bimetal, yaitu 2 buah logam yang berlaian dan mempunyai koeefisien panas yang berbeda serta diletakkan menjadi satu jalur. Pada ujung-ujung dari logam tersebut teradapat sebuah kontak dengan fungsi untuk membuka dan menutup jalannya arus yang mengalir pada rangkaian.
Penggunaan thermostat ini aplikasinya adalah pada setrika. Thermostat akan mengatur panas pada setrika dengan cara apabila elemen tersebut dihubungkan dengan sumber tegangan, maka elemen panasnya mulai memanas. Kontak-kontak saklarnya berada diujung dari lempengan thermostat itu menjadi panas dan logam-logamnya memuai dengan kecepatan yang berbeda maka salah satu logam akan melengkung sehingga akan membuka saklar kontak. Akibatnya rangkaian listriknya menjadi terbuka dan setrikannya mulai dingin. Saaat setrika menjadi dingin lempengan itu kembali ke posisi yang normal. Logam-logammnya akan kembali ke posisisnya yang normal dengan demikian akan menutup saklar sehingga rangkaian akan tertutup kembali. Proses membuka dan menutup ini akan berlangsung secara terus menerus selama setrika ini dipakai.
Gambar 8. Cara kerja bimetal pada thermostat
Perbandingan sensor thermocouple, RTD, thermistor dan IC
Gambar 9. Tabel perbandingan sensor suhu
3. Sensor Tekanan
Prinsip kerja dari sensor tekanan ini adalah mengubah tegangan mekanis menjadi sinyal listrik. Ukuran ketegangan didasarkan pada prinsip bahwa tahanan pengantar berubah dengan panjang dan luas penampang. Daya yang diberikan pada kawat menyebabkan kawat bengkok sehingga menyebabkan ukuran kawat berubah dan mengubah tahanannya.
Pressure Switch atau sensor tekanan berfungsi untuk mendeteksi tekanan pada suatu bidang atau tekanan dalam pipa atau tabung, Pressure Switch terdapat beberapa jenis sesuai dengan media yang hendak diukur, ada Pressure switch air, udara, oli, dan steam atau uap panas, gambar diatas adalah Pressure switch udara. Cara kerja Pressure switch yaitu ketika lubang masukan mendapat tekanan hingga melebihi batas pengaturan atau setting maka Pressure switch akan bekerja dan kontak didalamnya akan bekerja dari on ke off. Salah satu pemakaiannya yang sering kita jumpai adalah pada mesin pompa air dirumah kita untuk menghidupkan dan mematikan pompa, atau pada mesin kompresor yang terdapat pada tukang tambal ban apabila udara dari kompresor sudah penuh maka kompresor akan mati dengan sendirinya.
a. Tabung Bourdon
Perubahan tekanan pada kantung menyebabkan perubahan posisi inti kumparan sehingga mengakibatkan perubahan induksi magnetik pada kumparan. Kumparan yang digunakan adalah kumparan CT (center tap), dengan demikian apabila inti mengalami pergeseran maka induktansi pada salah satu kumparan bertambah sementara induktansi pada kumparan yang lain berkurang. Kemudian pengubah sinyal berfungsi untuk mengubah induktansi magnetik yang timbul pada kumparan menjadi tegangan yang sebanding.
Gambar 10. Konstruksi
b. LVDT (Linear Variabel differential Transformer)
Selain digunakan sebagai sensor tekanan LVDT juga bisa diaplikasikan untuk sensor perubahan posisi dan untuk mengubah induksi magnetik LVDT menjadi listrik
Gambar 11. Konstruksi LVDT
Apabila tekanan dalam tabung bertambah, maka tabung akan bergerak menyusut dan bila tekanan pada tabung berkurang, maka tabung akan bergerak mengembang. Pergerakan tabung tersebut akan membuat inti LVDT akan tertekan dan tertarik ujung tabung sehingga LVDT akan menghasilkan nilai induktansi magnetik.
4. Sensor Gaya
a. Bonded Strain Gauge
Gambar 12. Konstruksi Bonded Strain Gauge
Susunan kawat tahanan di dalamnya berliku-liku sehingga memudahkan pendeteksian terhadap gaya tekanan yang tegak lurus dengan arah panjang lipatan kawat, karena tekanan akan menarik kabel sehingga meregang. Akibatanya kawat tahanan akan mengalami perubahan fisik yang panjang dan diameternya menjadi berubah. Dengan meregangnya strain gauge, maka terjadi perubahan resistansi kawat.
Berdasarkan prinsip kerja maka strain gauge banyak digunakan pada
a. Detektor ban berjalan
b. Detektor berat pada proses industri
c. Pengukuran regangan jembatan
d. Pengukuran regangan belt conveyor
5. Sensor Ultrasonik (sensor jarak tipe DT-sense usirr)
Sensor ultrasonik bekerja berdasarkan prinsip pantulan gelombang suara, dimana sensor ini menghasilkan gelombang suara yang kemudian menangkapnya kembali dengan perbedaan waktu sebagai dasar penginderaannya. Perbedaan waktu antara gelombang suara dipancarkan dengan ditangkapnya kembali gelombang suara tersebut adalah berbanding lurus dengan jarak atau tinggi objek yang memantulkannya. Jenis objek yang dapat diindera diantaranya adalah: objek padat, cair, butiran maupun tekstil.
.
Gambar 13. Sensor Ultrasonik
Gambar 14. Sistem kerja Sensor Ultrasonik
6. Proximity Switch
Merupakan sensor yang mendeteksi keberadaan dari suatu objek tanpa melakukan kontak fisik. Sensor proximity adalah sensor untuk mendeteksi ada atau tidaknya suatu obyek. Cara kerja sensor ini adalah pada saat bagian depan sensor tersebut terkena benda logam contohnya besi dengan jarak tertentu sesuai dengan tipe dari sensor tersebut maka sensor akan bekerja dan kontak yang ada didalamya akan hubung. Sensor proximity dapat diaplikasikan pada kondisi penginderaan pada objek yang dianggap terlalu kecil atau lunak untuk menggerakkan suatu mekanis saklar. Dalam dunia robotika, sensor proximity seringkali digunakan untuk mendeteksi ada atau tidaknya suatu garis pembimbing gerak robot atau lebiah dikenal dengan istilah Line Follower Robot, juga biasa digunakan untuk mendeteksi penghalang berupa dinding atau penghalang lain pada robot.
Jenis sensor proximity switch terdapat 2 macam, yaitu Inductive Proximity Sensor dan Capacitive Proximity Sensor. Inductive Proximity Sensor adalah peralatan sensor yang diaktifkan oleh objek logam. Capacitive Proximity Sensor adalah sensor yang diaktifkan oleh material konduktif ataupun non konduktif, seperti kayu, plastik, cairan, gula, tepung, ataupun gandum.
Gambar 15. Sensor proximity
7. Photo Sensor
Photo Sensor atau sensor cahaya yang berfungsi untuk mendeteksi benda padat yang melintas didepanya baik itu kayu, logam, karet dll. Cara kerja sensor ini amatlah sederhana, ketika sensor tertutup cahayanya oleh suatu benda padat maka sensor tersebut akan bekerja sehingga kontak yang ada padanya akan terhubung. Sensor ini umumnya digunakan untuk mendeteksi material masuk atau keluar pada suatu mesin tertentu.
Gambar 16. Photo Sensor
8. Sensor Magnet/Reed Switch
Sensor Magnet atau disebut juga relai buluh, adalah alat yang akan terpengaruh medan magnet dan akan memberikan perubahan kondisi pada keluaran. Seperti layaknya saklar dua kondisi (on/off) yang digerakkan oleh adanya medan magnet di sekitarnya. Cara kerja dari sensor ini adalah ketika ada medan magnet mengenai bagian depan sensor, maka sensor akan bekerja sehingga menghubungkan kontaknya, medan magnet ini terdapat dari bagian dalam cylinder sebelah atas dan bawah kemudian posisi sensor nempel dengan badan cylinder pada saat cylinder bergerak naik atau turun maka akan ada medan magnet yang mengenai reed switch.
Gambar 17. Sensor Magnet
9. Sensor Putaran/Velocity (RPM Sensor)
Sensor ini dikenal dengan nama Tachometer. Tachometer biasanya merupakan magnet permanen DC generator kecil. Jika generator berotasi, akan menghasilkan tegangan DC yang proporsional langsung terhadap kecepatan. Tachometer seringkali dipasang ke motor untuk mengindikasikan putaran sebagai masukan pengendali (Controller).
Dewasa ini dikembangkan pengukur kecepatan sistem digital menggunakan piringan bercelah yang disambung para poros motor. Putaran cel ah yang disensor menggunakan sensor cahaya akan menghasilkan pulsa yang dapat diproses lebih lanjut oleh pengolah digital.
yuhuu, bermanfaat sekali
ReplyDeletesolder uap