TEKNIK ELEKTRO

MENDETEKSI BEBAN KOPER UNTUK KABIN PESAWAT DENGAN STRAIN GAUGE DAN PHOTODIODA

[KEMBALI KE MENU SEBELUMNYA]

DAFTAR ISI

1. Tujuan

2. Alat dan bahan

3. Dasar teori

4. Prosedur percobaan

5. Prinsip kerja

6. Video

7. Download file

1.Tujuan

-Mengetahui dan memahami sensor Strain Gauge dan sensor photodioda
-Mampu menjelaskan prinsip kerja sensor Strain Gauge dan sensor photodioda
-Mampu mengaplikasikan sensor Strain gauge dan sensor photodioda pada rangkaian

2. Alat dan bahan

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

Grafik input dan output sensor

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. Prosedur percobaan

· Buka aplikasi proteus

· Ambil komponen yang dibutuhkan, pada rangkaian ini dibutuhkan komponen berupa baterai, resistor, op amp, load cell, relay, lamp, motor, sensor photodioda

· Rangkai setiap komponen

· Ubah spesifikasi komponen sesuai kebutuhan

· Tambahkan voltmeter

· Jalankan rangkaian

5. Prinsip kerja

Jika ingin naik pesawat, kita harus meperhatika berapa berat dari koper yang akan kita gunakan, biasanya koper yang akan di letakkan di dalam kabin tidak boleh lebih berat dari 7 kg. Pada simulasi ini, strain gauge diganti dengan load cell. Hal ini dilakukan karena tidak tersedianya strain gauge pada library proteus. 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. Sehingga tempat timbangan koper akan berjalan pertanda beban koper aman.

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. Oleh karena itu, menyebabkan koper tidak akan bisa dipindahkan dan alat timbangan tidak akan bergerak.

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.

Rangkaian simulasi: