Bab III Pelaksanaan Penelitian III.1 Alur Pelaksanaan Penelitian Secara umum alur pelaksanaan penelitian ini disajikan dalam diagram alir berikut Mulai Observasi dan studi pustaka Y Permasalahan Hipotesis T Perancangan alat Sensor counter display power supply benda uji Penyiapan bahan dan alat Pengambilan Data Benda uji 1 Benda uji 2 Benda uji 3 Benda uji 4 Benda uji 5 Pengolahan Data Pembahasan dan Analisa Data Tesis Y Selesai T Gambar III. 1. Diagram Alir Pelaksanaan Penelitian 13
III.2 Waktu dan Tempat Pelaksanan penelitian mulai dari Bulan Agustus 2008 hingga Juni 2009. Penelitian dimulai dari perancangan, pembuatan dan uji coba alat. Uji coba alat di Laboratorium físika dasar BSCA Institut Teknologi Bandung Jl. Ganesa no. 10 Bandung Jawa Barat. III.3 Desain Alat Sensor Cahaya pada Percobaan benda Jatuh Bebas Inti dari aplikasi sensor cahaya pada percobaan gesekan udara benda jatuh bebas adalah pengukuran waktu yang diperlukan benda uji untuk mencapai jarak tertentu. Sensor pada penelitian ini menggantikan fungsi stop watch sebagai pencatat waktu yang umumnya memiliki ketelitian hingga 0,1 detik dan dioperasikan secara manual menjadi otomatis dengan ketelitiannya 0,001 detik. Beberapa tahapan perancangan dan pembuatan alat secara garis besar terdiri dari dua, yakni: desain bagian elektronik dan mekanik. Berikut ini adalah diagram blok dari rancangan alat tersebut. Mekanik Elektronik Penjatuh Benda Acuan 1 Sensor On Trigger Relay Rangkaian Timer Display Pemancar/ Penerima Counter Acuan 2 Sensor Off Catu Daya Gambar III. 2. Diagram Blok Alat Sensor Cahaya dan Bunyi 14
3.3.1. Desain Bagian Elektronik 3.3.1.1 Mendesain Rangkaian Sensor Cahaya Masalah utama dalam teknik pengukuran otomatis, yakni mengubah besaran mekanik menjadi besaran listrik yang proporsional. Pengubah yang melaksanakan fungsi tersebut secara umum disebut sensor. Desain Sensor cahaya yang digunakan dalam penelitian ini terdiri atas LED inframerah sebagai sumber cahaya dan phototransistor sebagai penerima. Infra merah adalah cahaya atau radiasi elektromagnetik dengan frekuensi yang rendah dengan panjang gelombang 1000 2000 nm, pada penelitian ini digunakan 2 buah sensor yang diletakkan terpisah untuk mulai menghitung (On) dan menghentikan hitungan (Off). Phototransistor diletakkan terpisah dan berhadapan. Saat benda jatuh melewati sensor mengakibatkan cahaya terputus sesaat dan tersambung kembali maka pencatatan waktu dimulai. Sedangkan sensor bunyi berfungsi untuk menghentikan hitungan ketika benda uji tiba pada sensor tersebut, sehingga waktu tercatat secara otomatis pada counter. Receiver (Phototransistor) Transmiter (LED) Gambar III. 3. LED sebagai Pemancar (Transmiter) dan Phototransistor sebagai penerima (Receiver) sensor Cahaya III.3.1.2 Diagram Blok Rangkaian Pemancar Sensor Cahaya (Transmiter) Rangkaian pemancar sensor cahaya ini tak lain adalah sebuah rangkaian pewaktu (timer) monostable. Prinsipnya rangkaian ini akan menghasilkan pulsa tunggal dengan lama waktu tertentu. Pada keadaan tanpa input, keluaran pin 3 adalah 0 (ground atau normally low). Transistor Q yang ada di dalam IC ini selalu ON dan 15
mencegah kapasitor eksternal C dari proses pengisisian (charging). Ketika ada sinyal trigger dari 1 ke 0 (V CC to GND) yang diumpankan ke pin 2 dan lebih kecil dari 1/3 VCC, maka serta merta komparator B men-set keluaran flip-flop. Ini pada gilirannya memicu transistor Q menjadi OFF. Jika transistor Q1 OFF akan membuka jalan bagi resistor eksternal R untuk mulai mengisi kapasitor C (charging). Pada saat yang sama output dari pin 3 menjadi high (V CC ), dan terus high sampai satu saat tertentu yang diinginkan. Misalnya lamanya adalah t detik, yaitu waktu yang diperlukan untuk mengisi kapasitor C mencapai tegangan 2/3 V CC. Tegangan C ini disambungkan ke pin 6 yang tidak lain merupakan input positif comp A. Maka jika tegangan 2/3 V CC ini tercapai, komparator A akan menreset flip-flop dan serta merta transistor internal Q1 menjadi ON kembali. Pada saat yang sama keluaran pin 3 dari IC 1455 tersebut kembali menjadi 0 (GND). Hambatan luar 220 k berfungsi menentukan tegangan kali 6. D1 adalah LED sebagai indikator, D2 dan D3 infra red pemancar cahaya. Capasitor untuk meredam noise, selengkapnya bagian dalam IC 1455. Q Gambar III. 4. Gambar Bagian dalam IC 1455 Sebagai piranti utama rangkaian pemancar sensor cahaya hanya memerlukan sedikit komponen luar untuk bekerja, diantaranya resistor dan kapasitor luar, komponen elektronik selengkapnya yang digunakan R 1 220 KΩ, C 1 1KpF 50V, C 2 100KpF 50V, IC MC1455, D 1 LED, D 2 dan D 3 Infra red. rangkaian selengkapnya disajikan dalam gambar berikut, 16
TRANSMITER SENSOR CAHAYA C1 1KpF50V 6 4 8 (+) 9V DV R 220K 2 3 IC MC1455 C2 100KpF50V D1 LED 5 D2 IR 1 D3 IR (-) Gambar III. 5. Bagan bagian Pemancar dan Penerima Sensor Cahaya. Sedangkan dalam wujud rangkaian jadinya seperti gambar berikut: Gambar III. 6. Foto infra red control switch (transmiter) III.3.1.3 Diagram Blok Rangkaian Penerima Sensor Cahaya (Receiver) Phototransistor SPT sebagai fungsi transfer, menghubungkan antara besaran fisis (intensitas cahaya) menjadi karakteristik arus/tegangan listrik. Ketika terkena cahaya SPT berubah hambatanya, ketika cahaya terhalang besaran arus ini akan tersambung. Kapasitor pertama berfungsi sebagai coupling, meneruskan arus yang diperoleh dari perubahan SPT, semakin tinggi frekuensi, semakin kecil kapasitansi, hubungan tersebut diekspresikan sebagai X c = 1/ c, sehingga hanya frekuensi tertentu yang dapat diloloskan. Berikut ini adalah bagian input dari rangkaian penerima phototransistor. 17
Vcc SPT Gambar III. 7. Transistor SPT sebagai Receiver Transistor NPN dengan emitter ditanahkan berfungsi sebagai penguat. R 2 berfungsi sebagai Feed back dan berfungsi sebagai bias serta untuk menstabilkan arus, yang menghubungkan output dan input, penggalan rangkaiannya sebagai berikut: Vcc R Vo Vi Gambar III. 8. Transistor sebagai Receiver Secara teoritis persamaan yang berlaku pada penggalan rangkaian ini adalah: 18
Secara grafis hubungan antara I C dan Vcc adalah sebagai berikut I cc V cc Gambar III. 9. Grafik Hubungan VCC terhadap Icc Hambatan dua berfungsi sebagai feed back untuk menstabilkan Kapasitor kedua juga berfungsi sebagai coupling, menghubungkan penguat 1 ke penguat 2, sifatnya hanya meloloskan input AC dan menahan sinyal DC. Penguat dua emitor ditanahkan. R 4 dan R 5 berfungsi sebagai bias, menentukan titik kerja. Penguat ada 2 dengan maksud memperoleh penguatan yang lebih besar. Penguat 1 untuk penstabil karena ada feed back dan penguat 2 untuk penguatan. Kapasitor ke tiga fungsinya sama dengan kapasitor 1 dan 2 yakni sebagai coupling. Rangkaian C dan R sebagai by pass filter, frekuensi tinggi diloloskan yakni frekuensi rendah disaring, spesifikasi kapasitornya 33 KpF, 50 V. dengan hubungan = 1/RC. Masuk ke Transistor (TR3) yakni kolektor ditanahkan (common colektor) penguatannya satu, fungsinya sebagai buffer karena rangkaian sebelumnya sudah di filter, supaya tegangan tidak turun. Rangkaian T transistor 4 (TR4) sebagai penguat inverting dengan input. Kapasitor empat sebagai by pass, arus langsung ditanahkan lewat C4. R 8 dan R 9 sebagai pembagi tegangan. Led sebagai indicator, jika arus besar maka nyalanya terang, arus yang masuk tergantung pada R 10. Dioda D 1 sebagai indikator sedangkan D 2 dan D 3 adalah infra red. Kapasitor C1 berfungsi untuk meredam noise. Spesifikasi teknik beberapa komponen elektronika yang digunakan untuk menyusun blok ini serta gambar rangkaiannya sebagai berikut: Bentuk diagram Blok tampak pada gambar berikut: 19
R1 C1 SPT R2 R3 R4 C2 TR1 R5 R4 C3 TR2 R7 TR2 R8 C4 R9 C4 R10 D1 D2 D2 TR2 D2 D2 VR D2 C5 R11 Relay 6V DC (+) 6V-9V DC TR5 R1.10 : 1 K C1 : 4,7KpF50V R2 : 470K C2 : 10KpF50V R3 : 3,9K C3 : 33KpF50V R4.7 : 180K C4 : 10 F16V R5.9.11 : 47K C5.6 : 100 F16V R6 : 22K D1 : LED R8 : 470 D 2-6 : 1N4148 VR : 10K Relay : 6V DC TR 1-4 : CS9014 SPT(Photo Transistor) : CL138M-2 TR5 : CS9013 (-) Gambar III. 10. Diagram Rangkaian Penerima (Receiver) Sedangkan setelah menjadi rangkaian sebenarnya bentuknya ditampilkan dalam gambar berikut: Gambar III. 11. Bagan bagian penerima (receiver) III.4 Desain Alat Sensor Bunyi pada Percobaan benda Jatuh Bebas Penggunaan sensor bunyi pada penelitian ini sebenarnya merupakan pengembangan perangkat sensor yang semula pada Tesis I tidak direncanakan. Penyebabnya adalah ketika praktek, lintasan benda uji yang dijatuhkan dari 2 m lintasan benda uji tidak lurus, sehingga tidak tepat melewati sensor off, karena benda terlalu ringan. Kondisi ini sangat menyulitkan peneliti mengambil data. Setelah digunakan sensor bunyi, meskipun benda uji tidak begitu lurus masih dapat tepat dideteksi sensor. 20
Sensor Bunyi terdiri atas Komponen mic kondensor yang digabungkan dengan transisitor sebagai penguat dan transistor saklar. Mic berfungsi untuk merspon perubahan dalam bentuk bunyi dari linkungannya yang kemudian akan mengalami penguatan dan selajutnya komponen transistor lainnya bertindak sebagai saklar elektronik untuk sistem ON /OFF. Di bawah ini merupakan gambar rangkaian sensor bunyi yang akan dirakit untuk keperluan penghenti saklar otomatis ketika benda uji menyentuh titik acuan bawah. SOUND CONTROL SWITCH R2 C3 R4 C8 D4 + 12V DC SW R6 R9 D3 RL VR C1 R1 TR1 TR2 D1 C4 R7 TR3 1 4 IC 11 13 R10 TR4 MIC C2 R3 R5 R1.8 : 100K R10 : 1K D1.2 : 1N4148 R2 : 10K VR : 100k D3.4 : 1N4002 R3 : 100 TR1.2.3 : CS9014 R4 : 3,9K C1.3 : 2,2KpF50V TR4 : CS9013 R5 : 680 C2.6 : 1 F50V Relay : 12 V R6 : 33K C4.5 : 10KpF50V Mic : Condenser Mic R7 : 470 C7 : 10 F50V IC : SN7473 R9 : 560 C8 : 47 F50V D2 R8 C5 C6 C7 - Gambar III. 12. Skematik Sensor Bunyi Pada rangkaian sensor suara ini di gunakan mic condenser untuk mendeteksi adanya bunyi. Posisi dari sensor diatur sedemikian rupa sehingga hanya dapat menerima bunyi yang disebabkan oleh benda uji yang jatuh. Prinsip utama dari sensor ini adalah pada waktu bunyi direspon oleh mic kondenser maka akan melewatkan arus dari sumber ke kutub negatif sumber. Karena pada transistor pertama pada basis tidak terdapat arus, maka arus sumber dari kolektor tidak bisa menuju emitor (negatif sumber). Pada kolektor transistor pertama arus tidak bisa lewat ke kolektor, maka arus akan masuk pada basis transistor ke dua sehingga akan melewatkan arus sumber dari kolektor ke emitor, sedangkan basis dari transistor ketiga tidak ada arus yang lewat. Ini menyebabkan arus sumber dari 21
kolektor tidak bisa menuju ke emiter sehingga arus tersebut akan keluar. Transistor keempat berfungsi menguatkan sinyal listrik yang diterima dan menghasilkan arus yang cukup untuk masuk kebagian relay yang dapat mengahasilkan induksi magnit. Perubahan arus yang terjadi pada relay ini akan mampu membuka dan menutup saklar. Fungsi kapasitor pada rangkaian ini adalah untuk meredam naik turunnya arus yang disebabkan oleh pembacaan sensor terhadap kuat intensitas bunyi. Berikut ini adalah bentuk jadi sensor bunyi yang ditempatkan pada kotak Gambar III. 13. Sensor bunyi pada papan PCB III.1.1 Diagram Blok Rangkaian Timer counter Timer counter adalah alat yang berfungsi mencatat besaran waktu yang dihasilkan oleh pergerakan benda mulai saat dilepaskan dari acuan atas sampai benda menyentuh acuan bawah. Alat timer counter ini dapat bekerja atas beberapa bagian yaitu : III.1.1 Trigger. Trigger adalah bagian pemicu sinyal yang dihasilkan oleh IC 555 sebagai input oleh komponen pencacah. Memiliki dua kondisi yakni stabil dan tidak stabil. 22
Pada operasi ini, pengatur waktu berfungsi sebagai satu tingkat keluaran (one shot). Disebut sebagai multivibrator monostable apabila satu tingkat tegangan keluarannya adalah stabil sedangkan tingkat tegangan keluaran yang lain adalah quasistable. Rangkaian tersebut akan beristirahat pada saat tingkat tegangan keluarannya dalam keadaan stabil sampai dipicu menjadi keadaan quasistable. Keadaan quasistable dibentuk oleh rangkaian multivibrator untuk suatu periode T 1 yang telah ditentukan sebelum berubah kembali ke keadaan stabil. Sebagai catatan bahwa selama periode T 1 adalah tetap, waktu antara pulsa-pulsa tersebut tergantung pada pemicu. Tegangan keluaran multivibrator ini. Kapasitor eksternal pada awalnya diisi dan kemudian dikosongkan kembali oleh suatu transistor yang berada di dalam IC 555. Pada aplikasi, suatu pulsa picu negatif kurang dari 1/3 VCC di pin 2, flip-flop di set untuk menghubung-singkatkan agar terjadi pelepasan kapasitor dan menggerakan keluaran menjadi tinggi. Dengan 1/3 tegangan catu daya dikenakan pada terminal masukan dari pembanding/comparator (COMP1) dan 2/3 tegangan dikenakan pada terminal negative dari comparator (COMP2). Ketika tegangan pada terminal trigger (TRIGGER) kurang dari 1/3 dari tegangan catu daya, terminal S dari the flip-flop (FF) menjadi level tinggi (H)dan FF adalah set (berada pada nilai yg diharapkan). Ketika tegangan tertinggi-sentuh (threshold) terminal lebih 2/3 dari tegangan catu daya, terminal R dari sebuah FF menjadi level H dan si FF berada reset. Gambar skematik rangkaian trigger disajikan berikut ini: TRIGGER Push on R3 C4 + 3-15V R1 4 8 C1 R2 7 6 IC 555 3 5 R4 pulsa output C2 2 1 C3 D1 R1.2 : 470 K C1.4 : 47 F R3 : 100 C2.3 : 10nF R4 : 680 D1 : lead 0 V Gambar III. 14. Skematik rangkaian trigger 23
Sedangkan wujud dari rangkaian tersebut dalam PCB ditunjukkan seperti gambar berikut: B Gambar III. 15. Foto Rangkaian Trigger pada PCB 1,44 Keluaran rangkaian diatas dihitung dengan rumusan : f ( R R ) C Komponen yang digunakan pada rangkaian ini; R 1 =1KΩ R 2 = 21,318 KΩ C =33nF. untuk mendapatkan nilai pembangkit pulsa dengan frekuensi 1000 Hz yang nantinya menghasilkan periode waktu 0,001 sekon maka R1 = 1K, R2 = 21,318 K dan C= 33nF III.1.2. Bagian Pencacah 1 2 Pencacah (counter) merupakan piranti yang penting fungsinya dalam suatu sistem rangkaian digital. Suatu pencacah akan menghitung jumlah daur yang dilewati oleh pulsa clock pemicunya. Rangkaian ini tersusun dari beberapa buah Flip-Flop (FF) JK yang terpicu pada pinggiran positif atau negatif, dengan fungsifungsi set dan clear-nya. Gambar III. 16. Pencacah 4 bit Pencacah 4 bit disusun dari 4 buah FF JK dengan keluaran dari setiap FF akan memicu FF yang ada di belakangnya (gambar 3.9). Suatu sinyal tegangan segi empat sebagai sinyal clock memicu FF A pada saat pinggiran negatif (belakang) 24
pulsa itu tiba. Selanjutnya keluaran FF A akan memicu FF B, dengan keluaran FF B memicu FF C, yang pada akhirnya keluaran FF C akan memicu FF D. Dari gambar 3.9 tampak bahwa dua masukan J dan K pada masing-masing FF itu pada keadaan tinggi, sehingga keempat FF itu ada dalam keadaan "toggle", artinya keluaran tiap FF itu akan berpindah keadaan jika pinggiran negatif dari pulsa yang memicunya tiba. III.1.3. Bagian Pemecah Sandi Decoder ( IC CD 4033 B) Komponen utama dari bagian pemecah sandi ini adalah IC CD 4033B, dimana pemecah sandi (decoder) merupakan suatu rangkaian logika terintegrasi yang berfungsi untuk menampilkan kode-kode biner menjadi tanda-tanda yang dapat ditanggapi secara visual. Sesuai dengan ragam cara penyandian, maka dapat dijumpai beragam tipe dekoder, yang salah satu diantaranya dekoder BCD ke dasar. Dekoder ini mempunyai 4 saluran masukan, dan 7 saluran keluaran. Sinyal keluaran 0 dari dekoder ini akan mengaktifkan salah satu ruas LED pada peraga 7 segment. Untuk menyatakan bilangan desimal dalam peraga seven segment, maka tabel 2. kebenarannya ditunjukkan pada tabel berikut Tabel II. 2. Tabel kebenaran pembuka 4 bit ke 7 LED 25
Berdasarkan tabel tersebut dapat ditentukan fungsi logika masing-masing ruas. Pada percobaan ini, fungsi tersebut dikembangkan sehingga hanya diperlukan gerbang AND, OR dan NOR masing- masing satu IC untuk menyusun rangkaian logika tiap ruas. Sebelum pulsa ini sampai kebagian seven segmen, maka akan melalui resistor terlebih dahulu. Fungsi dari resistor ini adalah sebagai penahan arus yang masuk ke seven segmen. IC CD 4033 ini terdiri dari dua bagian yaitu: 1. Bagian pertama memiliki 4 input yaitu pin 1,2,3,dan 15 yang berfungsi sebagai pencacah bilangan biner dari counter tipe IC CD 4033B. 2. Bagian kedua terdiri dari 7 output yaitu pin 6,7,9,10,11,12,13 yang berfungsi untuk menghidupkan LED pada 7 segmen yang bersesuaian dengan kode input yang diterima seperti pada gambar. Counter 4 digit DISPAY 1 DISPAY 2 DISPAY 3 DISPAY 4 C5 f g d a e b c f g d a e b c f g d a e b c f g d a e b c C4 C3 C2 CLOCK S1 C6 R2 1 6 7 9 10 11 12 13 IC 1 5 1 6 7 9 10 11 12 13 IC 2 5 1 6 7 9 10 11 12 13 IC 3 5 1 6 7 9 10 11 12 13 IC 4 15 2 8 14 3 16 15 2 8 14 3 16 15 2 8 14 3 16 15 2 8 14 3 16 R1 RESET S2 C1-6V DV + C7 Selanjutnya gambar rangkaian trigger dan bentuk rangkaiannya di PCB adalah Gambar III. 17. Rangkaian counter 4 digit 26
Gambar III. 18. Bentuk Rangkaian counter 4 digit Pada PCB III.5 Desain Bagian Mekanik Desain bagian mekanik ini terdiri dari statif 2 meter dan 2 dudukan sensor Bahan : - Pipa kotak panjang 2 m - Kaki statif - Dudukan sensor - Dudukan benda coba - Meteran Prosedur Membuat (lihat gambar di bawah): - Las dudukan sensor dua buah - Buat klem agar dudukan dapat diubah-ubah posisinya(naik/turun) - Las dudukan benda coba kurang lebih 20 cm - Las kaki statif - Lem meteran besi pada dinding statif Dudukan benda Dudukan sensor klem Gambar III. 19. Kaki statif Desain Statif III.6 Desain Modul Gerak Jatuh Bebas Modul percobaan memuat judul, tujuan, cara kerja, tabel hasil pengamatan, kesimpulan dan daftar pustaka, selengkapnya ada di lampiran B. 27