Transducer (Pengertian, Cara Kerja dan Aplikasinya)

Transducer berasal dari kata ”Traducere” dalam bahasa latin yang berarti mengubah. Sehingga transducer dapat didefinisikan sebagai suatu peranti yang dapat mengubah suatu energi ke energi yang lain. Bagian masukan dari transducer disebut “sensor”, karena bagian ini dapat mengindera suatu kuantitas fisik tertentu dan mengubahnya menjadi bentuk energi yang lain (Tim; 2003: 16).

Beberapa jenis transducer dapat diklasifikasikan sesuai dengan prinsip pengubahan energi, sinyal keluaran, atau bidang pemakaian. Berikut ini menunjukkan klasifikasi transducer berdasarkan prisnsip kelistrikannya (Sugiharta; 2002: 3).

a.       Transducer pasif

Transducer pasif yaitu transducer yang dapat bekerja bila mendapat energi tambahan dari luar. Transducer ini tidak dapat menghasilkan tegangan sendiri tetapi dapat menghasilkan perubahan nilai resistansi, kapasitansi, atau induktansi apabila mengalami perubahan kondisi sekeliling.

Ada beberapa jenis transducer pasif yang dapat kita peroleh di pasaran, yaitu transducer resistif, transducer kapasitif, transduscr induktif, dan transducer foto.

1.      Transducer resistif

Prinsip kerja dan penerapan transducer berdasarkan jenisnya ditampilkan pada table berikut ini.

Table 2.1

Prinsip kerja dan penerapan transducer resistif berdasarkan jenisnya

Jenis transducer	Prinsip kerja	Jenis penerapan
Potensio meter resistif	Perubahan positif (karena gerakan eksternal) menjadi perubahan resistansi potensiometer atau rangkaian jembatan.	Sensor tekanan, posisi
Strain Gage	Tekanan eksternal mengubah resistansi penghantaran atau semi konduktor	Sensor berat, tekanan, posisi.
RTD (resistance temperature detector)	Perubahan sushu mempengaruhi resistansi logam murni yang mempunyai koefisien suhu positif.	Sensor suhu
Thermistor	Perubahan suhu mempengaruhi resistansi logam teroksidasi yang mempunyai koefisien suhu negatif.	Sensor suhu
Hygrometer resistif	Resistansi elektroda turun bila kelembapan udara disekelilingnya naik atau bertambah.	Sensor kelembapan
Psychrometer	Perbedaan suhu pada electrode kering dan electrode basah menghasilkan perubahan tegangan.	Sensor kelembapan

2.      Transducer kapasitif dan transducer induktif

Prinsip kerja transducer ini adalah mengubah perubahan besaran nonlistrik menjadi perubahan nilai kapasitansi atau nilai induktif. Berikut ini disajikan prinsip kerja dan penerapan transducer induktif berdasarkan jenisnya.

Table 2.2

Prinsip kerja dan penerapan transducer induktif berdasarkan jenisnya

Jenis transducer	Prinsip kerja	Jenis penerapan
Transducer kapasitif	Kapasitas antara dua dielektrik berubah, disebabkan oleh kondisi fisis seperti tinggi cairan, komposisi larutan, tekanan ketebalan, kepadatan, aliran, dan panjang.	Sensor tinggi cairan, Sensor tekanan, kepadatan ketebalan
Transducer induktif LVDT (Linear variable differensial transformer)	Perubahan posisi inti (cern) menyebabkan timbulnya tegangan pada kumparan skunder.	Sensor tekanan, posisi
Transducer tekanan	Perubahan tekanan fisis seperti tekanan gas atau cairan menyebabkan perubahan induktansi magnetic.	Sensor tekanan

3.      Transducer foto

Transducer foto dapat mengubah besar arus listrik jika dikenai cahaya/sinar. Aris listrik inilah yang dimanfaatkan untuk mengetahui keadaan yang ingin diukur, misalnya gelap terangnya suatu ruangan. Kondisi lain yang dapat diukur adalah kondisi yang memanfaatkan sinar sebagai bahan utamanya.

Ada beberapa jenis transducer foto dan masing-masing mempunyai prinsip kerja yang berbeda-beda. Berikut ini disajikan table jenis-jenis transducer foto, berikut prinsip kerja dan penerapannya dalam kehidupan kita sehari-hari.

Table 2.3

Prinsip kerja dan penerapan transducer foto berdasarkan jenisnya

Jenis transducer	Prinsip kerja	Jenis penerapan
Photokonduktif	Konduktivitas pada suatu bahan berubah bila terkena cahaya.
Photodiode	Arus reverse berubah sesuai intensitas cahaya pada diode tersebut.	Sakelar cahaya/sensor cahaya
Phototransistor	Intensitas cahaya yang jatuh pada transistor photo menyebabkan transistor dalam posisi cut off atau saturasi.	Sakelar cahaya
Optocopler	Mengubah pulsa menjadi sinar infra merah, sinar infra merah mentriger detector fhoto.	Relay, sakelar cahaya.

b.      Transducer aktif

Transducer aktif, yaitu transducer yang bekerja tanpa tambahan energi dari luar, tetapi menggunakan energi yang akan diubah itu sendiri. Transducer ini tidak memerlukan catu daya eksternal. Transducer ini malah dapat menghasilkan energi lisrik. Berikut disajikan prinsip kerja dan penerapan transducer aktif berdasarkan jenis-jenisnya.

Table 2.4

Prinsip kerja dan penerapan transducer aktif berdasarkan jenisnya

Jenis transducer	Prinsip kerja	Jenis penerapan
Thermokopel dan thermofile	Energi listrik muncul bila sambungan dua jenis semikonduktor logam yang berbeda dikenai panas.	Sensor suhu, pancaran panas
Cell fotovoltaic	Energi listrik atau tegangan muncul bila sebuah hubungan semi konduktor mendapat pancaran sinar.	Sensor cahaya, pembangkit tegangan energi sinar (Solar Cell)

Secara umum,dapat dikatakan bahwa Tranduser adalah alat yang dapat mengubah energi dari satu bentuk ke bentuk yang lain. Dari sisi pola aktivasinya, transduser dapat dibagi menjadi dua, Transduser pasif dan Transduser aktif.

Contoh Penerapan Transducer Tekanan pada VSD untuk Motor Pompa

Pengaturan tekanan pada tangki air yang bersirkulasi secara terus-menerus dapat dilakukan dengan pengaturan pipa buang seperti terlihat pada Gambar 1. Motor pada pompa dioperasikan secara penuh sesuai dengan kapasitasnya sementara tekanan air pada tangki dapat diatur dengan membuang sebagian air yang akan masuk ke tangki sirkulasi. Hal ini berakibat adanya air yang dibuang secara sengaja untuk menjaga tekanan air yang kita inginkan. Dalam perspektif penggunaan motor pompa sebagai sumber tenaga yang melakukan proses sirkulasi tersebut, maka pembuangan air kembali ke bak utama merupakan suatu pemborosan listrik.

Kelemahan lainnya dari sistem ini adalah dibutuhkannya operator yang harus selalu sigap untuk mengatur keran pembuangan ketika terjadi perubahan tekanan pada tangki akibat pembukaan atau penutupan keran-keran air pada kamar-kamar tamu hotel. Penjagaan tekanan air yang kurang akurat karena penggunaan tenaga manusia dalam pengaturan pipa buang secara manual dapat mengakibatkan tekanan air pada masing-masing kamar akan berubah-ubah tergantung berapa banyak keran air yang dibuka. Hal ini tentunya tidak diharapkan oleh pengurus hotel demi kepuasan tamunya.

Hal diatas dapat diatasi dengan penggunaan sensor tekanan aktif pada tangki sirkulasi. Yaitu sensor tekanan yang akan mengirimkan statusnya ke tenaga penggerak utama (yang dalam hal ini adalah motor pompa) sehingga motor pompa hanya bekerja sesuai dengan kebutuhan. Ketika tekanan dalam tangki sirkulasi melebihi batas nilai yang diinginkan, maka motor pompa dapat bekerja pada kecepatan dan atau tegangan yang lebih kecil dan sebaliknya ketika tekanan dalam tangki sirkulasi lebih kecil dari nilai yang diinginkan, maka motor harus dioperasikan dengan kecepatan dan atau tegangan yang lebih besar. Dengan pengaturan motor ini, penggunaan listrik akan jauh lebih hemat karena motor hanya dioperasikan sesuai kebutuhannya saja.

Dalam aplikasinya, pengaturan kecepatan dan tegangan kerja motor pompa tidak bisa dilakukan secara langsung tanpa bantuan perangkat luar. Salah satu pengaturan motor pompa adalah dengan menggunakan VSD (Variable Speed Drive) atau juga disebut sebagai VVVF (Variable Voltage Variable Frequancy). VSD merupakan perangkat elektronika daya yang akan mengkonversikan tegangan serta frekuensi kerja pada sumber energi listrik menjadi tegangan serta frekuensi kerja sesuai dengan kebutuhan. Dengan menggunakan VSD yang terinterkoneksi dengan sensor tekanan, maka pengaturan tekanan tangki sirkulasi dapat dilakukan secara otomatis sehingga operator tidak harus selalu siaga di tempat. Selain itu, tekanan yang diatur secara otomatis dapat bereaksi secara cepat terhadap perubahan yang terjadi akibat pembukaan atau penutupan keran-keran air pada kamar-kamar tamu, sehingga tekanan air pada keran-keran dapat dijaga konstan setiap saatnya berapapun keran yang dibuka. Skema penggunaan VSD dan sensor tekanan untuk aplikasi sirkulasi air dapat dilihat pada Gambar 2.

Sensor Tekanan

Sensor/transducer tekanan pada umumnya menggunakan strain gauge sebagai sensornya. Strain gauge dapat mengubah sinyal tekanan menjadi sinyal listrik. Pada kenyataannya, perubahan tekanan ini akan membuat strain gauge memberikan nilai resistansi yang berbeda ketika terjadi perubahan luas penampangnya. Selanjutnya, hambatan yang berubah-ubah ini dapat kita konversikan menjadi bentuk tegangan atau arus yang berubah-ubah dengan menggunakan tambahan rangkaian.

Umumnya, pada keadaan normal/setimbang, nilai resistansi strain gauge sebesar 120 ohm. Perubahan yang terjadi hanya mencapai + 3 ohm. Untuk mendeteksi perubahan ini, dapat digunakan jembatan Wheatstone seperti terlihat pada Gambar 5 dibawah. Penambahan rangkaian penguat dengan menggunakan Op Amp dan atau Instrumentation Amplifier juga dapat digunakan untuk memperbaiki kinerja sensor ini sehingga memungkinkan untuk memperoleh gain yang besar.

Dengan memberikan nilai resistansi tertentu pada R3 dan R1 = R2 pada gambar diatas, maka dapat diperoleh tegangan V = 0 yang merepresentasikan strain gauge dalam keadaan normal/setimbang. Bila terjadi perubahan nilai resistansi pada strain gauge, maka jembatan Wheatstone tidak lagi seimbang sehingga tegangan V tidak lagi sama dengan 0. Nilai tegangan V ini masih dalam skala mV yang mengakibatkan tegangan ini terlalu kecil untuk diproses kemudian sesuai kebutuhan. Oleh karena itu, dibutuhkan rangkaian penguat.

Salah satu sensor tekanan untuk pengukuran tekanan relatif pada air maupun gas adalah JUMO MIDAS dengan berbagai tipenya. Penulis menggunakan sensor ini pada aplikasi pengaturan VSD untuk motor pompa di hotel Bumi Sawungggaling ITB Bandung. Sensor yang digunakan menggunakan strain gauge dengan film yang tebal serta menggunakan keramik aluminium-oxide (Al2O3) sebagai material dasarnya. Tipe sensor yang digunakan adalah 401001/000-458-405-XXX-20-XXX-61/000 yang menggunakan arus 4 – 20 mA sebagai keluarannya dengan maksimum tekanan adalah 6 bar. Bentuk sensor yang digunakan dapat dilihat pada Gambar 6. Keluaran arus adalah linier terhadap tekanan yang diberikan, sehingga pada tekanan maksimum sebesar 6 bar, arus yang dihasilkan adalah sebesar 20 mA.

Untuk menggunakan sensor dengan tipe keluaran arus 4 – 20 mA, maka interkoneksinya adalah secara 2 kawat seperti terlihat pada Gambar 7 dan Gambar 8 dan juga dapat secara 3 kawat seperti terlihat pada Gambar 9 dan Gambar 10.

Variable Speed Drive

Pada dasarnya, sebuah VSD merupakan perangkat inverter (konverter DC-AC) yang dapat mengatur tegangan keluaran serta frekuensi kerjanya. Umumnya input tegangannya berupa tegangan AC, sehingga dibutuhkan komponen penyearah sehingga dihasilkan tegangan DC sebelum dikonversikan menjadi tegangan AC kembali pada keluarannya. Skema sebuah VSD satu fasa dapat dilihat pada Gambar 11.

Penulis menggunakan sebuah VSD keluaran Toshiba, yaitu TOSVERTTM VS-S11 yang bekerja pada tiga fasa dengan daya hingga 5.5 kW. Pengaturan frekuensi dan tegangan kerja dapat dilakukan secara manual maupun otomatis. Pengaturan secara manual dilakukan dengan proses trimming knop yang tersedia pada VSD-nya, sementara pengaturan secara otomatis dapat dilakukan dengan memberikan input tegangan 0 – 10 V atau arus 4 – 20 mA. Dalam aplikasi pada pengaturan motor pompa di Bumi Sawunggaling penulis menggunakan pengaturan otomatis dengan input tegangan berupa 0 – 10 V. VSD yang digunakan ini dapat diatur frekuensi serta tegangan kerja maksimum yang akan digunakan. Hubungan antara tegangan control terhadap frekuensi dan tegangan kerjanya adalah linier.

(Detail mengenai prinsip kerja sebuah inverter dan penyearah tidak disertakan dalam tulisan ini)

Konverter Sinyal Kontrol

Perlu diperhatikan bahwa dalam sistem yang digunakan pada Gambar 2 diatas dibutuhkan penambahan daya motor ketika tekanan lebih kecil dari nilai setimbangnya dan sebaliknya dibutuhkan pengurangan daya motor ketika tekanan lebih besar dari nilai setimbangnya. Oleh karena itu dibutuhkan konverter sinyal dari sensor tekanan menjadi sinyal input pada VSD. Ketika tekanan naik, maka arus keluaran dari sensor akan menjadi lebih besar, sementara motor haruslah bekerja pada daya yang lebih rendah untuk mengurangi tekanan tersebut, oleh karena itu, konverter sinyal akan mengubah logika arus besar menjadi tegangan kecil dan arus kecil menjadi tegangan besar, dengan batas arus keluaran sensor antara 4 – 20 mA dan batas tegangan untuk input VSD antara 0 – 10 V. Logika yang sama juga berlaku ketika tekanan berkurang.

Grafik arus keluaran sensor tekanan terhadap tegangan control VSD setelah menggunakan konverter sinyal dapat dilihat pada Gambar 13. Grafik dari konverter sinyal yang dibutuhkan adalah sesuai dengan keinginan kita, sehingga pengaturan tekanan kondisi setimbang dapat kita ubah sewaktu-waktu. Hal ini dapat dilakukan dengan melakukan pengaturan pada konverter sinyal sehingga grafiknya dapat kita ubah-ubah seperti terlihat pada gambar dimana garis grafik putus-putus menggambarkan kondisi pengaturan yang berbeda-beda.

Dengan menggunakan sistem kendali tertutup, kita dapat mengatur tekanan dalam tangki sirkulasi tetap. Ketika penggunaan keran-keran sangat sedikit, motor dapat bekerja dengan daya yang lebih rendah, sementara ketika banyak keran yang dibuka oleh tamu hotel, maka motor akan bekerja dengan daya yang lebih besar. Dengan menggunakan sistem ini, kita dapat melakukan penghematan listrik karena daya yang digunakan adalah benar-benar sesuai kebutuhan.

Dari data logger pada sistem motor pompa tercatat bahwa sebelum menggunakan sensor tekanan dan VSD, daya yang digunakan memiliki rata-rata 3.5 kW, sementara setelah menggunakan sistem tertutup dengan sensor tekanan dan VSD tercatat bahwa daya rata-rata yang digunakan adalah 700 W. Kita lihat bahwa kita dapat melakukan penghematan sebesar kurang lebih 80%.