BAB 3 PERANCANGAN 3.1 Deskripsi Umum Alat Alat yang dirancang adalah perangkat pelayangan magnetik dengan menggunakan benda berbentuk bola untuk dilayangkan pada rentang waktu tertentu. Perancangan berdasarkan model dari Barry Hansen pada tahun 2001 [2]. Alat yang dirancang terdiri dari beberapa komponen: 1. Kumparan elektromagnet 2. Sistem sensor infra merah (sebagai umpan balik / masukan pengontrol) 3. Sistem pengontrol 4. Sistem aktuator Skema sistem lup tertutup dari alat yang dirancang digambarkan pada Gambar 3.1. Gambar 3.1. Skema Perancangan Sistem Lup Tertutup Dalam perancangan ini digunakan gabungan beberapa rangkaian elektronik karena perancangan pengontrol diimplemantasikan secara analog. Skema lengkap rancangan dapat dilihat pada Gambar 3.2. 20
Gambar 3.2.Skema Lengkap Rancangan Perangat Pelayangan Magnetik Bola 3.2 Komponen Permodelan 3.2.1 Kumparan elektromagnet (solenoida) Kumparan yang digunakan adalah kumparan yang memiliki panjang inti kecil, tetapi jumlah lilitannya banyak. Hal ini dimaksudkan agar garis-garis gaya magnet lebih terkonsentrasi. Digunakan batang ulir besi berukuran panjang 5 cm, dengan diameter 0,8 cm. Tebal lilitan sebesar 0,75 cm. Solenoida dilengkapi dengan skrup untuk melekatkan pada rangka perangkat. Untuk lebih mengkonsentrasikan garis-garis gaya magnet, pada bagian sekrup yang melekatkan solenoid dengan rangka perangkat, ditambahkan sebuah magnet permanen berkekuatan 60 mt. Dengan magnet ini, garis-garis gaya lebih terarah sehingga besar gaya tarik yang dihasilkan lebih terkonsentrasi pada bola. 3.2.2 Bola Sesuai teori dasar, bahan inti induktor yang dapat dimagnetisasi disebut ferromagnetik, termasuk diantaranya nikel, kobalt, dan besi (baja mengandung lebih dari 99% besi). Beberapa logam lain yang tidak terpengaruhi oleh magnet antara lain tembaga, aluminium, timah dan seng. Untuk itu harus digunakan benda 21
ferromagnetik agar dapat tertarik oleh gaya magnet yang dihasilkan oleh kumparan. Bola yang digunakan adalah bola besi berongga agar didapatkan luas permukaan yang besar dengan massa yang lebih ringan. Hal ini dilakukan untuk mengurangi besar arus yang dibutuhkan, tetapi pergerakan bola tetap mudah diamati. Sehingga diperlukan bola yang besar tetapi memiliki massa relatif kecil. 3.2.3 Rangkaian Sensor infra merah Sensor yang digunakan adalah rangkaian elektronik menggunakan sebuah LED infra merah sebagai pengirim sinyal (transmitter) dan dua buah phototransistor sebagai penerima sinyal cahaya (receiver). Phototransistor berfungsi sebagai penerima sinyal referensi (reference signal), dan sinyal posisi (position signal). Pertambahan arus pada basis photo transistor berbanding lurus dengan penerimaan cahaya. Dengan demikian, tertutupnya sebagian atau seluruhnya phototransistor dengan bola menyebabkan penurunan arus basis, yang menyebabkan penurunan arus kolektor-emitter. Arus kolektor-emitter diubah menjadi tegangan dengan adanya resistor antara kolektor dengan sumber arus positif sehingga dapat diukur. Tegangan keluaran dari phototransistor harus diolah sehingga dapat menjadi sinyal masukan yang baik bagi rangkaian pengontrol. Ada beberapa tahapan yang harus dilalui sinyal tersebut yaitu distabilkan, dibandingkan, lalu diperkuat perbandingannya. Proses ini dapat dilalui dengan melewatkan sinyal ke dalam beberapa rangkaian elektronik sesuai kebutuhan proses. Proses yang harus dilalui dapat dilihat pada Gambar 3.3. Gambar 3.3. Ilustrasi Rangkaian Pengolahan Sinyal Sensor 22
Rangkaian pengikut tegangan digunakan agar nilai tegangan dari kedua fototransistor tidak turun secara drastis akibat impedansi dari beban keluaran sinyal termasuk rangkaian penguat beda, rangkaian pengontrol, dan rangkaian aktuator. Jadi rangkaian pengikut tegangan sebagai penyangga mengisolasi nilai tegangan dari fototransistor dari beban tahap selanjutnya. Setelah melalui rangkaian pengikut tegangan, sensor melalui rangkaian penguat beda. Kombinasi ini merupakan rangkaian penguat instrumentasi. Pada rangkaian penguat perbedaan, selisih tegangan antara kedua phototransistor diperkuat agar nilai maksimumnya mendekati nilai catu daya searah. 3.2.4 Rangkaian Pengontrol Pengontrol yang digunakan adalah pengontrol on-off. Untuk itu pengontrol berfungsi memberi sinyal kepada aktuator untuk memberikan tindakan yang diinginkan pada kumparan. Aksi yang dilakukan pengontrol bertujuan untuk mempertahankan bola pada posisi yang diinginkan yaitu setinggi letak fototransistor penerima sinyal posisi. Skema rangkaian pengontrol digambarkan pada Gambar 3.4. Gambar 3.4. Skema Rangkaian Pengontrol Setelah keluar dari rangkaian sensor, sinyal memasuki rangkaian pengontrol. Pada rangkaian pengontrol, sinyal melalui 2 tahap, yaitu pengubahan bentuk sinyal dan penguatan linier tak membalik. Pengubahan bentuk sinyal dengan rangkaian diferensial dilakukan agar sinyal berbentuk ramp, sehingga aksi kontrol on-off lebih cepat dan tajam. Sedangkan penguatan linier dengan menggunakan rangkaian penguat tak membalik dimaksudkan untuk memperbesar beda tegangan antara keadaan on, dan keadaan off agar tidak ada rentang diantaranya. 23
Untuk menjalankan fungsi on-off, maka dibuat logika dari rangkaian sensor. Berdasarkan Gambar 2.4 dan persamaan 2.7 maka didapatkan persamaan sebagai berikut : Vout = Rf Ro ( Vb Va) (3.1) Bila nilai tegangan referensi sebagai Vb (pada kaki masukan tak membalik) dan nilai tegangan sinyal posisi sebagai Va (pada kaki masukan membalik), maka setelah dihubungkan dengan transistor yang berfungsi sebagai penghubung pengontrol-aktuator didapatkan hasil logika komunikasi sebagai berikut: 1. Bila tegangan sinyal referensi lebih kecil 0.01 V daripada tegangan sinyal posisi, artinya posisi bola terlalu tinggi sehingga sebagian transistor referensi tertutup bola, maka perbedaan tegangan yang dihasilkan adalah negatif. Karena yang dialirkan adalah masukan negatif, maka aktuator tidak bekerja, dan kumparan tidak berfungsi sebagai magnet. 2. Bila tegangan sinyal referensi lebih besar 0,01 V daripada tegangan sinyal posisi, maka yang dihasilkan adalah keluaran positif karena perbedaan tegangan menjadi positif sehingga aktuator bekerja dan kumparan berfungsi sebagai elektromagnet. 3. Saat nilai sinyal tegangan referensi tidak ada (=nol), maka rangkaian penguat perbedaan berfungsi sebagai rangkaian penguat perbedaan membalik, karena Vb dianggap ditanahkan sehingga nilai negatif dari perbedaan menjadi positif dan aktuator bekerja. 4. Bila nilai sinyal tegangan referensi dan posisi sama, komparator menghasilkan keluaran nol, sehingga transistor tidak bekerja, dan aktuator tidak bekerja. 3.2.5 LED Indikator 24
Untuk memudahkan pengamatan dipasang beberapa buah indikator. Indikator yang digunakan adalah LED dengan pancaran cahaya warna merah. Fungsi indikator tersebut adalah sebagai berikut : 1.Indikator daya : memberikan informasi apakah perangkat sudah terhubung dengan sumber tegangan atau belum 2.Indikator tombol on/off : memberikan informasi apakah perangkat sudah siap digunakan atau belum. 3.Indikator kumparan : memberikan informasi apakah kumparan dalam keadaan bekerja atau tidak. 3.2.6 Kerangka Perangkat Kerangka perangkat dibuat dari bahan fiber glass yang tembus pandang untuk nilai estetika juga kemudahan pengamatan rangkaian. 3.2.7 Rangkaian Aktuator Rangkaian aktuator terdiri dari catudaya searah, solenoida, dioda, dan transistor. Dioda berfungsi untuk menyearahkan arus yang melalui kumparan. Sedangkan bekerja atau tidaknya kumparan dan seluruh rangkaian aktuator ini bergantung pada arus basis pada transistor seperti dijelaskan pada sub bab 3.2.4. Kumparan terhubung dengan kolektor transistor, sedangkan emiter dari transistor terhubung dengan ground. Tegangan basis bergantung pada keluaran dari noninverting amplifier pada rangkaian listrik di atas yang disebut juga rangkaian penguat keluaran. Bila arus basis positif, maka akan mengalir arus melalui kumparan dan akan menarik bola. Sebaliknya, bila mendapat catu negatif atau nol, maka arus yang mengalir melalui kumparan juga tidak ada. 25
Gambar 3.5. Rangkaian aktuator Gambar rangkaian aktuator dapat dilihat pada Gambar 3.5. Dioda D2 merupakan sebuah LED yang digunakan untuk mengindikasikan apakah kumparan bekerja atau tidak. Saat kumparan bekerja, LED juga menyala, demikian juga sebaliknya saat kumparan dalam keadaan tidak dilalui arus, LED juga tidak dilalui arus sehingga tidak menyala. 3.2.8 Sumber Tegangan Sumber tegangan yang digunakan adalah sumber tegangan searah 12 V dan 15 V. Tegangan 12 V digunakan untuk menghidupkan kumparan, sedangkan tegangan 15 V digunakan untuk sumber tegangan rangkaian analog kecuali kumparan. Digunakan sumber arus bolak-balik yang dilewatkan pada dua buah trafo. Tegangan yang dihasilkan trafo adalah tegangan searah 12V dan 15 V. 26