3.2 Menganalisis kerja sensor rangkaian elektronika

KOMPETENSI DASAR

3.2 Menganalisis kerja sensor rangkaian elektronika

3.2 Menguji komponen sensor rangkaian elektronika

B. KERJA SENSOR RANGKAIAN ELEKTRONIKA

Sensor adalah jenis transduser yang digunakan untuk mengubah besaran mekanis, magnetis, panas, sinar, dan kimia menjadi tegangan dan arus listrik. Sensor sering digunakan untuk pendeteksian pada saat melakukan pengukuran atau pengendalian. Sensor merupakan komponen yang digunakan untuk mendeteksi suatu besaran fisik menjadi besaran listrik sehingga dapat dianalisis dengan rangkaian listrik tertentu.

Hampir seluruh peralatan elektronik yang ada mempunyai sensor di dalamnya. Pada saat ini, sensor tersebut telah dibuat dengan ukuran sangat kecil sehingga memudahkan pemakaian dan menghemat energi. Sensor merupakan bagian dari transduser yang berfungsi untuk melakukan sensing dan menangkap perubahan energi eksternal yang akan masuk ke bagian input dari transduser, sehingga perubahan kapasitas energi yang ditangkap segera dikirim kepada bagian konvertor dari transduser untuk diubah menjadi energi listrik.

1. Jenis-Jenis Sensor

Beberapa jenis sensor yang banyak digunakan dalam rangkaian elektronika antara lain sensor cahaya, sensor suhu, dan sensor tekanan. 

a. Sensor Cahaya

Sensor cahaya terdiri atas fotovoltaic atau sel solar atau surya sell, fotokonduktif, dan fotodiode/dioda foto dan photo transistor. 

1) Fotovoltaic/sel solar/surya sell

Fotovoltaic adalah alat sensor sinar yang mengubah energi sinar langsung menjadi energi listrik. Sel solar silikon yang modern pada dasarnya adalah sambungan P-N dengan lapisan P yang transparan. Jika ada cahaya pada lapisan transparan P, maka akan menyebabkan gerakan elektron antara bagian P dan N. Jadi akan dihasilkan tegangan DC yang kecil sekitar 0,5 volt per sel pada sinar matahari penuh. Sel fotovoltaic adalah jenis transduser sinar.

2). Foto Konduktif

Sensor jenis fotokonduktif bekerja atas dasar perubahan nilai resistansi akibat intensitas cahaya matahari. Sel-sel fotokonduktif disebut juga tahanan cahaya (photo resistor) atau tahanan yang bergantung cahaya yang bisa dikenal dengan LDR (Light Dependent Resistor), digunakan secara luas dalam industri dan penerapan pengontrolan di laboratorium.

Energi yang jatuh pada sel fotokonduktif akan menyebabkan perubahan tahanan sel. Apabila intensitas cahaya yang mengenai permukaan alat ini kurang (gelap), maka nilai resistansi alat menjadi tinggi. Ketika permukaan terkena intensitas tinggi (terang), maka nilai tahanan turun pada tingkat harga yang rendah.

3) Fotodiode/Dioda Foto dan Photo Transistor

Fotodiode merupakan sambungan P-N yang dirancang untuk beroperasi bola dibiaskan dalam arah terbalik. Ketika energi cahaya dengan panjang gelombang yang benar jatuh pada sambungan fotodiode, maka arus akan mengalir di dalam sirkuit eksternal. Komponen ini dapat diidentikkan sebagai pembangkit arus, yang arusnya sebanding dengan intensitas cahaya.

Transistor foto juga dapat dibuat sebagai sensor cahaya dengan cara menggabungkan dioda foto dengan transistor foto dalam satu rangkaian. Karakteristik transistor foto yaitu hubungan arus, tegangan dan intensitas foto. Kombinasi dioda foto dan transistor dalam satu chip. Transistor sebagai penguat arus. Linieritas dan respons frekuensi tidak sebaik dioda foto.

b. Sensor Suhu

Terdapat lima jenis utama sensor suhu yang biasa digunakan, yaitu sebagai berikut.

1) Termokopel

Termokopel ditemukan oleh Thomas Johan Seeback pada tahun 1820. Tegangan keluaran emf (elektro motive force) termokopel masih sangat rendah, hanya beberapa milivolt. Termokopel terdiri dari sepasang penghantar yang berbeda jenisnya disambungkan dan dilebur bersama membentuk sambungan, di mana terdapat perbedaan yang timbul antara sambungan tersebut dengan sambungan referensi yang berfungsi sebagai pembanding.

Ujung sambungan merupakan ujung yang digunakan untuk pengukuran dan ujung yang satunya merupakan ujung yang dijadikan sambungan referensi. Apabila ujung yang dipersatukan tersebut dipanaskan maka pada kedua ujung yang terbuka akan terdapat beda potensial, yang besarnya sebanding dengan besarnya suhu pada ujung yang dipersatukan.

Perbedaan suhu antara sambungan pengukuran dengan sambungan referensi harus muncul agar termokopel dapat bekerja sesuai fungsinya. Termokopel berfungsi sebagai sensor suhu rendah dan tinggi, yang digunakan pada proses industri baja, gelas dan keramik yang lebih dari 30000°F.

Prinsip kerja dari termokopel adalah jika salah satu bagian pangkal lilitan dipanasi, maka pada kedua ujung penghantar yang lain akan muncul beda potensial (emf). Thermocouple bekerja berdasarkan perbedaan pengukuran. Oleh karena itu, jika untuk mengukur suhu yang tidak diketahui, terlebih dahulu harus diketahui tegangan pada suhu referensi. Bila termokopel digunakan untuk mengukur suhu yang tinggi maka akan muncul tegangan (suhu pengukuran). Tegangan sesungguhnya adalah selisih antara suhu referensi dan suhu pengukuran yang disebut net voltage (Vnet).

Termokopel sangat cocok digunakan dalam sistem deteksi dan sebagai alat ukur yang bekerja pada suhu yang relatif tinggi seperti pada ketel uap, pengecoran logam, dan lain-lain.

2) Detektor Suhu Tahanan/Resistant Temperature Detector (RTD)

Konsep utama dari yang mendasari pengukuran suhu dengan detektor suhu tahanan adalah tahanan listrik dari logam yang bervariasi sebanding dengan perubahan suhu. Kesebandingan variasi ini adalah presisi dan dapat diulang lagi sehingga memungkinkan pengukuran suhu yang konsisten melalui pendeteksian tahanan. Semakin tinggi suhu, resistansinya semakin besar. Bahan yang sering digunakan RTD adalah platina karena kelinearan, stabilitas dan reproduksibilitas. RTD dapat digunakan sebagai sensor suhu yang mempunyai ketelitian 0,03°C di bawah 500°C dan 0,1°C di atas 1000°C.

Prinsip kerja dari sensor suhu tahanan adalah bila RTD berada pada suhu kamar maka beda potensial jembatan adalah 0 Volt. Keadaan ini disebut keadaan setimbang. Bila suhu RTD berubah maka resistansinya juga berubah sehingga jembatan tidak dalam kondisi setimbang. Hal ini menyebabkan adanya beda potensial antara titik A dan titik B. Begitu juga yang berlaku pada keluaran penguat diferensial.

RTD memiliki keunggulan dibanding termokopel di antaranya sebagai berikut.

a) Tidak diperlukan suhu referensi

b) Sensitivitasnya cukup tinggi, yaitu dapat dilakukan dengan cara memperpanjang kawat yang digunakan dan memperbesar tegangan eksitasi.

c) Tegangan output yang dihasilkan 500 kali lebih besar dari termokopel. d) Dapat digunakan kawat penghantar yang lebih panjang karena noise tidak jadi masalah

e) Tegangan keluaran yang tinggi, maka bagian elektronik pengolah sinyal menjadi sederhana dan murah.

Aplikasi penggunaan sensor RTD dalam kegiatan industri adalah untuk pengontrolan temperatur di line fuel gas (pipa berbahan bakar gas). Hal ini diperlukan pengontrolan (pengendalian) temperatur agar suhu yang ada pada pipa tersebut selalu dalam keadaan stabil. 3) Termistor (Thermally Sensitive Resistor)

Termistor adalah resistor yang peka terhadap panas yang biasanya mempunyai koefisien suhu negatif. Karena suhu meningkat, maka tahanannya akan menurun dan sebaliknya. Termistor sangat peka (perubahan tahanan sebesar 5% per °C) oleh karena itu mampu mendeteksi perubahan kecil di dalam suhu.

Termistor berfungsi untuk mengubah suhu menjadi resistansi/ hambatan listrik yang berbanding terbalik dengan perubahan suhu. Semakin tinggi suhu, semakin kecil resistansi. Termistor dibentuk dari bahan oksida logam campuran, kromium, kobalt, tembaga, besi atau nikel.

a) Positive Temperature Coefficient (PTC)

PTC disebut juga termistor. PTC adalah koefisien suhu positif kelompok resistansi yang variabel yang bergantung pada suhu positif. Signal output yang dihasilkan oleh PTC adalah resistansi atau tahanan. Nilai tahanan besar bila koefisien suhu naik/semakin panas dan nilai tahanan kecil bila koefisien suhu turun. Kegunaan dari PTC termistor ini untuk over current protection. b) Negative Temperature Coefficient (NTC)

NTC disebut juga termistor. NTC akan berubah nilai resistansinya apabila terjadi perubahan suhu. Nilai tahanan NTC kecil bila koefisien suhu naik/semakin panas dan nilai tahanan besar bila koefisien suhu turun. Fungsi dari termistor adalah pelindung rangkaian dari lonjakan arus yang tiba-tiba tinggi. Fungsi utama dari NTC termistor ini khususnya untuk melindungi komponen dioda jembatan dan kapasitor.

4) Sensor Suhu Rangkaian Terpadu (IC)

Sensor suhu dengan IC ini menggunakan chip silikon untuk elemen yang merasakan (sensor). Memiliki konfigurasi output tegangan dan arus. Meskipun terbatas dalam rentang suhu (di bawah 200 °C), tetapi menghasilkan output yang sangat linear di atas rentang kerja. IC yang sering digunakan adalah IC LM35. IC LM35 berfungsi untuk mengubah suhu menjadi tegangan tertentu yang sesuai dengan perubahan suhu.

Prinsip kerja IC LM35 adalah tegangan keluaran rangkaian bertambah 10 mV/OC. Dengan memberikan tegangan referensi negatif (-Vs) pada rangkaian, sensor ini mampu bekerja pada rentang suhu 550C – 1500C. Tegangan keluaran dapat diatur 0 V pada suhu 00C dan ketelitian sensor ini adalah 10C. 

5) Termostat

Termostat terbuat dari sebuah jalur bimetal, yaitu 2 buah logam yang berlainan dan mempunyai koefisien panas yang berbeda serta diletakkan menjadi satu jalur. Pada ujung-ujung dari logam tersebut terdapat sebuah kontak dengan fungsi untuk membuka dan menutup jalannya arus yang mengalir pada rangkaian.

Salah satu aplikasi dari penggunaan termostat ini adalah pada setrika. Termostat akan mengatur panas pada setrika dengan cara apabila elemen tersebut dihubungkan dengan sumber tegangan, maka elemen panasnya mulai memanas. Kontak-kontak sakelarnya berada di ujung dari lempengan termostat menjadi panas dan logam-logamnya memuai dengan kecepatan yang berbeda maka salah satu logam akan melengkung sehingga akan membuka sakelar kontak. Akibatnya rangkaian listriknya menjadi terbuka dan setrikanya mulai dingin.

Saat setrika menjadi dingin lempengan itu kembali ke posisi yang normal. Logam-logamnya akan kembali ke posisinya yang normal dengan demikian akan menutup sakelar sehingga rangkaian akan tertutup kembali. Proses membuka dan menutup ini akan berlangsung secara terus-menerus selama setrika ini dipakai.

C. Sensor Tekanan

Prinsip kerja dari sensor tekanan adalah mengubah tegangan mekanis menjadi sinyal listrik. Ukuran ketegangan didasarkan pada prinsip bahwa tahanan pengantar berubah dengan panjang dan luas penampang. Daya yang diberikan pada kawat menyebabkan kawat bengkok sehingga menyebabkan ukuran kawat berubah dan mengubah tahanannya. Sensor tekanan berfungsi untuk mendeteksi tekanan pada suatu bidang atau tekanan dalam pipa atau tabung. Sensor tekanan terdapat beberapa jenis sesuai dengan media yang akan diukur, di antaranya sensor tekanan air, udara, oli, dan steam atau uap panas.

Cara kerja sensor tekanan yaitu ketika lubang masukan mendapat tekanan hingga melebihi batas pengaturan atau setting maka sensor tekanan akan bekerja dan kontak di dalamnya akan bekerja dari on ke off. Salah satu pemakaian sensor tekanan adalah pada mesin pompa air di rumah untuk menghidupkan dan mematikan pompa, atau pada mesin kompresor yang terdapat pada tukang tambal ban apabila udara dari kompresor sudah penuh maka kompresor akan mati dengan sendirinya.

Adapun peralatan yang memanfaatkan prinsip kerja sensor tekanan yaitu Tabung Bourdon, dan LVDT (Linear Variabel differential Transformer). 

1) Tabung Bourdon

Perubahan tekanan pada kantung menyebabkan perubahan posisi inti kumparan sehingga mengakibatkan perubahan induksi magnetik pada kumparan. Kumparan yang digunakan adalah kumparan CT (center tap), dengan demikian apabila inti mengalami pergeseran maka induktansi pada salah satu kumparan bertambah sementara induktansi pada kumparan yang lain berkurang. Selanjutnya, pengubah sinyal berfungsi untuk mengubah induktansi magnetik yang timbul pada kumparan menjadi tegangan yang sebanding.

2) LVDT (Linear Variabel Differential Transformer)

Selain digunakan sebagai sensor tekanan LVDT juga diaplikasikan untuk sensor perubahan posisi dan untuk mengubah induksi magnetik LVDT menjadi listrik.

Apabila tekanan dalam tabung bertambah, maka tabung akan bergerak menyusut dan bila tekanan pada tabung berkurang, maka tabung akan bergerak mengembang. Pergerakan tabung tersebut akan membuat inti LVDT akan tertekan dan tertarik ujung tabung sehingga LVDT akan menghasilkan nilai induktansi magnetik.

d. Sensor Gaya

Salah satu aplikasi sensor gaya yaitu pada bonded strain gauge. Susunan kawat tahanan di dalamnya berliku-liku sehingga memudahkan pendeteksian terhadap gaya tekanan yang tegak lurus terhadap arah panjang lipatan kawat, karena tekanan akan menarik kabel sehingga meregang. Akibatnya kawat tahanan akan mengalami perubahan fisik yang panjang dan diameternya menjadi berubah. Dengan meregangnya strain gauge, maka terjadi perubahan resistansi kawat.

Berdasarkan prinsip kerjanya strain gauge banyak digunakan pada: 

 1) Detektor ban berjalan,

 2) Detektor berat pada proses industri

 3) Pengukuran regangan jembatan, dan

 4) Pengukuran regangan belt conveyor. 

e Sensor Ultrasonik (Sensor Jarak Tipe DT-Sense Usir)

Sensor ultrasonik bekerja berdasarkan prinsip pantulan gelombang suara, di mana sensor ini menghasilkan gelombang suara yang kemudian menangkapnya kembali dengan perbedaan waktu sebagai dasar pengindraannya. Perbedaan waktu antara gelombang suara dipancarkan dengan ditangkapnya kembali gelombang suara tersebut adalah berbanding lurus dengan jarak atau tinggi objek yang memantulkannya. Jenis objek yang dapat diindra di antaranya objek padat, cair, butiran maupun tekstil.

f. Proximity Switch

Proximity switch merupakan sensor yang mendeteksi keberadaan suatu objek tanpa melakukan kontak fisik. Sensor proximity adalah sensor untuk mendeteksi ada atau tidaknya suatu objek. Cara kerja sensor proximit adalah pada saat bagian depan sensor tersebut terkena benda logam misalnya besi dengan jarak tertentu sesuai dengan tipe dari sensor tersebut maka sensor akan bekerja dan kontak yang ada di dalamnya akan hubung.

Sensor proximity dapat diaplikasikan pada kondisi pengindraan untuk objek yang dianggap terlalu kecil atau lunak untuk menggerakkan suatu mekanis sakelar. Dalam dunia robotika, sensor proximity digunakan untuk mendeteksi ada atau tidaknya suatu garis pembimbing gerak robot atau lebih dikenal dengan istilah Line Follower Robot. Selain itu juga digunakan untuk mendeteksi penghalang berupa dinding atau penghalang lain pada robot.

Jenis sensor proximity switch terdapat dua macam, yaitu Inductive Proximity sensor dan Capacitive Proximity Sensor. Inductive proximity sensor adalah peralatan sensor yang diaktifkan oleh objek logam. Capacitive proximity sensor adalah sensor yang diaktifkan oleh material konduktif ataupun non-konduktif, seperti kayu, plastik, cairan, gula, tepung, ataupun gandum.

g. Photo Sensor

Photo sensor atau sensor cahaya yang berfungsi untuk mendeteksi benda padat yang melintas di depannya baik itu kayu, logam, karet dan lain-lain. Cara kerja sensor cahaya yaitu ketika cahaya dari sensor tertutup oleh suatu benda padat maka sensor tersebut akan bekerja sehingga kontak yang ada padanya akan terhubung. Sensor cahaya umumnya digunakan untuk mendeteksi material masuk atau keluar pada suatu mesin tertentu.

h. Sensor Magnet/Reed Switch

Sensor magnet disebut juga relai buluh, adalah alat yang dipengaruhi oleh medan magnet dan akan memberikan perubahan kondisi pada keluaran. Seperti layaknya sakelar dua kondisi (on/off) yang digerakkan oleh adanya medan magnet di sekitarnya. Cara kerja dari sensor magnet adalah ketika ada medan magnet mengenai bagian depan sensor, maka sensor akan bekerja sehingga menghubungkan kontaknya, medan magnet ini terdapat dari bagian dalam silinder bagian atas dan bawah, kemudian posisi sensor menempel pada badan silinder pada saat silinder bergerak naik atau turun maka akan muncul medan magnet yang mengenai reed switch.

i. Sensor Putaran/Velocity (RPM Sensor)

Sensor putaran dikenal dengan sebutan tachometer. Tachometer biasanya merupakan magnet permanen DC generator kecil. Jika generator berotasi, menghasilkan tegangan DC yang proporsional langsung terhadap kecepatan. Tachometer sering kali dipasang ke motor untuk mengindikasikan putaran sebagai masukan pengendali (controller).

Telah dikembangkan pengukur kecepatan sistem digital menggunakan piringan bercelah yang disambung para poros motor. Putaran celah yang disensor menggunakan sensor cahaya menghasilkan pulsa yang dapat diproses lebih lanjut oleh pengolah digital.

2. Menguji/Mengukur Sensor Menggunakan Multimeter

Mengukur sensor menggunakan multimeter dapat dilakukan dengan memilih fungsi ohmmeter dari multimeter. Prinsip kerja beberapa sensor elektronika adalah memberikan perubahan resistansi dari perubahan besaran fisik yang diterima oleh sensor tersebut. Oleh karena itu untuk mengetahui kondisi sensor elektronika dapat dilakukan menggunakan fungsi ohrometer pada multimeter. Adapun sensor yang diukur menggunakan multimeter di antaranya sebagai berikut.

a. Mengukur Sensor Cahaya LDR (Light Dependent Resistor)

LDR merupakan sensor elektronik yang berfungsi mengubah besaran cahaya yang diterima menjadi perubahan nilai resistansi pada kedua pin LDR. Light Dependence Resistor (LDR) adalah sebuah resistor yang berfungsi sebagai input transducer (sensor) di mana nilai satuan Ohm-nya dipengaruhi oleh cahaya yang jatuh di permukaan LDR tersebut. Mengukur nilai resistansi dari LDR dengan menggunakan Multimeter adalah dengan menentukan saklar batas ukur multimeter pada posisi 22, batas ukur (range) berada pada posisi x1, x10 atau k12, sesuai kebutuhan.

Adapun langkah-langkah dalam pengukuran LDR menggunakan multimeter sebagai berikut.

1) Masukkan kabel penyidik (probes) warna merah ke lubang Kabel penyidik yang bertanda positif (+), kabel penyidik (probes) warna hitam ke lubang kabel penyidik yang bertanda negatif (-).

2) Jika diperlukan, menggunakan sekrup pengatur posisi jarum (preset), atur posisi jarum pada papan skala sehingga berada pada posisi angka nol.

3) Atur sakelar jangkauan ukur pada posisi 22.

4) Batas ukur (range) pada posisi x1, x10, atau kl2, sesuai kebutuhan. 5) Ujung dari kedua kabel penyidik (probes) dipertemukan.

6. Gunakan tombol pengatur posisi jarum pada angka nol (zero adjustment), atur posisi jarum pada papan skala hingga menunjukkan angka nol.

7) Seperti pada gambar di bawah, letakkan kedua ujung kabel penyidik (probes) secara sembarang (acak) pada kedua kaki LDR.

8) Menggunakan lampu senter (flashlight) sinari permukaan LDR, jarum bergerak ke kanan, menunjukkan nilai satuan Ohm yang kecil, artinya LDR masih baik dan dapat digunakan.

9) Tutuplah permukaan LDR, jarum pada papan skala bergerak ke kiri, artinya LDR masih dapat digunakan.

Sebagai acuan, di tempat gelap, nilai satuan Ohm dari LDR = 1MS2 (1 Mega Ohm/1000.00092). Di tempat terang nilai satuan Ohm dari LDR 10012. Dengan melakukan pengukuran tersebut maka diketahui kondisi LDR, LDR dinyatakan rusak apabila sudah tidak dapat merespons perubahan cahaya.

b. Mengukur Sensor Suhu Termistor

Termistor (thermally sensitive resistor) adalah sebuah resistor yang dirancang khusus untuk peka terhadap suhu. Termistor terbagi dalam dua jenis yaitu Negative Temperature Coefficient Resistor (NTCR) dan Positive Temperature Coefficient Resistor (PTCR).

Pada NTCR jika mendapat panas, nilai satuan Ohm berkurang, misal pada suhu 250°C nilai satuan Ohm = 47 kilo Ohm (47k12). Pada PTCR jika mendapat panas, nilai satuan Ohm bertambah. Adapun langkah-langkah dalam pengukuran termistor menggunakan multimeter sebagai berikut.

1) Masukkan kabel penyidik (probes) warna merah ke lubang kabel penyidik yang bertanda positif (+), kabel penyidik (probes) warna hitam ke lubang kabel penyidik yang bertanda negatif (-).

2) Jika diperlukan, menggunakan sekrup pengatur posisi jarum (preset), atur posisi jarum pada papan skala sehingga berada pada posisi angka nol.

3) Atur sakelar jangkauan ukur pada posisi OHM. 

4) Batas ukur (range) pada posisi x1, x10, atau k 2 sesuai kebutuhan. 

5) Ujung dari kedua kabel penyidik (probes) dipertemukan. 

6) Menggunakan tombol pengatur posisi jarum pada angka nol ( zero adjustment), atur posisi jarum pada papan skala hingga menunjukkan angka nol.

7) Seperti pada gambar di bawah, letakkan kedua ujung kabel penyidik (probes) secara sembarang (acak) pada kedua kaki termistor (NTCR atau PTCR).

8) Pada pengukuran NTCR: dengan korek dipanasi NTCR, jarum pada papan skala menunjukkan nilai satuan Ohm yang kecil, artinya NTCR masih baik dan dapat digunakan.

9) Pada pengukuran PTCR: dengan korek dipanasi PTCR, jarum pada papan skala menunjukkan nilai satuan Ohm yang besar, artinya PTCR masih baik dan dapat digunakan.

Dengan fungsi OHM pada multimeter dapat diketahui kondisi sensor elektronika, karena pada dasarnya setiap sensor yang memberikan perubahan resistansi dapat diketahhui kondisi kelayakannya dengan mengukur sensor tersebut dengan multimeter.

MENGASOSIASIKAN

Uraikan kembali informasi yang anda peroleh tentang menguji sensor menggunakan multimeter.