Daftar Isi (Table Of Content)
A. Tujuan dan Capaian Pembelajaran/Kompetensi Akhir
1. Mahasiswa mampu memahami serta menjelaskan Sensor dan Transduser (Gelombang Elektromagnetik, Sensor dan Transduser Suara)
2. Mahasiswa mampu merancang sistem dengan pengontrol/pengendali apa saja (PLC, Mikrokontroller, Mikroprosesor) yang memanfaatkan input Sensor dan Transduser (Gelombang Elektromagnetik, Sensor dan Transduser Suara)
5.5 Sensor dan Transduser Gelombang Elektromagnetik (Transduser Output Radiasi)
Antena dapat digunakan baik untuk pengiriman atau untuk penerimaan, meskipun sifatnya untuk satu tugas mungkin tidak begitu menguntungkan untuk tugas lainnya (Sinclair, 2001).
Antena bekerja sebagai transduser yang mengubah energi listrik yang merambat dalam kabel menjadi gelombang elektromagnetik yang dipancarkan ke udara dan/atau sebaliknya.
Antena pemancar digunakan untuk mengubah energi listrik yang merambat dalam kabel menjadi gelombang elektromagnetik yang dipancarkan ke udara.
Antena penerima digunakan sebagai pengganti untuk mengubah gelombang elektromagnetik di udara menjadi gelombang elektromagnetik yang merambat dalam kabel/saluran transmisi.
Selain sebagai saluran transmisi, antena juga dapat digunakan sebagai perangkat pemanen energi (energy harversting).
Antena berfungsi sebagai transduser yang mengubah energi dalam bentuk gelombang elektromagnetik menjadi energi listrik (Gunathilaka et al., 2012).
5.5.1 Lampu pijar
Lampu pijar merupakan transduser yang sering kita jumpai dalam kehidupan sehari-hari. Bola lampu pijar mengubah energi listrik menjadi cahaya dan panas.
Secara khusus, bola lampu pijar terdiri dari ruang vakum (bola kaca), sebuah filamen (biasanya terbuat dari tungsten), dan terminal positif dan negatif.
Terminal negatif adalah bagian yang berbentuk sekrup ke soket untuk mencegah sengatan listrik. Sumber tegangan ditempatkan di terminal positif dan negatif yang menyebabkan arus mengalir melalui filamen.
Karena hambatan listrik dari filamen tungsten, filamen memanas dan mengeluarkan cahaya (SCME, 2014).
Gambar 5.30 Lampu Pijar
5.5.1 Light Emitting Diode (LED)
LED merupakan transduser output yang mengubah energi listrik menjadi energi cahaya. LED pada dasarnya adalah PN junction diode.
LED adalah dioda semikonduktor di mana penurunan tegangan untuk konduksi relatif besar, ketika sebuah elektron bertemu lubang di persimpangan seperti itu.
Keduanya menggabungkan dan melepaskan energi yang dapat dipancarkan jika persimpangan transparan. sebagian besar leds yang digunakan adalah konstruksi gallium phosphide atau gallium arsenide phosphide (Sinclair, 2001).
Gambar 5.31 LED
LED menghasilkan lebih banyak cahaya per watt daripada bola lampu pijar; ini berguna dalam perangkat bertenaga baterai atau hemat energi.
LED dapat memancarkan cahaya dari warna yang diinginkan tanpa menggunakan filter warna yang dibutuhkan metode pencahayaan tradisional. Ini lebih efisien dan dapat menurunkan biaya awal (Peddinti, no date).
5.5.3 Layar CRT
CRT adalah tampilan cathodoluminescent di mana cahaya dihasilkan oleh bahan luminescent yang menarik dengan elektron energetik.
Pistol elektron yang terletak di bagian belakang perangkat ini memancarkan sinar energik yang mengarah ke layar fosfor di tempat kecil yang dikemudikan oleh koil defleksi magnetik.
Akhirnya, fosfor cathodoluminescent mengubah energi elektron menjadi cahaya.
Arus sinar dimodulasi untuk menyebabkan kecerahan yang bervariasi. Sinar elektron bergerak di daerah vakum yang terkandung oleh bola kaca yang terbuat dari kaca tebal untuk mengurangi tekanan mekanis.
Elektron dihasilkan oleh pemanas resistif dengan suhu sekitar 600° C.
Komponen utama CRT yang secara nyata mempengaruhi kualitas gambarnya adalah struktur emisif, yang terdiri dari semua elemen yang bertanggung jawab untuk pembangkitan dan pengiriman cahaya.
Struktur emisif sangat bervariasi sesuai dengan jenis CRT. Secara umum struktur emisif terdiri dari lapisan konduktif (biasanya mantel aluminium tipis), fosfor cathodoluminescent, lapisan matriks hitam, pelat muka kaca, dan antireflektif.
Lapisan submikrometer aluminium yang halus, kontinu, dan sangat reflektif dilapis di atas fosfor untuk mengalirkan arus elektron yang masuk dan memaksimalkan keluaran cahaya ke arah penonton (Badano, 2003).
Gambar 5.32 Layar CRT
5.5.4 LCD
Liquid Crystal Display (LCD) merupakan tampilan elektronik yang terdiri dari segmen-segmen kristal cair yang reflektivitasnya bervariasi sesuai dengan tegangan yang diberikan padanya.
LCD terdiri dari set elektroda dengan bahan kristal cair, dan dengan satu dinding belakang yang transparan sebuah back-plate reflektif.
LCD berfungsi sebagai antarmuka pengguna dalam berbagai aplikasi termasuk notebook, monitor desktop, ponsel dan elektronik konsumen dan bisnis lainnya.
Teknologi LCD dengan cepat menggantikan tabung sinar katoda tradisional (CRT) sebagai pilihan yang lebih efektif. LCD lebih ringan dan sederhana memungkinkan berbagai aplikasi baru.
LCD juga mengkonsumsi lebih sedikit energi dan tidak rentan terhadap panas berlebih.
Selain itu pancaran radiasi elektromagnetik yang menyebabkan efek buruk pada materi biologis juga lebih rendah (Ylä-mella, Pongrácz and Keiski, 2014).
Gambar 5.33 Layar LCD
5.6 Sensor dan Transduser Suara
5.6.1 Mikrofon Karbon
Konsep dasar pada mikrofon karbon adalah ketika butiran karbon berikan tekanan (dikompresi) maka resistensinya berkurang.
Hal itu terjadi karena butiran karbon yang berhubungan (bersentuhan) satu sama lain dengan lebih baik ketika didorong bersama oleh tekanan yang lebih tinggi.
Mikrofon karbon terdiri dari butiran karbon yang terkandung di dalam wadah kecil yang ditutupi dengan diafragma logam tipis.
Baterai diperlukan untuk mengalikan arus listrik melalui mikrofon. Ketika gelombang suara menghantam diafragma mikrofon karbon, maka diafragma tersebut bergetar, memberikan tekanan yang bervariasi ke karbon.
Level tekanan yang bervariasi ini diterjemahkan menjadi variasi level resistensi yang mengakibatkan arus yang melewati mikrofon ikut bervariasi.
Variasi arus dapat dilewatkan melalui transformator atau kapasitor untuk kemudian dikuatkan. Kelemahan mikrofon karbon yaitu respons frekuensi terbatas pada kisaran sempit.
Selain itu mikrofon karbon juga mengeluarkan suara berderak, yang dapat dihilangkan dengan mengguncangnya atau memberikan ketukan kecil untuk mengguncang butiran karbon dan memungkinkannya untuk menghasilkan arus yang lebih stabil.
Mikrofon karbon digunakan pada masa-masa awal penemuan telepon (Electronic Notes, no date a).
Gambar 5.34 Mikrofon Karbon
5.6.2 Mikrofon Reluktansi Variabel (Moving Iron)
Mikrofon reluktansi variabel (moving iron) menggunakan magnet yang kuat yang berisi armature besi lunak di sirkuit magnetiknya, dengan armature yang terpasang pada diafragma.
Reluktansi magnetik pada rangkaian berubah ketika armature bergerak, sehingga mengubah total fluks magnetik dalam sirkuit magnetik.
Lilitan kumparan di sekitar sirkuit magnetik pada titik mana pun akan menghasilkan EMF yang sebanding dengan setiap perubahan fluks magnet.
Gelombang listrik dari bergeser fase 90° dengan amplitudo gelombang suara, dan sebanding dengan percepatan diafragma.
Linieritas konversi cukup baik untuk pergerakan armatur amplitudo kecil, tetapi sangat buruk untuk amplitudo besar.
Level output maksimum yang bisa digunakan dari mikrofon reluktansi variabel mencapai 50 mV.
Sirkuit magnetik yang merupakan fitur utama mikrofon jenis ini juga membuat instrumen lebih berat daripada beberapa jenis lainnya (Electronic Notes, no date b).
Gambar 5.35 Mikrofon Moving Iron
5.6.3 Mikrofon Koil Gerak (Moving Coil)
Mikrofon koil gerak atau lebih sering disebut mikrofon dinamis adalah salah satu bentuk mikrofon yang berdiri bebas . Mikrofon kumparan bergerak menggunakan prinsip induksi elektromagnetik.
Ketika variasi tekanan suara memindahkan kumparan yang ditempatkan di medan magnet, ada perubahan fluks magnet yang melewati kumparan, oleh karena itu GGL diinduksi dalam kumparan dan dengan demikian GGL membentuk output dari mikrofon.
Komponen utama dari mikrofon koil bergerak adalah magnet, diafragma dan koil. Magnet adalah magnet permanen dengan kutub selatan sebagai bagian kutub pusat dan kutub utara sebagai bagian kutub periferal.
Jenis magnet ini memberikan medan magnet yang seragam di celah antara potongan kutub. Diafragma terbuat dari bahan nonmagnetik dan ringan.
Dipasang pada badan magnet dengan bantuan pegas gulungan pada lembaran papan silinder yang terpasang pada diafragma. Koil adalah kawat enamel berlapis tunggal.
Penutup pelindung digunakan untuk menyelamatkan diafragma dan rakitan gulungan. Partisi kain sutra digunakan untuk memisahkan ruang atas dari ruang bawah.
Sebuah tabung kecil digunakan di ruang bawah untuk memberikan akses ke atmosfer bebas. Mikrofon dinamis memiliki banyak keunggulan yaitu sangat kokoh dan mampu menangani tingkat suara yang tinggi tanpa distorsi sehingga berguna untuk instrumen musik tertentu.
Respon dari mikrofon dinamis memiliki puncak respon sekitar 2.5kHz atau lebih.
Gambar 5.36 Mikrofon Moving Coil
Ketika gelombang suara menyentuh diafragma koil bergerak masuk dan keluar di medan magnet. Gerakan ini mengubah fluks melalui koil yang menghasilkan GGL yang diproduksi di koil karena induksi elektromagnetik.
Nilai GGL tergantung pada tingkat perubahan fluks dan karenanya pada gerakan koil. Perpindahan koil tergantung pada tekanan gelombang suara pada diafragma.
Dengan demikian mikrofon ini menginduksi lebih banyak tegangan. Tegangan yang diinduksi adalah replika dari variasi tekanan suara.
5.6.4 Mikrofon Pita (Ribbon Microfon)
Mikrofon pita bekerja pada prinsip induksi elektromagnetik. Mikrofon pita memiliki respon frekuensi tinggi dengan menggunakan pita aluminium ringan menggantikan penggunaan diafragma dan unit koil. Di sini pita berfungsi sebagai konduktor dan juga diafragma.
Bagian utama dari mikrofon pita adalah magnet permanen dan pita konduktor.
Magnet permanen adalah magnet sepatu kuda yang dirancang khusus sehingga memberikan medan magnet yang kuat.
Pita adalah kertas aluminium ringan yang bergelombang di sudut kanan panjangnya untuk memberikan area permukaan yang lebih besar.
Ketika pita ditempatkan di medan magnet dibuat untuk bergerak pada sudut kanan ke medan magnet oleh kekuatan tekanan suara ada perubahan fluks magnet melalui konduktor pita.
Karena perubahan fluks magnet ini, sebuah GGL diinduksi melintasi pita.
GGL ini sebanding dengan laju perubahan fluks yang sebanding dengan kekuatan gelombang suara yang memukul pita. Ini juga disebut mikrofon gradien tekanan atau Mikrofon Kecepatan.
Gambar 5.37 Mikrofon Pita
5.6.5 Mikrofon Kapasitor
Diafragma dari mikrofon kapasitor bertindak sebagai satu pelat kondensor. Pelat lain yang disebut pelat belakang merupakan pelat tetap.
Ketika tekanan suara mengenai diafragma, kapasitansi meningkat dan ketika diafragma bergerak keluar kapasitansi berkurang. Perubahan kapasitansi menghasilkan perubahan voltase.
Tegangan DC tetap sekitar 200V diterapkan antara pelat belakang dan pelat bergerak. Diafragma berada dalam kondisi memanjang karena tetap melekat pada perlengkapan pendukung dengan bantuan spider springs. Kedua pelat tersebut saling terisolasi.
Ketika gelombang suara mengenai mikrofon, diafragma bergerak. Selama gelombang kompresi itu bergerak ke arah plat kembali tetap dan meningkatkan kapasitansi.
Selama gelombang mereda, diafragma bergerak menjauh dari pelat belakang dan mengurangi kapasitansi. Perubahan kapasitansi mengubah tegangan DC melintasi pelat kapasitor.
Mikrofon kapasitor digunakan sebagai mikrofon standar untuk mengkalibrasi mikrofon lain, pengukur level suara, dan dalam rekaman profesional yang ketepatan tinggi.
5.6.6 Mikrofon Piezoelektri
ikrofon piezoelektrik digunakan untuk aplikasi shock dan pengukuran suara dengan tekanan ledakan. Jenis sensor mikrofon ini tahan lama dapat mengukur tinggi amplitudo (desibel) rentang tekanan.
Kerugian jenis sensor ini adalah tingkat kebisingan yang tinggi dapat diukur oleh system sensor ini (Syam, 2013). Gambar 4.38. mendeskripsikan struktur microphone piezoelectric.
Gambar 5.38 Mikrofon Piezoelektrik (Sumber: Dasar-Dasar Teknik Sensor, 2013)
Transduser piezoelektrik memiliki keunggulan dibandingkan semua jenis lain yang disebutkan dalam bab ini tidak terbatas untuk digunakan di udara.
Transduser piezoelektrik dapat diikat ke padatan atau direndam dalam cairan non-konduktor untuk mengambil sinyal suara di salah satu pembawa ini.
Selain itu, transduser piezoelektrik dapat digunakan dengan mudah pada frekuensi ultrasonik, dengan beberapa jenis yang dapat digunakan di wilayah MHz tinggi.
Semua transduser piezoelektrik membutuhkan bahan kristalin di mana ion-ion kristal dipindahkan secara asimetris ketika kristal diregangkan (Sinclair, 2001).
B. Tugas
1. Buatlah sebuah rancangan sistem dengan pengontrol/pengendali apa saja (PLC, Mikrokontroller, Mikroprosesor) yang memanfaatkan input Sensor dan Transduser Gelombang Elektromagnetik.
2. Buatlah sebuah rancangan sistem dengan pengontrol/pengendali apa saja (PLC, Mikrokontroller, Mikroprosesor) yang memanfaatkan input Sensor dan Transduser Suara.
C. Daftar Pustaka
1. Badano, A. (2003) ‘Principles of Cathode-Ray Tube and Liquid Crystal Display Devices’, Syllabus: a categorical course in diagnostic radiology …, 20857(January 2003), pp. 91–102. Available at:
http://www.engin.umich.edu/class/ners580/nersbioe_481/lectures/pdfs/RSNA2 003_DR_PrincCRT+LCD_Badano.pdf.
2. Columbia University (no date) Thermocouples and Pyroelectric Detectors.
Available at:
http://www.columbia.edu/itc/chemistry/ARCHIVE/chemc1500TL/experiments/session3/thermocouple/thermocouple.html (Accessed: 12 September 2019).
3. Electronic Notes (no date a) Carbon Microphone.
Available at:
https://www.electronics-notes.com/articles/audiovideo/microphones/electretmicrophone.php (Accessed: 18 October 2019).
4. Electronic Notes (no date b) Dynamic Microphone Moving Coil Microphone Electronics Notes.
Available at: https://www.electronicsnotes.com/articles/audiovideo/microphones/moving-coil-dynamicmicrophone.php (Accessed: 22 October 2019).
5. Endress and Hauser (2017) Flow measuring technology for liquids , gases and steam. Endress and Hauser. Available at: www.endress.com.
6. Figaro Engineering Inc. (2018) Operating principle -Catalytic-type gas sensor.
Available at: https://www.figaro.co.jp/en/technicalinfo/principle/catalytictype.html (Accessed: 3 October 2019).
7. Gunathilaka, W. M. D. R. et al. (2012) ‘Ambient Radio Frequency energy harvesting’, 2012 IEEE 7th International Conference on Industrial and Information Systems, ICIIS 2012, (June 2016). doi:10.1109/ICIInfS.2012.6304789.
8. Intersil (2002) AD590 2-Wire, Current Output Temperature Transducer. Intersil.
9. Karim, S. (2016) Modul Pelihan Guru : Paket Keahlian Teknik Elektronika Industri Sekolah Menengah Kejuruan (SMK). Pusat Pengembangan dan Pemberdayaan Pendidik dan Tenaga Kependidikan Bidang Otomotif dan Elektronika, Direktorat Jenderal Guru dan Tenaga Kependidikan. doi: 10.1017/CBO9781107415324.004.
10. Morris, A. S. (2001) Measurement & Instrumentation Principles. Third. Oxford: Reed Educational and Professional Publishing Ltd.
11. Peddinti, V. K. (no date) ‘Light Emitting Diodes (LEDs) basic structures’. doi: 10.1007/s00710-007-0198-0.
12. pyromation Inc. (no date) RTD Theory.
13. SCME (2014) Introduction to Transducers, Sensors, and Actuators, Southwest Center for Microsystems Education (SCME) University of New Mexico. Albuquerque: University of New Mexico.
Available at:
http://engtech.weebly.com/uploads/5/1/0/6/5106995/more_on_transducers_sensors_actuators.pdf.
14. Sinclair, I. R. (2001) Sensors and Transducer, The British Journal of Psychiatry. Oxford: Reed Educational and Profesional Publishing Ltd. doi:10.1192/bjp.111.479.1009-a.
15. Texas Instruments (2017) LM35 Precision centigrade temperature sensors.Texas Instruments.
Available at: www.ti.com.
16. Thermo Sensor Corp. (2013) Resistance Temperature Detectors ( RTDs ). Thermo Sensors Corp.
17. Usher, M. J. (1985) Sensor And Transducer. London: Macmillan Publisher Ltd. doi:10.1192/bjp.112.483.211-a.
18. Wang, W.-C. (no date) Optical Detectors Photodetectors.
Available at:
http://photonics.intec.ugent.be/education/IVPV/res_handbook/v1ch15.pdf.
19. Ylä-mella, J., Pongrácz, E. and Keiski, R. L. (2014) ‘Liquid Crystal Displays : Material Content and Recycling Practices University of Oulu University of Oulu University of Oulu’, (August).
20. Yunusa, Z. et al. (2014) ‘Gas Sensors : A Review’, Sensors & Transducers, 168(December 2015), pp. 61–75. Available at: http://www.sensorsportal.com.
