BAB 2

BAB II

LANDASAN TEORI

A.    Sensor dan Transduser

1.      Sensor

Sensor adalah jenis transducer yang digunakan untuik mengubah besaran mekanis, magnetis, panas, sinar, dan kimia menjadi tegangan dan arus listrik. Sensor sering digunakan untuk pendeteksian pada saat melakukan pengukuran atau pengendalian (Tim; 2003: 6).

Beberapa jenis sensor yang banyak digunakan dalam rangkaian elektronik antara lain sensor cahaya, sensor suhu, dan sensor tekanan.

2.      Transducer

Transducer berasal dari kata ”Traducere” dalam bahasa latin yang berarti mengubah. Sehingga transducer dapat didefinisikan sebagai suatu peranti yang dapat mengubah suatu energi ke energi yang lain. Bagian masukan dari transducer disebut “sensor”, karena bagian ini dapat mengindera suatu kuantitas fisik tertentu dan mengubahnya menjadi bentuk energi yang lain (Tim; 2003: 16).

Beberapa jenis transducer dapat diklasifikasikan sesuai dengan prinsip pengubahan energi, sinyal keluaran, atau bidang pemakaian. Berikut ini menunjukkan klasifikasi transducer berdasarkan prisnsip kelistrikannya (Sugiharta; 2002: 3).

a.       Transducer pasif

Transducer pasif yaitu transducer yang dapat bekerja bila mendapat energi tambahan dari luar. Transducer ini tidak dapat menghasilkan tegangan sendiri tetapi dapat menghasilkan perubahan nilai resistansi, kapasitansi, atau induktansi apabila mengalami perubahan kondisi sekeliling.

Ada beberapa jenis transducer pasif yang dapat kita peroleh di pasaran, yaitu transducer resistif, transducer kapasitif, transduscr induktif, dan transducer foto.

1.      Transducer resistif

Prinsip kerja dan penerapan transducer berdasarkan jenisnya ditampilkan pada table berikut ini.

Table 2.1

Prinsip kerja dan penerapan transducer resistif berdasarkan jenisnya

Jenis transducer	Prinsip kerja	Jenis penerapan
Potensio meter resistif	Perubahan positif (karena gerakan eksternal) menjadi perubahan resistansi potensiometer atau rangkaian jembatan.	Sensor tekanan, posisi
Strain Gage	Tekanan eksternal mengubah resistansi penghantaran atau semi konduktor	Sensor berat, tekanan, posisi.
RTD (resistance temperature detector)	Perubahan sushu mempengaruhi resistansi logam murni yang mempunyai koefisien suhu positif.	Sensor suhu
Thermistor	Perubahan suhu mempengaruhi resistansi logam teroksidasi yang mempunyai koefisien suhu negatif.	Sensor suhu
Hygrometer resistif	Resistansi elektroda turun bila kelembapan udara disekelilingnya naik atau bertambah.	Sensor kelembapan
Psychrometer	Perbedaan suhu pada electrode kering dan electrode basah menghasilkan perubahan tegangan.	Sensor kelembapan

2.      Transducer kapasitif dan transducer induktif

Prinsip kerja transducer ini adalah mengubah perubahan besaran nonlistrik menjadi perubahan nilai kapasitansi atau nilai induktif. Berikut ini disajikan prinsip kerja dan penerapan transducer induktif berdasarkan jenisnya.

Table 2.2

Prinsip kerja dan penerapan transducer induktif berdasarkan jenisnya

Jenis transducer	Prinsip kerja	Jenis penerapan
Transducer kapasitif	Kapasitas antara dua dielektrik berubah, disebabkan oleh kondisi fisis seperti tinggi cairan, komposisi larutan, tekanan ketebalan, kepadatan, aliran, dan panjang.	Sensor tinggi cairan, Sensor tekanan, kepadatan ketebalan
Transducer induktif LVDT (Linear variable differensial transformer)	Perubahan posisi inti (cern) menyebabkan timbulnya tegangan pada kumparan skunder.	Sensor tekanan, posisi
Transducer tekanan	Perubahan tekanan fisis seperti tekanan gas atau cairan menyebabkan perubahan induktansi magnetic.	Sensor tekanan

3.      Transducer foto

Transducer foto dapat mengubah besar arus listrik jika dikenai cahaya/sinar. Aris listrik inilah yang dimanfaatkan untuk mengetahui keadaan yang ingin diukur, misalnya gelap terangnya suatu ruangan. Kondisi lain yang dapat diukur adalah kondisi yang memanfaatkan sinar sebagai bahan utamanya.

Ada beberapa jenis transducer foto dan masing-masing mempunyai prinsip kerja yang berbeda-beda. Berikut ini disajikan table jenis-jenis transducer foto, berikut prinsip kerja dan penerapannya dalam kehidupan kita sehari-hari.

Table 2.3

Prinsip kerja dan penerapan transducer foto berdasarkan jenisnya

Jenis transducer	Prinsip kerja	Jenis penerapan
Photokonduktif	Konduktivitas pada suatu bahan berubah bila terkena cahaya.
Photodiode	Arus reverse berubah sesuai intensitas cahaya pada diode tersebut.	Sakelar cahaya/sensor cahaya
Phototransistor	Intensitas cahaya yang jatuh pada transistor photo menyebabkan transistor dalam posisi cut off atau saturasi.	Sakelar cahaya
Optocopler	Mengubah pulsa menjadi sinar infra merah, sinar infra merah mentriger detector fhoto.	Relay, sakelar cahaya.

b.      Transducer aktif

Transducer aktif, yaitu transducer yang bekerja tanpa tambahan energi dari luar, tetapi menggunakan energi yang akan diubah itu sendiri. Transducer ini tidak memerlukan catu daya eksternal. Transducer ini malah dapat menghasilkan energi lisrik. Berikut disajikan prinsip kerja dan penerapan transducer aktif berdasarkan jenis-jenisnya.

Table 2.4

Prinsip kerja dan penerapan transducer aktif berdasarkan jenisnya

Jenis transducer	Prinsip kerja	Jenis penerapan
Thermokopel dan thermofile	Energi listrik muncul bila sambungan dua jenis semikonduktor logam yang berbeda dikenai panas.	Sensor suhu, pancaran panas
Cell fotovoltaic	Energi listrik atau tegangan muncul bila sebuah hubungan semi konduktor mendapat pancaran sinar.	Sensor cahaya, pembangkit tegangan energi sinar (Solar Cell)

B.     Sensor Cahaya

Sensor cahaya adalah alat yang digunakan untuk mengubah besaran cahaya menjadi besaran listrik. Prinsip kerja dari alat ini adalah mengubah energi dari foton menjadi elektron. Idealnya satu foton dapat membangkitkan satu electron (Anonim dalam http://id.wikipedia.org ...; 2010).

Sensor cahaya berfungsi untuk mendeteksi cahaya yang ada di sekitar kita. Sensor yang terkenal untuk mendeteksi cahaya ialah LDR (Light Dependent Resistor). Sensor ini akan berubah nilai hambatannya apabila ada perubahan tingkat kecerahan cahaya.

Prinsip inilah yang akan kita gunakan untuk mengaktifkan transistor untuk dapat menggerakkan triac yang berfungsi sebagai saklar. Perubahan nilai hambatan pada LDR tersebut akan menyebabkan perubahan beda tegangan pada input basis transistor, sehingga akan mengaktif/nonaktifkan transistor. Penerapan lain dari sensor LDR ini ialah pada Alarm Pencuri.

Di bawah ini adalah jenis-jenis sensor cahaya, di antaranya:

Ø  Detektor kimiawi, seperti pelat fotografis, dimana molekul silver halida dibagi menjadi sebuah atom perak metalik dan atom halogen. Pengembang fotografis menyebabkan terbaginya molekul yang berdekatkan secara sama.

Ø  Fotoresistor atau Light Dependent Resistor (LDR) yang berubah resistansinya ketika dikenai cahaya.

Ø  Sel fotovoltaik atau sel matahari yang menghasilkan tegangan dan memberikan arus listrik ketika dikenai cahaya.

Ø  Fotodioda yang dapat beroperasi pada mode fotovoltaik maupun fotokonduktif.

Ø  Tabung fotomultiplier yang mengandung fotokatoda yang memancarkan elektron ketika dikenai cahaya, kemudian elektron-elektron tersebut akan dikuatkan dengan rantai dynode.

Ø  Tabung cahaya yang mengandung fotokatoda yang memancarkan elektron ketika dikenai cahaya, dan umumnya bersifat sebagai fotoresistor.

Ø  Fototransistor menggabungkan salah satu dari metode penyensoran di atas.

Ø  Detektor optis yang berlaku seperti termometer, secara murni tanggap terhadap pengaruh panas dari radiasi yang masuk, seperti detektor piroelektrik, sel Golay, termokopel dan termistor, tapi kedua yang terakhir kurang sensitif.

Ø  Detektor cryogenic cukup tanggap untuk mengukur energi dari sinar-x tunggal, serta foton cahaya terlihat dan dekat dengan inframerah (Enss 2005).

Berikut kita bahas beberapa dari sensor cahaya yang paling umum/sering kita temukan dalam kehidupan sehari-hari.

1.      Fotovoltaic atau sel solar

Adalah alat sensor sinar yang mengubah energi sinar langsung menjadi energi listrik. Sel solar silicon yang modern pada dasarnya adalah sambungan PN dengan lapisan P yang transparan. Jika ada cahaya pada lapisan transparan P akan menyebabkan gerakan electron 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 transducer sinar/cahaya (Tim; 2003: 6).

2.      Foto konduktif

Energi yang jatuh pada sel fotokonduktif akan menyebabkan perubahan tahanan sel. Apabila permukaan alat ini gelap maka tahanan akan menjadi tinggi. Ketika menyala dengan terang tahanan turun pada tingkat harga yang rendah (Tim; 2003: 7).

C.    Komponen-Komponen Elektronika

1.      Resistor

Resistor adalah komponen dasar elektronika yang digunakan untuk membatasi jumlah arus yang mengalir dalam suatu rangkaian. Resistor dilambangkan dengan huruf R. Sesuai dengan namanya resistor bersifat resistif dan umumnya terbuat dari bahan karbon. Dari hukum Ohm diketahui, resistansi berbanding terbalik dengan jumlah arus yang mengalir melaluinya. Satuan resistansi dari suatu resistor disebut Ohm atau dilambangkan dengan symbol Ω (Omega).

a.       Macam-Macam Resistor Sesuai Dengan Bahan dan Konstruksinya.

Berdasarkan jenis dan bahan yang digunakan untuk membuat resistor dibedakan menjadi resistor kawat, resistor arang dan resistor oksida logam. Resistor arang dan resistor oksida logam berdasarkan susunannya dikenal dengan resistor komposisi dan resistor film.

Dalam pemasaran resistor dapat dibedakan menjadi 2 jenis yaitu: resistor tetap (fixed resistor) dan resistor variable (resistor tidak tetap). Ukuran relatif semua tahanan tetap dan tidak tetap berubah terhadap rating daya (jumlah watt), penambahan ukuran untuk meningkatkan rating daya agar dapat mempertahankan arus dan rugi lesapan daya yang lebih besar.

1)      Resistor tetap

Resistor tetap adalah resistor yang memiliki nilai hambatan yang tetap. Resistor memiliki batas kemampuan daya misalnya: 1/8 w, 1/6 w, 1/4w, ½ w, 1 w, 5 w, dsb yang berarti resistor hanya dapat dioperasikan dengan daya maksimal sesuai dengan kemampuan dayanya.

Gambar 2.1. Simbol resistor tetap

2)      Resistor tidak tetap (variable)

Resistor tidak tetap adalah resistor yang nilai hambatannya dapat diubah-ubah atau tidak tetap. Jenisnya yaitu hambatan geser, trimpot, dan potensiometer.

 

Gambar 2.2. Simbol resistor tidak tetap

b.      Kode Warna dan Huruf Pada Resistor

Tidak semua nilai resistansi sebuah resistor dicantumkan dengan lambang bilangan melainkan dengan cincin kode warna. Banyaknya cincin kode warna pada setiap resistor berjumlah 4 dan ada juga yang berjumlah 5. Resistansi yang mempunyai 5 cincin terdiri dari cincin 1, 2 dan 3 adalah cincin digit, cincin 4 sebagai pengali serta cincin 5 adalah toleransi. Resistansi yang mempunyai 4 cincin terdiri dari cincin 1, 2 adalah sebagai digit, cincin 3 adalah cincin pengali dan cincin 4 sebagai toleransi.

Table 2.5. Kode warna pada resistor

Pita/cincin ke 1		Pita/cincin ke 2		Pita/cincin ke 3		Pita/cincin ke 4
Warna	Angka	Warna	Angka	Warna	Angka	Warna	Angka
Hitam	-	Hitam	0	Hitam	-	Hitam	± 20 %
Coklar	1	Coklar	1	Coklar	101	Coklar	± 1 %
Merah	2	Merah	2	Merah	102	Merah	-
Orange	3	Orange	3	Orange	103	Orange	-
Kuning	4	Kuning	4	Kuning	104	Kuning	-
Hijau	5	Hijau	5	Hijau	105	Hijau	± 5 %
Biru	6	Biru	6	Biru	106	Biru	-
Ungu	7	Ungu	7	Ungu	107	Ungu	-
Abu-abu	8	Abu-abu	8	Abu-abu	108	Abu-abu	-
Putih	9	Putih	9	Putih	109	Putih	-
-	-	-	-	Emas	10-1	Emas	± 5 %
-	-	-	-	Perak	10-2	Perak	± 10 %
-	-	-	-	Tanpa warna	10-3	Tanpa warna	± 20 %

Kode Huruf

1)      Huruf I menyatakan nilai resistor dan tanda koma desimal.

Jika huruf I adalah :             R artinya x 1(kali satu) ohm

K artinya x 10³ (kali 1000) ohm

M artinya x 10⁶ (kali 1000000) ohm

2)      Huruf II menyatakan toleransi

Jika huruf II adalah :            J artinya toleransi ± 5 %

K artinya toleransi ± 10 %

M artinya toleransi ± 20 %

(Ahmad J; 2007: 5-8)

2.      Kapasitor

Kapasitor adalah komponen elektrik yang berfungsi untuk menyimpan muatan listrik. Kemampuan untuk menyimpan muatan listrik pada kapasitor disebuat dengan kapasitansi atau kapasitas. Besarnya kapasitansi dari sebuah kapasitor dinyatakan dalam farad.

Kapasitor seperti juga resistor nilai kapasitansinya ada yang dibuat tetap dan ada yang variabel.

Gambar 2.4. Aneka ragam kapasitor

a.       Kapasitor Tetap

Kapasitor yang mempunyai kapasitansi yang tetap. Jenis-jenis kapasitor tetap antara lain :

1)      Kapasitor polar

Kapasitor elektrolit dan kapasitor tantalum adalah kapasitor yang mempunyai kutub atau polar, sering disebut juga dengan nama kapasitor polar. Mengapa kapasitor ini dapat memiliki polaritas, adalah karena proses pembuatannya menggunakan elektrolisa sehingga terbentuk kutup positif anoda dan kutup negatif katoda.

                                  +    -

Gamar 2.5. Kapasitor elco

2)      Kapasitor non polar

Kapasitor non polar adalah kelompok kapasitor yang dibuat dengan  bahan dielektrik dari keramik, film dan mika, biasanya untuk aplikasi rangkaian yang berkenaan dengan frekuensi tinggi.

Gambar 2.6. Kapasitor mika

b.      Kapasitor Tidak tetap (variable)

Kapasitor yang nilai kapasitansinya dapat berubah-ubah, seperti: Kapasitor dielektrikum udara, kapasitansinya berubah dari nilai maksimum ke minimum. Kapasitor variabel sering kita jumpai pada rangkaian pesawat penerima radio dibagian penala dan osilator.

Nilai kapasitansi satu Farad menunjukkan bahwa kapasitor memiliki kemampuan untuk menyimpan satu coulomb pada tegangan satu volt. Kapasitor pada power supply menggunakan kapasitan sebesar 4700 µF. Sedang circuit pada radio sering menggunakan besar kapasitan di bawah 10pF. Waktu yang dibutuhkan kapasitor untuk mencapai pengisian optimal tergantung pada besarnya nilai kapasitansi dan resistansi. Formulanya :

T = R x C        T = time ( waktu dalam detik)

R = resistansi (dalam ohm)

C = Kapasitansi (dalam Farad)

Formula ini merupakan waktu yang dibutuhkan untuk mencapai 63 % nilai tegangan pada sumber. Yang perlu diperhatikan adalah kapasitor akan melewatkan arus AC bukan DC. Dalam rangkaian elektronika ini merupakan hal yang penting.

Pass AC

3.      Diode

Diode adalah komponen elektronika semikonduktor yang mengalirkan arus satu arah saja. Dioda terbuat dari Germanium atau Silicon yang lebih dikenal dengan Dioda Junction, sering disebut sebagai komponen 2 lapis (lapis N dan P) dan secara fisik digambarkan :

Gambar 2.7. Diode rectifier

Secara umum semua diode memiliki konstruksi dan prinsip kerja yang sama. Semua diode terbentuk oleh sambungan PN yang secara fisik diode dikenali melalui nama elektrodenya yang khas yaitu : anode dan katode. Diode dibedakan menurut fungsinya, disini dalam refresentasi simbolik dilukiskan secara berbeda demikian pula karakteristiknya. (forward bias).

Jenis Diode                             Fungsi                               Simbol

Rectifier                                  penyearah

Zener                                       regulator

LED                                        display

Fotodiode                               sensor cahaya

Schothly                                  saklar kec.tinggi

Tunnel                                     osilator

Varaktor                                  variable kapasitor

a)      Diode rectifier

Kerja diode ini berdasarkan efek penyearahan, yaitu akan melewatkan arus pada bias forward dan menahan arus pada bias reverse. Ada 2 tipe penyearah, yaitu:

(1)     penyearah ½ gelombang (half wave rectifier)

(2)     penyearah gelombang penuh.

b)      Tipe Bridge

Dioda bridge pada dasarnya merupakan gabungan dari diode rectifier yang digunakan sebagai penyearah gelombang penuh, yang dirangkai seperti gambar di bawah ini.

                       

2.8. Diode bridge

c)      Diode Zener

Pada dasarnya diode zener memiliki karakteristik yang hampir sama dengan diode rectifier yaitu memiliki karakteristik maju dan mundur. Pada diode zener bias maju nilai Vji ≈ 0 sedangkan pada bias mundur pada saat terjadi gejala yang serupa breakdown pada diode rectifier, diode zener akan menghantarkan tanpa kerusakan, tegangan ini disebut tegangan zener

4.      Trnsistor

Transistor adalah komponen elektronika multitermal, biasanya memiliki 3 terminal. Secara harfiah, kata ‘Transistor’ berarti ‘Transfer resistor’, yaitu suatu komponen yang nilai resistansi antara terminalnya dapat diatur. Secara umum transistor terbagi dalam 3 jenis :

1. Transistor Bipolar

2. Transistor Unipolar

3. Transistor Unijunction

Transistor bipolar bekerja dengan 2 macam carrier, sedangkan unipolar satu macam saja, hole atau electron. Beberapa perbandingan transistor bipolar dan unipolar :

Table 2.6. Perbandingan transistor bipolar dan unipolar

Kategori	Bipolar	Unipolar
Dimensi Daya BW Respon Input Inpendansi In	Besar Besar Lebar Tinggi Arus Sedang	Kecil Kecil Sempit Sedang Tegangan tinggi

Pada transistor bipolar, arus yang mengalir berupa arus lubang (hole) dan arus electron atau berupa pembawa muatan mayoritas dan minoritas. Transistor bipolar biasanya digunakan sebagai saklar elektronik dan penguat pada rangkaian elektronika digital. Transistor memiliki 3 terminal. Transistor biasanya dibuat dari bahan silikon atau germanium. Tiga kaki yang berlainan membentuk transistor bipolar adalah emitor, basis dan  kolektor. Mereka dapat dikombinasikan menjadi jenis N-P-N atau P-N-P yang menjadi satu sebagai tiga kaki transistor. Gambar  di bawah memperlihatkan bentuk dan simbol untuk jenis NPN dan PNP. (Transistor NPN, panah emitor arahnya keluar, sebaliknya Transistor PNP arah panahnya kedalam).

Gambar 2.9.  Simbol Transistor NPN dan PNP

Transistor di desain dari pemanfaatan sifat diode, arus menghantar dari diode dapat dikontrol oleh electron yang ditambahkan pada pertemuan PN diode. Dengan penambahan elekdiode pengontrol ini, maka diode semi-konduktor dapat dianggap dua buah diode yang mempunyai electrode bersama pada pertemuan. Junction semacam ini disebut transistor bipolar dan dapat digambarkan sebagai berikut :

Gambar 2.10. Transistor gabungan dari 2 diode

Dengan memilih electrode pengontrol dari type P atau type N sebagai electrode persekutuan antara dua diode, maka dihasilkan transistor jenis PNP dan NPN Transistor dapat bekerja apabila diberi tegangan, tujuan pemberian tegangan pada transistor adalah agar transistor tersebut dapat mencapai suatu kondisi menghantar atau menyumbat. Baik transistor NPN maupun PNP tegangan antara emitor dan basis adalah forward bias, sedangkan antara basis dengan kolektor adalah reverse bias.

Pada rangkaian elektronik, sinyal inputnya adalah 1 atau 0 ini selalu dipakai pada basis transistor, yang mana kolektor dan emitor sebagai penghubung untuk pemutus (short) atau sebagai pembuka rangkaian. Aturan/prosedur transistor sebagai berikut:

·         Pada transistor NPN, memberikan  tegangan positif dari basis ke emitor, menyebabkan hubungan kolektor ke emitter terhubung singkat, yang menyebabkan  transistor aktif (on). Memberikan tegangan negatif  atau 0 V dari basis ke emitor menyebabkan  hubungan kolektor dan emitor  terbuka, yang disebut transistor mati (off)

·         Pada transistor PNP, memberikan  tegangan negatif dari  basis ke emitor ini  akan menyalakan transistor  (on), dan memberikan tegangan positif  atau 0 V dari basis ke emitor ini akan membuat transistor mati (off).

Gambar 2.11. Macam-macam transistor

5.      LDR

Light Dipendent Resistance (LDR) adalah komponen elektronik yang resistansinya akan menurun jika ada penambahan intensitas cahaya yang mengenainya. Pada dasarnya LDR mempunyai sifat yang sama dengan resistor, hanya saja nilai resistansi dari LDR berubah-ubah sesuai dengan tingkat intensitas cahaya yang diterimanya. Dalam keadaan gelap resistansi LDR sekitar 10MΩ dan dalam keadaan terang sebesar 1KΩ atau kurang. LDR terbuat dari bahan semikonduktor seperti kadmium sulfida. Dengan bahan ini energi dari cahaya yang jatuh menyebabkan lebih banyak muatan yang dilepas atau arus listrik meningkat. Artinya resistansi bahan telah mengalami penurunan.

LDR digunakan untuk mengubah energi cahaya menjadi energi listrik. Saklar cahaya otomatis dan alarm pencuri adalah beberapa contoh alat yang menggunakan LDR. Akan tetapi karena responsnya  terhadap cahaya cukup lambat, LDR tidak digunakan pada situasi dimana intesitas cahaya berubah secara drastis.

 

Gambar 2.12. LDR (Light Dipendent Resistance)

(Anonim dalam http://www.electronicandlife... ; 2010)