BAB II LANDASAN TEORI Temperatur merupakan faktor utama yang menentukan keberhasilan mesin penetas telur,temperature yang diperlukan berkisar antara 38-39 0 C. Untuk hasil yang optimal dalam Pembuatan mesin penetas telur dengan microcontroler ATmega8535 membutuhkan beberapa teori penunjang. Teori tersebut akan mempermudah dan mempercepat proses perancangan alat. Teori penunjang tersebut antara lain mengenai fungsi catu daya, sensor suhu, prinsip rangkaian mikrokontroller ATmega8535 dan LCD dan IC LM35. 2.1 CATU DAYA Catu daya merupakan bagian terpenting dalam rangkaian elektronika yang mempunyai fungsi sebagai penyedia suber tegangan dan arus listrik untuk suatu rangkaian. Pada tugas akhir ini catu daya diperoleh dari jala-jala listrik 220 VAC 50 Hz dan didistribusikan secara sejajar ke setiap blok rangkaian dengan keluaran sebesar 0 Volt dan +5 Volt. Tegangan AC Penurun Tegangan penyearah Filter peregulasi Tegangan DC Gambar 2.1 Diagram blok catu daya
Sumber tegangan bolak-balik 220 Volt diturunkan oleh rangkaian penurun tegangan sehingga akan diperoleh tegangan rendah bolak-balik. Kemudian tegangan rendah bolakbalik akan di searahkan oleh rangkaian penyearah dan akan disaring atau difilter agar diperoleh tegangan DC yang lebih halus dan tegangan ini akan diumpankan ke peregulasi untuk memperoleh kestabilan tegangan keluaran. Tegangan yang stabil diperlukan agar tegangan keluaran yang dibutuhkan tidak terpengaruh dengan adanya perubahan tegangan jala-jala PLN maupun perubahan pada beban. 2.1.1 Penurun Tegangan Komponen utama yang bisa digunakan untuk menurunkan tegangan adalah transformator. Transformator terdiri dari dua buah lilitan yaitu lilitan primer (N1) dan lilitan sekunder (N2) yang dililitkan pada suatu inti yang saling terisolasi atau terpisah antara satu dengan yang lain. Besar tegangan pada lilitan primer dan lilitan sekunder ditentukan oleh jumlah lilitan yang terdapat pada bagian primer dan sekundernya. Dengan demikian transformator digunakan untuk memindahkan daya listrik pada lilitan primer ke lilitan sekundernya tanpa adanya perubahan daya. N1 N2 V2 V1 Gambar 2.2 Simbol transformator (Daryanto, 2001)
Pada transformator berlaku persamaan V 1 : V 2 = N 1 : N 2...(2.1) Ket: V 1 tegangan primer (Volt) V 2 tegangan sekunder Volt) N 1 lilitan primer N 2 lilitan sekunder Jika besarnya tegangan dan faktor-faktor kerugian yang lain diabaikan, maka besar daya masukan akan sama dengan daya keluaran P 1 = P 2...(2.2) V 1. I 1 = V 2. I 2...(2.3) V 1 : V 2 = I 2 : I 1...(2.4) Ket P 1 daya primer (watt) P 2 daya sekunder (watt) I 2 arus primer (ampere) I 1 arus sekunder (ampere) Dari persamaan 2.1 dan persamaan 2.4 dapat dinyatakan hubungan diantara ketiganya dengan persamaan sebagai berikut
V V 1 1 N N 2 2 I I 2 2...(2.5) berdasarkan persamaan 2.5 dapat disimpulakn bahwa besarnya tegangan yang muncul pada lilitan berbanding lurus dengan banyaknya lilitan, sedangkan besarnya arus berbanding dengan banyaknya lilitan. 2.1.2 PENYEARAH Penyearah digunakan untuk menyearahkan gelombang bolak-balik (AC) yang berasal dari jaringan jala-jala listrik. Pada modul ini digunakan penyearah gelombang penuh, dan untuk mendapatkannya dapat dilakukan dengan dua cara yaitu dengan menggunakan dua buah atau empat dioda jembatan. AC CT D1 RL D2 Gambar 2.3 Penyearah gelombang penuh dengan dua dioda (Malvino, 1997)
AC RL Gambar 2.4 Penyearah gelombang penuh dengan dioda jembatan (Malvino, 1997) Pada penyearah gelombang penuh, sinyal bolak-balik yang disearahkan adalah setengah periode positif dan setengah periode negatif dari sinyal mas`ukan bentuk gelombanggelombang keluaran dari penyearah gelombang penuh dapat dilihat pada gambar 2.5
Vout (V) Vm 0 2 3 4 5 t(s) Gambar 2.5 Bentuk Gelombang Keluaran Penyearah Gelombang Penuh (Malvino, 1997) Besarnya tegangan maksimum (Vmaks) pada keluaran gelombang penuh dapat dihitung dalam persamaan dobawah Vmaks = Vrms. 2...(2.6) Ket Vmaks tegangan maksimum (Volt) Vrms tegangan rata-rata (Volt) Sedangkan untuk menghitung besarnya tegangan searah (Vdc) pada keluaran penyearah gelombang penuh dapat dilihat dibawah Vdc = 2Vmaks...(2.7)
2.1.3 KAPASITOR PENYARING (FILTER) Penggunaan komponen kapasitor untuk menyaring / memfilter riak-riak gelombang hasil penyearahan agar didapat gelombang yang halus dan rata. AC C RL Gambar 2.6 Rangkaian penyearah dengan menggunakan penyaring kapasitor (Malvino, 1997) Dari gambar diatas, saat dioda menghantarkan arus, maka kapasitor (C) akan terisi sesuai dengan bantuk gelombang masukannya. Setelah tegangan masukan mancapai nilai maksimumnya, tegangan akan tetap dipertahankan jika tidak mendapatkan beban. Dan jika ada beban tegangan pada kapasitor akan menurun sesuai dengan besarnya beban. Kapasitor akan terisi pada periode sinyal berikutnya.
Vout (V) Vrpp 0 2 3 t(s) Gambar 2.7 Keluaran penyearah gelombang penuh dengan penyaring kapasitor (Malvino, 1997) Dengan adanya kapasitor tegangan keluaran tidak segera turun walaupun tegangan masukan sudah larut. Hal ini disebabkan kapasitor memerlukan waktu ( = RC) untuk mengosongkan muatannya. Jadi semakin besar RL maka waktu yang diperlukan untuk pengosongan kapasitor semakin lama. Perhitungan ini jiga berlaku pada kapasitor, semakin besar kapasitansi kapasitor maka semakin lama waktu pengosongan muatannya. Nilai C dan RL juga menentukan tegangan riak puncak ke puncak (Vrpp), hal ini dapat dijelaskan dengan persamaaan V(rpp) = 2 1 frlc. Vmaks...(2.8)
Ket Vrpp tegangan riak puncak ke puncak (Volt) Vmaks tegangan maksimum (Volt) f frekuensi (Hertz) RL tahanan beban (ohm) C kapasitansi (farad) Dengan demikian dapat dihitung besarnya tegangan searah (Vdc) untuk penyearah gelombnag penuh dengan kapasitor yaitu Vdc = Vmaks - Vrpp...(2.9) 2 Berdasar persamaaan 2.9 semakin besar kapasitansi maka Vrpp akan semakin kecil, dengan demikian bila dibeikan kapasitansi yang cukup besar maka nilai Vrpp dapat diabaikan. 2.1.4 PENYETABIL Penyetabil atau regulator adalah rangkaian elektronika yang berfungsi untuk menjaga tegangan keluaran agar stabil pada setiap perubahan beban. Contoh dari penyetabil adalah rangkaian terpadu dengan tipe 7805, 7905, 7812, 7912 dan lainnya. IC diatas mempunyai tiga terminal yaitu masukan, keluaran dan ground. Tegangan keluaran dari rangkaian
terpadu ini bisa dilihat dari dua digit terakhir dari nomor serinya, sedangkan untuk dua digit depan menunjukkan polaritas tegangan yang dihasilkan. Tipe 7805 menunjukkan polaritas positif sedangkan tipe 7912 menunjukkan polaritas negatif. 7805 1 Vin Vout 3 Gnd 2 Gambar 2.8 Simbol penyetabil (Data Sheet IC 7805) Pada modul ini digunakan rangkaian terpadu dengan seri LM 7805, LM 712 dan LM 7912 yang masing-masing menghasilkan tegangan stabil sebesar +5 Volt, +12 Volt dan -12 Volt. Rangkaian dalam 7805 terdiri dari beberapa macam komponen diantaranya adalah dioda zener yang digunakan sebagai tegangan acuan, penguat operasional sebagai penguat tak membalik, tahanan (R2 dan R3) sebagai pembagi tegangan, dan transistor (Q) sebagai penguat arus. Pada rangkaian pengganti penyetabil ini besarnya tegangan zener menentukan nilai keluaran tegangan. Tegangan acuan penyetabil masukan ke terminal tak membalik sebesar Vz yaitu tegangan kerja dari dioda zener. Pada terminal membalik penguat operasional terdapat tegangan umpan balik (VR3) dari tegangan keluaran (Vout). Besarnya tegangan umpan balik dapat dihitung sebagai berikut VR3 = R3 R2 R3 Vout...(2.10)
Jika daya beban naik (RL turun), sehingga tahanan beban akan turun dan arus yang dibutuhkan oleh beban menjadi besar. Dengan turunnya tahanan beban menyebabkan VR3 menjadi turun, sehingga perbedaan tegangan pada masukan penguat operasional ( V(+) V(-) ) bertambah besar yang selanjutnya menyebabkan Vout dari penguat operasional juga bertambah besar. Peningkatan Vout dari penguat operasional ini menyebabkan arus yang menuju ke transistor yaitu arus basis (Ib) juga mengalami peningkatan. Sesuai dengan kurva karakteristik transistor, dengan naiknya Ib maka arus colector (Ic) juga mengalami kenaikan. Dan dengan naiknya Ic maka Vout yang menuju ke beban juga mengalami kenaikan. Sebaliknya jika daya beban turun Vout akan naik dan selanjutnya akan menyebabkan VR3 juga naik. Dengan naiknya VR3 membuat perbedaaan tegangan pada masukan penguat operasional ( (V+) V(-) ) menjadi kecil sehingga menyebabkan tegangan keluaran dari penguat operasional juga kecil. Penurunan tegangan ini menyebabkan arus yang menuju ke transistor (Ib) akan turun dan selanjutnya menyebabkan arus yang menuju ke beban akan turun. Proses-proses diatas menjadikan tegangan keluaran dari penyetabil akan stabil. Dalam keadaan stabil maka V(+) akan sama dengan tegangan V(-) dengan demikian persamaaan tegangan keluarnya dapat dihitung sebagai berikut V(+)=V(-)...(2.11) Vref = R3 R2 R3 Vout Vout = R2 R3 Vref R3
R2 Vout=1+ R3 vref...(2.12) Ket V(+) tegangan masukan penguat operasional (+) Volt V(-) tegangan masukan penguat operasional (-) Volt Vref tegangan acuan (Volt) Vout tegangan keluaran penyetabil (Volt) 2.2 TRANSISTOR Transistor merupakan salah satu jenis komponen aktif yang banyak digunakan baik dalam rangkaian analog maupun digital. Transistor yang banyak digunakan adalah transistor jenis bipolar yang terdiri dari dua jenis yaitu NPN (Negatif-Positif-Negatif) dan NPN (Negatif- Positif-Negatif). Pada tugas akhir ini digunakan transistor jenis NPN dan PNP yang difungsukan sebagai penguat arus. Untuk mengoperasikan transistor harus diketahui dahulu daerah kerjanya. Ada tiga daerah kerja transistor yaitu 1. Daerah sumbat (cutt-off) Daerah sumbat merupakan daerah kerja transistor saat mendapat bias arus basis (Ib) 0. Pada saat daerah ini terjadi bocor dari basis ke emitor (IBEO). Hal yang sama
dapat terjadi pada transistor hubungan kolektor-basis. Jika arus emitor sangat kecil (Ie=0), emitor dalam keadaan terbuka dan arus mengalir dari kolektor ke basis (ICBO). 2. Daerah aktif Daerah aktif terletak antara daerah jenuh dan daerah sumbat. Agar transistor bekerja pada daerah aktif maka transistor harus mendapat arus basis lebih besar dari 0 (Ib 0). Dalam keadaan ini keluaran arus kolektor akan berubah sesuai dengan pemberian aris basisnya. 3. Daerah jenuh Transistor akan bekerja pada daerah jenuh jika transistor mendapat arus basis lebih besar dari arus basis maksimal Hal ini mengakibatkan keluaran arus kolektor tidak bertambah lagi.
Vcc R L Ic(mA) Daerah Aktif Daerah Jenuh I B 7 I B 6 I B 5 Daerah Sumbat V CE =V CC V CE (V) Gambar 2.9 Daerah kerja transistor (Malvino, 1997) Agar dapat digunakan sebagai penguat arus maka transistor harus berada pada daerah aktif. Selain itu tegangan kolektor-emitor (Vcc) dan tegangan basis-emitor (V BE ) harus berada pada bias maju. Untuk mendapatkan arus penguatan arus yang tinggi, transistor harus dibuat dalam konfigurasi kolektor bersama (common collector). Pemberian bias untuk konfigurasi transistor kolektor bersama dapat dilihat pada gambar dibawah
Ic Ib Vin Ie Vcc Vbb RL Gambar 2.10 Konfigurasi Transistor Kolektor Bersama (Malvino, 1997) Besarnya penguatan arus (hfe) untuk konfigurasi kolektor bersama merupakan perbandingan antara arus keluaran (Ie) dan arus masukan (Ib). Sedangkan perhitungan untuk penguatan arus adalah sebagai berikut Ic hfe =...(2.13) Ib ket hfe penguatan arus Ie arus emitor (ma) Ib arus basis (ma) Karena nilai Ie>>Ib maka diperoleh penguatan arus yang besar. Penguat jenis kolektor bersama ini digunakan dalam catu daya untuk mencukupi kebutuhan arus yang cukup besar pada beban.
2.3 MIKROKONTROLER ATMEGA8538 Mikrokontroler ATmega8535 merupakan seri mikrokontroler 8 bit yang berarsitektur RISC ( Reduce Intruction Set Computing ),inti AVR adalah kombinasi dari berbagai macam intruksi dengan 32 register serbaguna,register-register tersebut terhubung langsung degan ALU ( Aritmetic Logic Unit )yang memungkinkan 2 register independen untuk di akses dalam satu pelaksanaan intruksi dalam 1 suklus detak. Keuntungan dari arsitektur ini adalah kode program yang lebih efisien,sementara keberhasilan keseluruhan sepuluh kali lebih cepat dibandingkan dengan CISC ( Complex Intruction Set Computing ) yang konvensional. Arsitektur Mikrokontroler ATmega8535 Gambar 2.11 Mikrokontroler ATmega8535
Kelengkapan seri AVR disebutkan sebagai berikut : Saluran I/O sebanyak 32 buah yaitu port A, port B, port C, dan port D. ADC 10-bit sebanyak delapan saluran Tiga buah timer atau counter CPU yang terdiri atas 32 register Watch dog timer dengan osilator internal SRAM sebesar 512 byte Memori flash sebesar 8 kb Unit interupsi internal dan eksternal Port antarmuka SPI EEPROM sebesar 512 byte yang dapat di program saat interupsi Antarmuka dengan komparator analog Port USART untuk komunikasi serial Kecepatan eksekusi di tentukan dari hasil pembangkitan hasil detak pada osilator internal, detak juga di gunakan sebagai dasar pembangkitan timer,termasuk fungsi dari timer tersebut adalah PWM ( Pulse Width Modulation ) dan boudrate untuk komunikasi serial, penggunaan fungsi timer dapat juga di modekan sebagai sumber interupsi.
ATmega8535 dilengkapi dengan ADC ( Analog to Digital Convertion ) 10 bit dengan multiplex untuk 8 jalur masukan, dimana ADC juga dapat digunakan sebagai sumber interupsi. Pemilihan saluran dan proses konversi dilakukan dengan memberikan data pada register yang berkaitan. Kelengkapan lain adalah untuk fungsi komunikasi serial dimana terdapat tiga format komunikasi yang dapat di gunakan yaitu USART ( Universal Synchronous and asynchronous interface ). Semua fasilitas serial dapat dipergunakan dalam variasi kecepatan transmisi yang sangat bergantung pada besarnya detak dan pengisian register yang berkaitan Gambar 2.12 Diagram fungsional ATmega8535 Gambar 2.12 Diagram fungsional ATmega8535
2.4. IC LM 35 LM35 merupakan IC yang digunakan sebagai sensor suhu. IC tersebut mengubah kondisi suhu lingkungan disekitarnya menjadi sinyal listrik. Sinyal listrik keluaran LM35 ini memiliki nilai yang sebanding dengan suhu lingkungan dalam bentuk derajat celcius (ºC). Karakteristik dari sensor suhu LM35 ini adalah perubahan nilai tahanannya akan semakin besar apabila suhu lingkungannya semakin rendah dan nilai tahanannya akan menjadi kecil apabila suhu lingkungannya semakin tinggi. Beberapa fasilitas yang dimiliki LM35 adalah sebagai berikut : 1. Dikalibrasi secara langsung dalam º Celcius. 2. Ketelitian pengukuran LM35 sangat tinggi mencapai ± ½ ºC pada suhu kamar. 3. Jangkauan temperatur dari -55ºC sampai +150ºC. 4. Setiap perubahan 1ºC akan mempengaruhi perubahan tegangan keluaran sensor sebesar 10mV. 5. Arus yang mengalir kurang dari 60mA. Gambar 2.13 Jenis-jenis IC LM35