BAB II TEORI DASAR Pada bab ini dibahas tentang teori dasar dan gambaran umum sensor infrared, photodioda, (UPS ) dan rangkaian elektronika. 2.1 Gambaran Umum Sering kali kita mendengar berbagai macam istilah sensor seperti sensor infrared, photo diode, cahaya, suara, suhu dll. Sensor adalah peralatan yang digunakan untuk merubah suatu besaran fisik menjadi besaran listrik sehingga dapat di analisa dengan rangkaian listik tertentu. Hampir seluruh peralatan elektronik yang ada saat ini mempunyai sensor didalamnya. Pada saat ini sensor pun semakin berkembang dengan ukuran yang sangat kecil, ukuran yang sangat kecil ini sangat memudahkan pemakaian dan penghematan energy. Sensor merupakan bagian dari transducer yang berfungsi untuk melakukan sensing atau merasakan & menangkap adanya perubahan energy eksternal yang akan masuk ke bagian input dari transducer, sehingga perubahan kapasitas energy yang ditangkap segera di kirim kepada bagian konvertor dari transduser untuk di ubah menjadi energy listrik. Sensor photodioda adalah diode yang bekerja berdasarkan intensitas cahaya, jika photodioda terkena cahaya maka photodioda bekerja seperti diode pada umumya, tetapi jika tidak mendapat cahaya maka photodioda akan berperan seperti resistor dengan nilai tahanan yang besar sehingga arus listrik tidak dapat mengalir. Photodioda merupakan sensor cahaya semikonduktor yang dapat mengubah besaran cahaya menjadi besaran listrik, photodioda merupakan sebuah dioda dengan sambungan p-n yang dipengaruhi cahaya dalam kerjanya, cahaya yang dapat dideteksi oleh photodioda ini mulai dari infra merah, cahaya tampak, ultra ungu sampai dengan sinar-x.
Sensor infrared adalah komponen elektronika yang dapat mengidentifikasi cahaya infra merah (infra red, IR). Sensor infra merah atau detektor infra merah saat ini ada yang dibuat khusus dalam satu module dan dinamakan sebagai IR Detector Photomodules. IR Detector Photomodules merupakan sebuah chip detektor inframerah digital yang di dalamnya terdapat fotodiode dan penguat (amplifier). Sensor infrared banyak diaplikasikan sebagai pengontrol jarak jauh, seperti remote peralatan elektronik seperti TV, AC, DVD/CD dll. Infrared juga bisa digunakan untuk pemindah atau atau pengirim data dengan jarak yang dekat, contoh dari aplikasi ini adalah pengaman rumah yang menggunakan sensor infrared. Cahaya infrared itu tidak bisa di lihat oleh mata manusia, karena mata manusia hanya bisa meliahat cahaya yang mempunyai panjang gelombang antara 400nm sampai 700nm namun bisa di bantu dengan alat kamera yang mampu melihat cahaya infrared. Gambar 2.1 Sensor Infrared & Sensor Photo Dioda 2.2 UPS (Uninterruptible Power Supply) Uninterruptible atau lebih dikenal dengan sebutan UPS adalah suatu alat yang berfungsi sebagai buffer antara power supply dengan peralatan elektronik yang kita gunakan seperti computer, printer, modem dsb. Bila ada gangguan, atau dengan kata lain daya suplai terputus, maka UPS akan segera bekerja dalam waktu sesingkat mungkin sehingga peralatan elektronik yang kita miliki tidak mengalami kerusakan. Dalam hal ini UPS berfungsi sebagai suplai daya baru (back up dari suplai daya utama).
Gambar 2.2 Bentuk Fisik UPS 650 VA Mengapa kita harus kita harus memasang UPS pada peralatan peralatan elektronik yang kita miliki karena sering terjadi suplai daya PLN terputus secara tiba tiba atau suplai daya tidak normal akibat tegangan lebih, tegangan kurang dan tegangan kedip yang di sebabkan karena gangguan petir dsb. Alangkah ruginya kita bila data data berharga hasil pekerjaan yang telah kita kerjakan di computer hilang akibat suplai daya tiba tiba terputus. 2.2.1 Baterrai Jenis baterrai UPS yang diguanakan adalah jenis lead acid (tegangan nominal 2,0 volt per sel) dan jenis nikel cadmium (tegangan nominal 1,2 volt per sel) baterrai ini mampu menjadi sumber tegangan cadangan selama 15 sampai 30 menit. 2.2.2 Rectifier (Penyearah) Rectifier ini berfungsi sebagai converter tegangan bolak balik AC ke tegangan searah DC ini diteruskan ke inverter. Selain untuk penyearah alat ini juga berfungsi sebagai muatan baterrai ( mencharger baterrai ). Pada umumnya charger harus punya kemampuan mengalirkan daya out put sebesar 125 130%, pengisian arus batterai sebesar 80% dari rating keluaran arus baterrai beban penuh dan dihindari mengisi muatan baterrai melebihi batas kemampuan arusnya kerena dapat mempercepat usangnya beterrai.
2.2.3 Inverter Inverter berfungsi mengubah arus DC dari baterei menjadi arus AC ke peralatan yang dilindungi UPS. Tegangan keluaran dari inverter ini akan di hubungkan dengan beban beban kritikal load. Tegangan yang keluar dari inverter di jaga kestabilan amplitude, frekuensi, distori yang rendah dan tidak ada transient. Kuliatas tegangan UPS di ukur dari keluaran tegangan inverter ini. 2.3 Rangkaian Elektronika Pada modul ini penulis akan membeberkan komponen komponen yang terdapat dalam rangkaian elektronika di alat pengaman rumah antara lain meliputi. 2.3.1 Transistor Transistor berasal dari kata transfor-resistor, yang artinya tahanan pengalih. Tahanan pengalih disini artinya transistor mampu untuk mengalihkan arus masukan bertahanan rendah ke keluaran tahanan tinggi.transistor bipolar biasanya digunakan sebagai saklar dan penguat pada rangkaian elektronika analog & digital. Ada tiga terminal yang dimiliki transistor. Tiga kaki yang berlainan tersebut membentuk transistor bipolar, yaitu emiter, basis, colector. Tugas emiter adalah mencatu pembawa muatan ke sambungan dengan basis, sedangkan colector tugasnya memindahkan pembawa muatan dari sambungannya dengan basis dan basis sebagai trigger atau pemicunya. Transistor terdiri dari logam semikonduktor dengan lapisan tipe N dan tipe P secara bergantian yang banyak terbuat dari bahan silikon. Kedua tipe itu dapat dikombinasikan menjadi transistor berjenis N-P-N atau P-N-P. Gambar 2.3 (a) Symbol Transistor NPN (b) Symbol Transistor PNP Pada rangkaian saklar/switching elektronik, sinyal inputnya berlogika 1 (5 volt) atau 0 (0 volt). Nilai ini selalu dipakai pada basis transistor dengan kolektor dan emiter sebagai
penghubung untuk pemutus (short) atau sebagai pembuka rangkaian (open circuit). Aturan / prosedur transistor adalah sebagai berikut : Pada transistor NPN, pemberian tegangan positif dari basis ke emitor menyebabkan kolektor dan emitor terhubung singkat sehingga transistor aktif (on). Dengan memberikan tegangan negatif atau 0 volt dari basis ke emitor menyebabkan hubungan kolektor dan emitor terbuka atau OFF sehingga dapat dikatakan transistor ini merupakan transistor active high. Pada transistor PNP, memberikan tegangan negatif dari basis ke emoitor akan menyalakan transistor (on), sedangkan pemberian tegangan positif dari basis ke emitor akan menyebabkan transistor mati (OFF) sehingga dapat dikatakan transistor active low. 2.3.2 Resistor Kalau kita perhatikan hampir semua rangkaian elektronika pada umumnya hampir semuanya menggunakan komponen yang disebut resistor atau tahanan listrik. Resistor pada dasarnya digunakan untuk membatasi jumlah arus yang mengalir dalam suatu rangkaian. Kemampuan resistor dalam menghambat arus listrik sangat beragam disesuaikan dengan nilai resistansi resistor tersebut. Resistor bersifat resistif dan umumnya terbuat dari bahan karbon. Satuan resistansi dari suatu resistor disebut Ohm atau dilambangkan dengan simbol Ω (Omega). R Gambar 2.4 Resistor & Symbolnya Cara membaca kode warna resistan dari gelang warna yang paling depan kearah gelang toleransi berwarna coklat, merah, emas, perak. Biasanya warna gelang toleransi ini pada badan resistor yang paling pojok atau juga pada lebar yang paling menonjol, sedangkan warna gelang yang pertama agak sedikit kedalam.
Dengan demikian pemakai sudah langsung mengetahui berapa toleransi dari resistor tersebut bila telah dapat menentukan mana gelang yang pertama selanjutnya adalah membaca nilai resistansinya. Jumlah gelang yang melingkar pada resistor umumnya sesuai dengan besar toleransinya. biasanya resistor dengan toleransi 5%, 10% atau 20% memiliki tiga gelang ( tidak termasuk gelang toleransi ). Besarnya nilai tahanan dari sebuah resistor ditentukan dengan kode warna sebagai berikut : Tabel 2.1 Standarrisasi Kode Warna Resistor. Warna Nilai Faktor pengali Toleransi Hitam 0 1 Coklat 1 10 1% Merah 2 100 2% Orange 3 1.000 Kuning 4 10.000 Hijau 5 100.000 Biru 6 10 6 Ungu 7 10 7 Abu-abu 8 10 8 Putih 9 10 9 Emas - 0,1 5% Perak - 0,01 10% Tanpa warna - - 20%
Sebagai contoh misalnya pada sebuah resistor tertera kode warna sebagai berikut : coklat hitam merah emas Coklat : 1 Hitam : 0 Merah : x 100 Emas : Toleransi 5% Nilai pelawan : 10 x 100 : 1000 Ohm, toleransi 5% : 1k Gambar 2.5 Contoh perhitungan kode warna Resistor juga mempunyai symbol symbol standar yang di gunakan di dunia. Table 2.2 Symbol Standar Variable Resistor di Dunia Resistor Tetap Standar AS dan Jepang Eropa
2.3.3 Kapasitor & Elco (Electrolytic Condenser) Kapasitor & Elco juga banyak di gunakan di rangkaian elektronika ke dua komponen yang biasa di sebut kondensator dan mempunyai dua kutub kaki berpolaritas positif dan negative. Kondensator atau sering disebut sebagai kapasitor adalah suatu alat yang dapat menyimpan energy di dalam medan listrik, dengan cara mengumpulkan ketidakseimbangan internal dari muatan listrik. Kondensator memiliki satuan yang disebut Farad dari nama Michael Faraday. Kondensator juga dikenal sebagai "kapasitor", namun kata "kondensator" masih dipakai hingga saat ini. Pertama disebut oleh Alessandro Volta seorang ilmuwan Italia pada tahun 1782 (dari bahasa Itali condensatore), berkenaan dengan kemampuan alat untuk menyimpan suatu muatan listrik yang tinggi dibanding komponen lainnya. Kebanyakan bahasa dan negara yang tidak menggunakan bahasa Inggris masih mengacu pada perkataan bahasa Italia "condensatore", bahasa Perancis condensateur, Indonesia dan Jerman Kondensator atau Spanyol Condensador. Kapasitansi dari kondensator dapat ditentukan dengan rumus: : Kapasitansi : permitivitas hampa : permitivitas relatif : luas pelat :jarak antar pelat/tebal
Fungsi kapasitor adalah untuk menyimpan arus/tegangan listrik. Untuk arus DC kapasitor berfungsi sebagai isulator/penahan arus listrik, sedangkan untuk arus AC berfungsi sebagai konduktor/melewatkan arus listrik. Dalam penerapannya kapasitor digunakan sebagai filter/penyaring,perata tegangan DC pada pengubah AC to DC,pembangkit gelombang ac atau oscilator dsb. Nilai kapasitor dapat kita lihat pada tulisan yang terdapat pada body-nya, misalnya 10 uf/16 V artinya nilai kapasitor itu adalah 10 mikro Farad dan bisa bekerja pada tegangan maximal 16 V,jika melebihi 16 V maka kapasitor ini akan mengalami 'break down' alias ko'it:-). Farad adalah satuan nilai kapasitas dari kapasitor Table 2.3 Satuan Kapasitansi Kondensator 1. Pikofarad ( ) 2. Nanofarad ( ) 3. Microfarad ( ) Kondensator elektrolit atau Electrolytic Condenser sering disingkat Elco adalah kondensator yang biasanya berbentuk tabung, mempunyai dua kutub kaki berpolaritas positif dan negative, ditandai oleh kaki yang panjang positif sedangkan yang pendek negative atau yang dekat tanda minus ( - ) adalah kaki negative. Nilai kapasitasnya dari 0,47 µf (mikrofarad) sampai ribuan mikrofarad dengan voltase kerja dari beberapa volt hingga ribuan volt. Gambar 2.6 Kapasitor & Elco (Electrolytic Condenser)
Fungsi Elco dalam rangkaian elektronika Rangkaian PCB adalah di gunakan untuk mengetahui nilai kapasitas sebuah elco dalam satuan uf (mikro Farad). Fungsi Elco sering di sebut sebagai kapasitor, di dalam kapasitor polar memiliki dua kutub yang berbeda pada tiap kakinya, yaitu kaki (-) dan kaki (+). Fungsi Elco juga dapat di bilang sebagai penyimpan arus listrik DC. Kapasitor elco di bagi menjadi 2 jenis, yaitu kapasitor polar dan kapasitor bipolar / non polar. Pembagian ini berdasarkan pada polaritas (kutub positif dan negatif) dari masing masing kapasitor. 2.3.4 Dioda dioda adalah komponen aktif bersaluran dua (diode termionik mungkin memiliki saluran ketiga sebagai pemanas). Dioda mempunyai dua electrode aktif dimana isyarat listrik dapat mengalir, dan kebanyakan diode digunakan karena karakteristik satu arah yang dimilikinya. Dioda juga merupakan piranti non-linier karena grafik arus terhadap tegangan bukan berupa garis lurus, hal ini karena adanya potensial penghalang (Potential Barrier). Ketika tegangan dioda lebih kecil dari tegangan penghambat tersebut maka arus dioda akan kecil, ketika tegangan dioda melebihi potensial penghalang arus dioda akan naik secara cepat. Gambar 2.7 Dioda Dioda Zener selalu dioperasikan pada daerah Breakdown Voltage, dan pemasangannya pada posisi reverse Bias, untuk memperoleh tegangan konstan sebesar tegangan pada Dioda Zener. Karena pemakaiannya yang demikian, maka Dioda Zener berfungsi untuk menjaga
kesetabilan tegangan Output dengan nilai yang konstan. Untuk itu Zener dipakai sebagai regulator Fixed Voltage. Gambar 2.8 Dioda zener & simbolnya LED adalah singkatan dari Light Emiting Dioda, merupakan komponen yang dapat mengeluarkan emisi cahaya. LED merupakan produk temuan lain setelah dioda. Strukturnya juga sama dengan dioda, tetapi belakangan ditemukan bahwa elektron yang menerjang sambungan P-N juga melepaskan energi berupa energi panas dan energi cahaya monokromatik., dan biasa digunakan sebagai indikator sebuah rangkaian. Pada bidang robotika LED sering digunakan sebagai sensor. Gambar 2.9 LED Light Emiting Dioda & Symbolnya
2.3.5 Relay Relay merupakan piranti kontrol untuk membuka dan menutup kontak. Ada dua macam relay, yaitu relay AC dan relay DC. Perbedaan antar relay AC dengan relay DC secara fisik adalah pada shadded pole untuk relay AC yang berguna untuk memperluas permukaan medan magnet sehingga jumlah fluks yang melintasi gap bertambah banyak. Relay AC lebih lambat daripada relay DC. Relay mempunyai kontak yang bermacam-macam bahan dan rating arus yang digunakan untuk arus yang lebih besar biasanya dengan tipe kontak single button atau bifurcated (mempunyai dua permukaan dengan tahanan kontak kecil) dan untuk arus yang kecil menggunakan tipe kontak crossbar. Kontak crossbar dibuat dari bahan emas untuk mengurangi oksidasi. Pada rangkaian tingkat rendah (milivolt atau mikrovolt). Kontak dengan bahan campuran logam mulia digunakan untuk mengurangi oksidasi. Gambar 2.10 Relay Pancaran bunga api kontak sering terjadi pada rangkaian DC daripada rangkaian AC. Karena pada rangkaian AC tegangan pada setiap setengah siklus dan akan mengantarkan pancaran yang terjadi pada bunga api ini akan menyebabkan terjadinya penyempitan pada permukaan kontak (metal). Untuk memperkecil pancaran bunga api ini digunakan rangkaian kapasitor atau rangkaian serial kapasitor dengan resistor. Dengan menggunakan rangkaian ini, bila kontaknya terbuka beban induktifnya akan membangkitkan tegangan yang menyebabkan hilangnya medan listrik. Tegangan ini mengakibatkan kapasitor terisi dan pancaran bunga api dapat dihindari. Penempatan resistor digunakan untuk membatasi arus pelepasan kapasitor bila kontak tertutup kembali. Untuk menentukan besarnya harga kapasitor (C) dan besarnya tahanan (R) adalah sebagai berikut :
C = I2/10 dan R = 0.1V/F Dimana : I : Besarnya arus listrik maksimum yang melalui kontak (Amp) V : Besarnya tegangan pada rangkaian terbuka (Volt) C : Besarnya kapasitas kapasitor (F) Masalah lain yang perlu diperhatikan dalam menginstalasi relay adalah menghilangkan medan magnet pada kumparan relay yang akan menimbulkan tegang transient. Untuk menghilangkan tegangan transient ini maka digunakan rangkaian dioda, zener dioda atau rangkaian RC. 2.4 Saklar atau Switch Saklar atau Switch adalah sebuah alat yang berfungsi sebagai penghubung dan pemutus arus listrik, dalam rangkaian elektronika dan rangkaian listrik. Saklar berfungsi untuk menghubungkan dan memutuskan arus listrik yang mengalir dari sumber tegangan menuju beban output atau dari sebuah sistem ke sistem yang lain. Saklar sebenarnya mempunyai banyak jenis dan typenya masing masing, tetapi Pada rangkaian pengaman rumah penulis menggunakan saklar DPDT ( Dua terminal sentral akan terhubung ke salah satu terminal pasangannya dan terputus ke terminal pasangannya yang lain dalam satu kondisi ) seperti pada gambar 2.11. JENIS SAKLAR (SWITCH) SIMBOL SAKLAR CONTOH FISIK Saklar DPDT Dua terminal sentral akan terhubung ke salah satu terminal pasangannya dan teputus ke terminal pasangannya yang lain dalam satu kondisi. Gambar 2.11 Jenis, Symbol dan bentuk fisik Saklar (Switch)
2.4.1 Fuse Fuse adalah alat pengaman listrik yang paling familiar dan sering kita jumpai. Fuse terpasang dalam rangkaiaan listrik tersusun secara seri, sehingga jika terlewati arus yang melebihi kapasitas kerja dari fuse tersebut, maka fuse akan terbakar dan memutus arus yang ada dalam rangkaian tersebut. Element penghantar yang terdapat dalam fuse tersebut akan meleleh, dan memutus rangkaian listrik tersebut sebagai pengaman terhadap komponenkomponen lain dalam rangkaian listrik tersebut dari bahaya arus besar. Jika kita dapati fuse yang telah terbakar atau putus elementnya kita harus menggantinya dengan yang baru, tetapi yang perlu diingat adalah penggantian dengan kapasitas arus yang sama. Jika menggantinya dengan kapasitas arus yang lebih besar maka akan berakibat kerusakan pada rangkaian listrik tersebut, karena jika ada arus lebih dalam rangkaian tersebut, fuse tidak akan putus atau terbakar. Gambar 2.12 Bentuk fisik Fuse