BAB II LANDASAN TEORI 2.1. MOSFET MOSFET atau Metal Oxyde Semiconductor Field Effect Transistor merupakan salah satu jenis transistor efek medan (FET). MOSFET memiliki tiga pin yaitu gerbang (gate), penguras (drain), dan sumber (source). MOSFET adalah piranti terkendali tegangan dan memiliki arus masukan yang sangat kecil, dalam orde nanoampere. Ada dua jenis MOSFET yaitu depletion dan enhancement. Yang digunakan dalam tugas akhir ini adalah MOSFET jenis enhancement. MOSFET enhancement terbagi menjadi dua tipe yaitu tipe p dan tipe n[1][4]. Gambar 2.1. simbol MOSFET enhancement tipe n dan tipe p Tegangan V GS minimum yang menyebabkan adanya kanal penghubung antara drain dan source disebut tegangan ambang (threshold voltage), V th. V th untuk MOSFET kanal-n adalah positif. Harga V th dikendalikan pada saat pembuatan. Arus akan mengalir dari drain ke source jika tegangan pada kaki gate lebih besar dari tegangan ambang. MOSFET memiliki 3 daerah operasi yaitu cut-off, triode (linear), dan saturasi. 3
Gambar 2.2. Karakteristik MOSFET MOSFET berada pada daerah cut-off jika V GS < V th. Pada daerah Cut-off MOSFET tidak dalam keadaan on karena tegangan gate lebih kecil dari tegangan ambang, sehingga tidak terbentuk kanal, dan arus tidak dapat mengalir (I D = 0). MOSFET berada pada daerah triode saat V GS V th dan V DS < V GS V th. Pada daerah triode MOSFET dapat dianggap sebagai resistor terkontrol tegangan (voltage controlled resistor), tegangan gate akan mengontrol resistansi antara drain dan source (R DS ). (2.1) Pada daerah triode, pada awalnya gate diberi tegangan hingga terbentuk kanal. Apabila drain diberi tegangan yang kecil, maka elektron akan mengalir dari source menuju drain atau arus akan mengalir dari drain ke source. Selanjutnya kanal tersebut akan bertindak sebagai suatu tahanan, sehingga arus drain (I D ) akan sebanding dengan tegangan drain. Apabila tegangan drain terus ditingkatkan hingga tegangan pada gate menjadi netral, lapisan inversi saluran pada sisi drain akan hilang, dan mencapai suatu titik yang disebut titik pinch-off. Pada titik pinch-off ini merupakan permulaan dari daerah kerja saturasi. Apabila melebihi titik ini, peningkatan tegangan drain tidak akan mengubah arus drain, sehingga arus drain tetap (konstan). MOSFET bekerja di daerah saturasi jika: V GS V th 4
V GD V th V DS V GS V th Jadi MOSFET kanal n jenis enhancement bekerja pada daerah saturasi jika V GS lebih besar dari V th dan tegangan drain tidak lebih kecil dari tegangan gate melebihi V th volt. 2.2. Operational Amplifier (Penguat Operasional) Penguat operasional atau yang biasa disebut op-amp merupakan suatu jenis penguat elektronika dengan coupling arus searah yang memiliki bati sangat besar dengan dua masukan dan satu keluaran. Op-amp sebagian besar dibangun oleh transistor, satu Op-amp terdiri dari sekitar 20-50 transistor. Op-amp non-ideal memiliki keterbatasan dalam bentuk bati yang terbatas, bandwidth, resistansi masukan dan keluaran, common-mode rejection, tegangan offset dan arus bias[2][5]. Operational Amplifier adalah penguat linier yang biasanya dikemas di dalam suatu IC (Integrated Circuit). Satu IC bisa berisi satu atau empat Op-Amp biasanya. Gambar 2.3 menunjukkan model internal untuk op-amp dasar. Op-amp memiliki dua masukan dan satu keluaran. Masukan terdiri dari satu masukan non-inverting ditandai dengan tanda plus dan satu masukan inverting ditandai dengan tanda minus. Bila menggunakan model op-amp ideal, impedansi masukan Rin dianggap besar tak berhingga dan impedansi keluaran Ro menjadi nol. Pada kenyataannya, Rin dapat mencapai beberapa megaohm dan Ro beberapa puluhan ohm. Gambar 2.3 Model internal op-amp 5
2.2.1. Non-Inverting Amplifier Non-inverting amplifier atau penguat tak membalik merupakan salah satu penguat Opamp dengan sinyal masukan dipasang pada terminal non-inverting sehingga keluaran penguat menjadi positif. Jadi masukan penguat non-inverting memiliki fase yang sama dengan keluarannya. Rangkaian penguat non-inverting ditunjukkan pada gambar 2.4[6]. Gambar 2.4. Rangkaian penguat non-inverting Syarat ideal sebuah penguat adalah tidak ada arus yang mengalir pada terminal masukan. Dan V + sama dengan V -. dari rangkaian diatas dapat kita ketahui rumus penguat sebagai berikut : (2.2) Dimana, sehingga didapat penguatan tegangan sebagai berikut: (2.3) Jika kita membuat nilai resistor umpan balik sama dengan nol ( dan resistor sama dengan tak hingga ( ), maka rangkaian diatas akan memiliki penguatan tetap 1, karena semua tegangan keluaran akan diberikan ke terminal inverting. Penguat noninverting yang seperti ini disebut juga unity gain buffer atau voltage follower. 2.2.1.1. Op-Amp sebagai Voltage Follower (Pengikut Tegangan) Voltage follower atau yang sering disebut Buffer merupakan rangkaian aplikasi Op-amp yang menghasilkan tegangan keluaran sama dengan tegangan masukan. Pengikut tegangan biasanya didefinisikan sebagai rangkaian dengan penguatan satu. Diantara masukan dan 6
keluaran terdapat isolasi impedansi. Keluaran dari op amp terhubung pada masukan inverting dan tegangan masukan dihubungkan pada masukan non inverting. Fungsi dari rangkaian Voltage follower pada peralatan elektronika adalah sebagai penyangga, dimana prinsip dasarnya adalah penguat arus tanpa terjadi penguatan tegangan. Rangkaian Voltage follower yang dibangun dari sebuah operasional amplifier (Op-Amp), dapat dibuat dengan sangat sederhana[6]. Gambar 2.5 Rangkaian voltage follower Dengan menghubungkan jalur input inverting ke jalur output operasional amplifier (op-amp) maka rangkaian Voltage follower pada gambar diatas akan memberikan kemampuan mengalirkan arus secara maksimal sesuai kemampuan maksimal operasional amplifier (op-amp) mengalirkan arus output. Dengan metode hubung singkat antara jalur input inverting dan jalur output operasional amplifier (op-amp) maka diperoleh perhitungan matematis sebagai berikut. (2.4) Sehingga diperoleh nilai penguatan tegangan (Av) sebagai berikut: (2.5) Dari persamaan diatas terlihat bahwa rangkaian operasional amplifier diatas tidak memiliki faktor penguatan tegangan (Av = 1) atau tidak terjadi penguatan tegangan. Rangkaian buffer dengan operasional amplifier (op-amp) seperti terlihat pada gambar diatas menghasilkan penguatan + 1. Rangkaian ini sangat menguntungkan karena kita dapat memperoleh suatu penguat dengan hambatan input (impedansi input) yang sangat tinggi dan dengan hambatan output (impedansi output) sangat rendah, yaitu mendekati kondisi ideal. Sehingga penguat operasional dengan konfigurasi seperti pada gambar diatas berfungsi sebagai penyangga 7
(buffer) dengan penguatan = 1. Aplikasi rangkaian buffer baik yang dibuat dari penguat transistor maupun penguat operasional (Op-Amp) pada umumnya digunakan sebagai stabiliser sinyal. 2.3. Mikrokontroler ATMega32 Mikrokontroler ATMega32 termasuk mikrokontroler keluarga AVR yang dibuat Atmel Corporation[7]. Mikrokontroler ATMega32 mempunyai fasilitas-fasilitas sebagai berikut : 1. Saluran I/O ada 32 buah, yaitu Port A, Port B, Port C, dan Port D. 2. ADC (Analog to Digital Converter) 10 bit sebanyak 8 channel. 3. Tiga buah Timer/Counter dengan kemampuan pembandingan 4. dua buah timer/counter 8 bit, satu buah timer/counter 16 bit 5. Internal SRAM sebesar 2 KB. 6. Memori Flash sebesar 32 KB dengan kemampuan Read While Write. 7. 4 channel PWM. Gambar 2.6 Konfigurasi pin ATMega32 Konfigurasi pin ATMega32 pada gambar 2.5 dapat dijelaskan sebagai berikut : 1. VCC merupakan pin masukan catu daya 2. GND sebagai pin ground 8
3. Port A (PAO..PA7) merupakan pin I/O dua arah dan dapat deprogram sebagai pin dari ADC. 4. Port B (PBO..PB7) merupakan pin I/O dua arah dan fungsinya sebagai, timer/counter, komparator analog, dan SPI. 5. Port C (PCO..PC7) merupakan pin I/O dua arah dan fungsinya sebagai, TWI, komparator analog, dan timer osilator. 6. Port D (PDO..PD7) merupakan pin I/O dua arah dan fungsinya sebagai,komparator analog, interupsi eksternal dan komunikasi serial. 7. Reset merupakan pin yang digunakan untuk me-reset microcontroller. 8. XTAL 1 dan XTAL 2 sebagai pin clock eksternal. Pada microcontroller membutuhkan sumber (clock) agar dapat mengeksekusi instruksi yang ada di memori. Semakin tinggi nilai kristalnya, maka semakin cepat microcontroller tersebut. 9. AVCC sebagai pin tegangan untuk ADC. 10. AREF merupakan pin masukan referensi ADC. 2.4. Sensor suhu LM35 Sensor suhu LM35 adalah komponen elektronika yang memiliki fungsi untuk mengubah besaran suhu menjadi besaran listrik dalam bentuk tegangan. LM35 memiliki keakuratan tinggi dan kemudahan perancangan jika dibandingkan dengan sensor suhu yang lain, LM35 juga mempunyai linieritas yang tinggi sehingga tidak memerlukan penyetelan dari luar atau pengkalibrasian[8]. Meskipun tegangan sensor ini dapat mencapai 30 volt akan tetapi yang diberikan kesensor adalah sebesar 5 volt, sehingga dapat digunakan dengan catu daya tunggal dengan ketentuan bahwa LM35 hanya membutuhkan arus sebesar 60 µa hal ini berarti LM35 mempunyai kemampuan menghasilkan panas (self-heating) dari sensor yang dapat menyebabkan kesalahan pembacaan yang rendah yaitu kurang dari 0,5 ºC pada suhu 25 ºC. 9
Gambar 2.7. Sensor suhu LM35 Gambar diatas menunjukan bentuk dari LM35 tampak depan dan tampak bawah. 3 pin LM35 menujukan fungsi masing-masing pin diantaranya, pin 1 berfungsi sebagai sumber tegangan kerja dari LM35, pin 2 atau tengah digunakan sebagai tegangan keluaran atau V out dengan jangkauan kerja dari 0 Volt sampai dengan 1,5 Volt dengan tegangan operasi sensor LM35 yang dapat digunakan antar 4 Volt sampai 30 Volt. Keluaran sensor ini akan naik sebesar 10 mv setiap derajad celcius sehingga diperoleh persamaan sebagai berikut : V LM35 = Suhu * 10 mv (2.6) IC LM 35 ini tidak memerlukan pengkalibrasian atau penyetelan dari luar karena ketelitiannya sampai lebih kurang seperempat derajat celcius pada temperature ruang. Jangka sensor mulai dari 55 C sampai dengan 150 C, IC LM35 penggunaannya sangat mudah, difungsikan sebagai kontrol dari indicator tampilan catu daya terbelah. IC LM 35 dapat dialiri arus 60 μ A dari supplay sehingga panas yang ditimbulkan sendiri sangat rendah kurang dari 0 C di dalam suhu ruangan. Untuk mendeteksi suhu digunakan sebuah sensor suhu LM35 yang dapat dikalibrasikan langsung dalam C (celcius), LM35 ini difungsikan sebagai basic temperature sensor. Adapun keistimewaan dari IC LM 35 adalah : Kalibrasi dalam satuan derajat celcius. Lineritas +10 mv/ º C. Akurasi 0,5 º C pada suhu ruang. Range +2 º C 150 º C. Dioperasikan pada catu daya 4 V 30 V. Arus yang mengalir kurang dari 60 μa 10
2.5. Hall Effect Sensor Hall effect sensor atau sensor Efek-Hall dirancang untuk merasakan adanya objek magnetis dengan perubahan posisinya. Perubahan medan magnet yang terus menerus menyebabkan timbulnya pulsa yang kemudian dapat ditentukan frekuensinya, sensor jenis ini biasa digunakan sebagai pengukur kecepatan. Gambar 2.8. Cara kerja sensor efek hall Prinsip kerja sensor ini adalah dengan memanfaatkan fenomena efek Hall. Efek Hall ini didasarkan pada efek medan magnetik terhadap partikel bermuatan yang bergerak. Ketika ada arus listrik yang mengalir pada divais efek Hall yang ditempatkan dalam medan magnet yang arahnya tegak lurus arus listrik, pergerakan pembawa muatan akan berbelok ke salah satu sisi dan menghasilkan medan listrik. Medan listrik terus membesar hingga gaya Lorentz yang bekerja pada partikel menjadi nol. Perbedaan potensial antara kedua sisi divais tersebut disebut potensial hall. Potensial hall ini sebanding dengan medan magnet dan arus listrik yang melalui divais. Aplikasi utama sensor efek Hall adalah sebagai sensor posisi dan kecepatan baik linier maupun anguler, dan untuk pengukuran arus listrik tanpa kontak. Kelebihan dari sensor efek Hall adalah struktur yang simpel dan karakteristik yang bagus dalam teknologi fabrikasi mikro. Divais Hall mudah difabrikasi dengan teknologi CMOS dan pengkondisi sinyal elektronik dapat langsung diintegrasikan dengan divais Hall. Kekurangan sensor ini adalah nilai tegangan offset yang tinggi pada keluaran divais. Penyebab offset ini adalah geometri non-simetrik dari divais karena lapisan yang tidak lurus pada proses fabrikasi, defek permukaan, dan variasi hambatan kontak. Nilai dari tegangan offset juga dipengaruhi oleh suhu dan stress divais. 11
2.6. Digital to Analog Converter menggungakan Pulse Width Modulation (PWM DAC) DAC digunakan mengkonversi data digital ke tegangan analog (atau arus). Secara fungsional, DAC memiliki n digital jalur input dan 1 output baris yang menghasilkan tegangan analog atau arus. Output analog sebanding dengan jumlah dari input digital. Banyak aplikasi embedded mikrokontroler memerlukan generasi sinyal analog[9]. PWM ( Pulse Width Modulation) adalah salah satu teknik modulasi dengan mengubah lebar pulsa (duty cylce) dengan nilai amplitudo dan frekuensi yang tetap. Satu siklus pulsa merupakan kondisi high kemudian berada di zona transisi ke kondisi low. Lebar pulsa PWM berbanding lurus dengan amplitudo sinyal asli yang belum termodulasi. Duty Cycle merupakan representasi dari kondisi logika high dalam suatu periode sinyal dan di nyatakan dalam bentuk (%) dengan range 0% sampai 100%, sebagai contoh jika sinyal berada dalam kondisi high terus menerus artinya memiliki duty cycle sebesar 100%. Jika waktu sinyal keadaan high sama dengan keadaan low maka sinyal mempunyai duty cycle sebesar 50%. Sinyal PWM pada umumnya memiliki amplitude dan frekuensi dasar yang tetap, namun memiliki lebar pulsa yang bervariasi. Lebar pulsa PWM berbanding lurus dengan amplitude sinyal asli yang belum termodulasi. Artinya, sinyal PWM memiliki frekuensi gelombang yang tetap namun duty cycle bervariasi antara 0% hingga 100% Gambar 2.9. Sinyal PWM Pulse Width Modulation (PWM) teknik dapat digunakan dengan mudah untuk membuat DAC, terutama karena banyak dari anggota keluarga prosesor AVR dilengkapi dengan on-chip PWM. Dalam PWM, sinyal digital dari frekuensi tetap dihasilkan. Lebar pulsa sinyal akan berubah sesuai dengan kebutuhan. Dengan menggunakan low-pass filter pada keluaran gelombang PWM kita akan memperoleh tegangan DC. 12