Sensor Gas

Sensor Gas




1. Tujuan 
- Membuat sebuah rangkaian sensor gas.
- Memahami prinsip kerja dari rangkaian sensor gas.

2. Alat dan Bahan 

 - Baterai;
- Kapasitor;
- Resistor;
- Switch SPST;
- Gerbang Logika NOT;
- VCC
- Ground
- Potensiometer;
- Sensor gas MQ4;
- IC ADC0804 (ADC 8 bit);
- IC 74LS248 (BCD To 7-Segment Decoder);
- Seven Segment Common Cathode;

3. Dasar Teori 

Tranduser merupakan elemen masukan yang fungsi kritisnya adalah mengubah besaran fisis menjadi sinyal listrik yang sebanding. Dengan demikian pemilihan tranduser yang sesuai merupakan langkah pertama yang paling penting dalam mendapatkan hasil yang teliti. Sedangkan pengertian sensor adalah alat yang digunakan untuk mendeteksi. Sensor merupakan jenis tranduser yang digunakan untuk mengubah variasi mekanis, magnetis, panas, sinar dan kimia menjadi tegangan dan arus listrik.
Sensor gas adalah sensor yang befungsi untuk mengukur senyawa gas polutan yang ada di udara,seperti karbonmonoksida, hidrokarbon, nitrooksida, dan lain-lain. Sudah semakin banyak dipasaran telah beredar pengindra ga semikonduktor. Tentunya dibedakan oleh sensitivitas sensor tersebut, semakin mahal maka sensitivitas semakin bagus. Pengindra gas tersebut bekerja dengan semakin tinggi konsentrasi gas maka resistansinya semakin rendah. Banyak sekali type sensor gas yang digunakan dan tersedia dipasaran, seperti sensor gas untuk mendeteksi gas LPG yaitu type TGS dan MQ, yang membedakannya ialah cuman dari perusahaan yang mempruduksinya yang berbeda, namun dalam segi bentuk fisiknya mendekati sama.

 Sensor Gas LPG TGS2610


Figaro TGS2610 merupakan sensor kimia atau gas sensor seperti ethanol, hydrogen, methane, dan iso-butana/propana. Sensor ini mempunyai resistansi Rs yang akan berubah bila terkena gas dan mempuyai sebuah pemanas (heater) yang digunakan untuk membersihkan ruangan sensor dari kontaminasi udara luar.. TGS2610 mempunyai sensitivitas yang sangat tinggi terhadap propane dan butane, sehingga cocok sebagai monitor atau pendeteksi dari gas LPG. Sensor ini membutuhkan nilai pemanas sebesar 56 mA. Sensor ini membutuhkan dua tegangan masukan yakni tegangan untuk heater (VH) dan tegangan untuk sirkuit (Vc). Tegangan heater (VH) diterapkan pada satuan heater agar mempertahankan element cessing saat temperature naik dengan optimal.
Gambar 1. Sensor gas Figaro TGS2610.
Rumus

 Output tegangan pada hambatan RL (Vout) digunakan sebagai input, nilai resitansi RL dipilih agar konsumsi daya daya dari sensor (Ps) di bawah batas 15 mW, nilai Ps akan meningkat pada waktu nilai resitansi sensor Rs sama dengann Resistansi RL. Nilai Ps dapat dicari berdasarkan persamaan berikut : 

 PS =  ............. (1.1)

RS =  x RI  ....... (1.2)

Gambar 2. Data karakteristik kesensitivitas sensor TGS2610 saat tes standar.


 Pada gambar berikut, sumbu Y diinduksikan sebagai rasio resistansi sensor (Rs/Ro) yang didefinisikan sebagai berikut :
Rs : Resistansi pada saat gas dalam konsentrasi yang berbeda.
Ro : Resistansi dalam 1800 ppm dari iso-butana.
Gambar 3. Struktur dan dimensi dari sensor gas TGS2610.
Sensor Gas Hidrogen TGS2600

 Figaro TGS2600 adalah tranduser utama yang digunakan dalam rangkaian ini, yang merupakan sebuah sensor kimia atau gas sensor. Sensor ini mempunyai nilai resistansi Rs yang akan berubah bila terkena gas dan juga mempunyai sebuah pemanas (heater) yang digunakan untuk membersihkan sensor dari kontaminasi udara luar.
Gambar 4. Sensor gas Figaro TGS2600.

Gambar 5. Rangkaian dalam dan rumus dari sensor gas TGS2600.

Rumus

 Output tegangan pada hambatan RL (Vout) digunakan sebagai masukan pada mikroprosesor. Nilai resistansi RL dipilih agar konsumsi daya dari sensor (PS) di bawah batas 15 mW, Nilai PS akan meningkat pada waktu nilai resistansi sensor RS sama dengan resistansi RL.

 Ps =  ...... (1.3)

Rs =  x RI ....... (1.4)

Pemanas pada sensor memerlukan tegangan yang konstan (+- 5 volt DC) agar sinyal output sensor dapat terjaga keseimbangannya.

Diagram sensitivitas


Gambar 6. Data karakteristik kesensitivitas sensor TGS2600 saat tes standar.
Bahan detector gas dari sensor adalah metal oksida, khususnya senyawa SnO2. Ketika Kristal metal oksida (SnO2) dihangatkan pada temperatur tertentu, oksigen akan diserap pada permukaan Kristal dan oksigen akan bermuatan negatif.
1/2O2 + (SnO2.x) * O-ad(SnO2.x) ……. (1.5)
Hal ini disebabkan karena permukaan Kristal mendonorkan electron pada oksigen yang terdapat pada lapisan luar, sehingga oksigen akan bermuatan negatif dan muatan positif akan terbentuk pada luar kristal. Tegangan permukaan yang terbentuk akan menghambat laju aliran electron.

Gambar 7. Ilustrasi penyerapan oksigen (O2) oleh sensor TGS2600.
Gambar 8. Ilustrasi terdeteksinya gas oleh sensor TGS2600.

Dengan menurunnya penghalang maka resistansi sensor akan juga ikut menurun.

Hubungan antara resistansi sensor dengan konsentrasi gas pada proses deoksidasi dapat ditunjukkan dengan persamaan berikut : 

 R = A . [C] - 3 ........ (1.6) 
Keterangan :
R : Resistansi sensor.
A, α : Konstanta.
[C] : Konsentrasi gas.

Spesifikasi teknis pada sensor Figaro TGS2600 adalah : 

Target gas : Hidrogen dan Karbon Monoksida.
Output : Resistansi.
Typical Detection Range : 1 ppm – 30 ppm.
Heater Voltage : 5V +- 0.2V (DC/AC).
Circuit Voltage : 5V +- 0.2V (DC/AC).
Power Consumption : £ 15mW.
Sensor resistance : 10 KOhm – 90 KOhm (di udara).

Sensor Gas Nitrogen Dioksida TGS2106

 Selama bertahun –tahun dipasaran beredar pengindera gas. Pengindera gas semi konduktor dari jepang merek Figaro. Faktor kemudahan dan harga dan kemudahan untuk memperolehnya membuat pengindera gas tersebut dipakai dalam system pengukuran gas NO2. Pengindera gas semacam ini dapat dianggap sebagai resistor NPC. Jadi resistor dengan “Negative pollution coefficient” singkat dan tegas. Semakin tinggi kosentrasi gas yang tidak diinginkan maka semakin rendah resistansinya. Perancangan ini menggunakan sensor gas TGS2106 keluaran Figaro. 

Gambar 9. Sensor gas Figaro TGS2106.

Gambar 10. Koneksi pin sensor gas Figaro TGS2106.

Gambar 11. Rangkaian dalam dari sensor gas Figaro TGS2106.
Tahanan TGS

Besarnya tahanan yang bearada dalam kemasan TGS tergantung pada tegangan catu, tahunan R, dan penukuran tegangan VRL. 

Gambar 12. Data sensitivitas dan tanggapan dari sensor TGS 2106.

Rumus

RS =  x RL
Keterangan :
RS = Resistansi sensor.
RL = Resistansi beban.
Vc = Tegangan catu / Power Supply
VRL = Tegangan output. 

4. Rangkaian 

 Untuk rangkaian sensor gas ini saya membuat rangkaian yang khusus membaca nilai dari kondisi gas terbaca oleh sensor gas dengan menggunakan ADC0804 dan juga rangkaian dalam dari sensor gas MQ4.
Komponen :


1. Baterai.
2. Sensor gas (MQ 4) namun dalam simulasi saya mencoba menggantinya dengan rangkaian dalam sensor gas.

Gambar 13. Sensor gas MQ4.

Gambar 14. Rangkaian dalam sensor gas MQ4.

 3. IC ADC0804.
Gambar 15. Bentuk IC ADC0804.

4. IC BCD 74LS248 dan Seven Segment Common Cathode.

Gambar 16. Bentuk IC 74LS248 dan Seven Segment Common Cathode.

Berikut ini adalah gambar keseluruhan dari rangkaian tersebut :

Gambar 17. Rangkaian keseluruhan Rangkaian Pembacaan Nilai Sensor Gas.


Berikut ini adalah video tutorial dari rangkaian Forward Bias dan Reverse Bias :

1. Rangkaian Forward Bias

2. Rangkaian Reverse Bias


6. Link Download 

Link Download Rangkaian Sensor Gas : DOWNLOAD
Link Download Video Tutorial Rangkaian Reverse Bias :  DOWNLOAD
Link Download Datasheet Sensor MQ4 : DOWNLOAD
Link Download Datasheet IC ADC0804 : DOWNLOAD
Link Download Datasheet IC 74LS248 : DOWNLOAD
Link Download (Rangkaian + Video + HTML) : DOWNLOAD

at No comments:

Dioda Semikonduktor

Dioda Semikonduktor




1. Teori Atom 

Atom adalah partikel yang sangat kecil dan terdiri atas proton, elektron serta neutron. Tahun 1911, Rutherford melakukan percobaan dan menghasilkan bahwa sebagian besar massa atom dan semua muatan positif berkumpul pada inti atom (di tengah-tengah atom). Atom terdiri dari atas nukleus (proton dan neutron) dengan elektron-elektron yang bergerak di sekitar nukleus yang menyerupai sistem tata surya. 
Dalam konvensi ditetapkan elektron bermuatan negatif, proton bermuatan positif dan neutron tidak bermuatan.Tahun 1913, Niels Bohr mengemukakan bahwa elektron-elektron dari suatu atom tersusun atas beberapa kulit atau orbit yang berada pada jarak yang berbeda dari inti atom seperti pada gambar :
Gambar 1. Orbit-orbit elektron.
Masing-masing orbit mempunyai tingkat energi yang mana semakin tinggi orbit maka semakin tinggi energinya. Model Bohr menyatakan  orbit atom dengan penamaan mulai huruf K sampai Q seperti gambar :
Gambar 2. Model Atom Bohr.

2. Struktur Atom pada Bahan Semikonduktor 

Pada suhu nol mutlak atau -273 °C, bahan semikonduktor murni benar-benar merupakan isolator karena semua elektron valensi terikat erat pada tempatnya. Elektron valensi adalah elektron-elektron yang terletak di kulit (orbit) terluar sebuah unsur. Atom boron mempunyai elektron valensi 3, silikon memiliki elektron valensi 4, fosfor mempunyai elektron valensi 5, dan seterusnya, seperti tabel 1. Agar konduktivitasnya baik, maka bahan semikonduktor dicampur dengan bahan lain (doping), seperti boron, arsenikum, galium, fosfor, dan lain-lain.
Tabel 1. Susunan elektron pada beberapa atom.
Bahan-bahan yang bervalensi 3 (trivalen) berfungsi membentuk bahan tipe P (bahan yang kekurangan elektron). Sedangkan bahan-bahan yang bervalensi 5 (pentavalen)  berfungsi membentuk bahan tipe N (bahan yang kelebihan elektron).

 Contoh :
Jika sebuah silikon didoping dengan fosfor atau arsenikum maka bahannya disebut bahan semikonduktor tipe N karena memiliki muatan listrik negatif. Sedangkan jika didoping dengan boron atau galium maka bahannya disebut bahan semikonduktor tipe P karena memiliki muatan listrik positif.

3. Struktur Atom pada Silikon dan Germanium 

 Silikon dan Germanium adalah bahan semikonduktor yang paling banyak digunakan dalam pembuatan komponen elektronika, karena sifatnya :

 1. Lebih stabil pada suhu tinggi.
2. Silikon (0,6 V) lebih banyak digunakan dari pada germanium (0,3 V).
3. Jumlah elektron silikon adalah 14 seperti gambar 3 sedangkan germanium 32.
4. Memiliki elektron valensi yang sama, yaitu 4. 
Gambar 3. Struktur atom silikon.
Angka +14 yang terletak pada inti atom silikon menyatakan jumlah muatan positif proton yang berfungsi mengimbangi muatan negatif elektron-elektron sehingga atom dalam keadaan netral. Gambar 4 adalah struktur atom silikon dengan empat elektro valensi  dan +4 yang artinya 4 muatan positif proton.
Gambar 4. Struktur atom Silikon dengan elektron valensinya.
Kulit terluar dari suatu atom selalu berupaya mempunyai jumlah elektron 8. Setiap atom selalu berusaha memperoleh konfigurasi atom-atom gas mulia seperti neon, krypton, dan sebagainya yang telah memiliki 8 elektron. Oleh karena itu, kumpulan atom silikon  akan menarik empat elektron dari empat atom tetangganya sehingga membentuk kristal seperti gambar 5. Kristal adalah susunan atom yang membentuk suatu pola ikatan yang teratur (ikatan kovalen) dan membentuk diri menjadi benda padat.
Gambar 5. Struktur irisan kristal silikon.
Beberapa ikatan kovalen akan pecah karena pengaruh panas. Semakin tinggi suhu mengenai ikatan kovalen maka semakin banyak ikatan kovalen yang pecah sehingga menghasilkan elektron bebas. Energi yang dapat memecahkan ikatan kovalen sehingga menghasilkan elektron bebas disebut energi gap (Eg). Adapun hubungan antara elektron dan kulit orbit adalah seperti gambar :
Gambar 6. Hubungan antara elektron dan kulit orbit.
Hukum dasar hubungan antara elektron dan kulit orbit:

1. Elektron tidak dapat berada antara dua kulit orbit.
2. Elektron-elektron pada suatu kulit orbit punya suatu rentang tenaga.
3. Elektron perlu cukup tenaga untuk melompat ke kulit orbit yang lain.

Apabila ikatan kovelen pecah, maka akan mengakibatkan lepasnya elektron yang disebut elektron bebas. Elektron bebas ini meninggalkan tempatnya semula sehingga ruang itu menjadi kosong yang disebut hole atau lubang seperti gambar :
Gambar 7. Elektron lepas akibat pecahnya ikatan kovalen.
Pada suhu 0 Kelvin, tidak ada elektron yang lepas atau berpindah dari bidang valensi ke bidang konduksi dan bila suhu dinaikkan maka dengan EG yang cukup dapat membuat elektron berpindah dari bidang valensi ke bidang konduksi seperti gambar :
Gambar 8. Bidang tenaga kristal pada suhu 0 Kelvin.
Gambar 9. Bidang tenaga kristal pada suhu yang lebih tinggi.


 Arah aliran elektron seperti pada gambar dibawah, maka kebalikannya akan membuat arah aliran hole :
Gambar 10. Mekanisme konduksi hole.

4. Semikonduktor Jenis N 

Gambar dibawah menunjukkan bahan semikonduktor jenis n, dimana diperoleh dengan cara doping dengan atom asing bervalensi 5, seperti Fosfor :
Gambar 11. Terjadinya elektron bebas pada semikonduktor jenis n.
Gambar 12. Arus tenaga elektron valensi pada atom donor.
Pada semikonduktor jenis n terbentuknya elektron disertai terbentuknya ion positif yang tidak dapat bergerak seperti ditunjukkan gambar diatas.

5. Semikonduktor Jenis P 

Gambar dibawah menunjukkan bahan semikonduktor tipe p, dimana diperoleh dengan doping atom asing bervalensi 3, seperti Boron (B) atau Galium (Ga) :
Gambar 13. Terjadinya hole pada semikonduktor tipe p.
Gambar 14. Arus tenaga elektron valensi pada atom akseptor.


Pada semikonduktor jenis p terbentuknya hole disertai terbentuknya ion negatif yang tidak dapat bergerak seperti ditunjukkan gambar diatas.

Konduktivitas bahan semikonduktor terletak di antara konduktor (penghantar listrik) dan isolator (tidak menghantarkan listrik). Jika ada sejumlah besar elektron pada salah satu tempat pada suatu bahan, sedang pada tempat lain hanya terdapat sedikit elektron, maka elektron-elektron akan mengalir dari tempat yang padat ke tempat yang sedikit sampai tercapainya suatu keseimbangan.

 6. Rangkaian 

 Berikut ini adalah aplikasi penggunaan dioda semikonduktor :

 1. Rangkaian Forward Bias
Gambar 15. Rangkaian Forward Bias
2. Rangkaian Reverse Bias
Gambar 16. Rangkaian Reverse Bias


Berikut ini adalah video tutorial dari rangkaian Forward Bias dan Reverse Bias :

1. Rangkaian Forward Bias

2. Rangkaian Reverse Bias


8. Link Download 

Link Download Rangkaian Forward Bias : DOWNLOAD
Link Download Rangkaian Reverse Bias :  DOWNLOAD
Link Download Video Tutorial Rangkaian Forward Bias : DOWNLOAD
Link Download Video Tutorial Rangkaian Reverse Bias :  DOWNLOAD
Link Download (Rangkaian + Video + HTML) : DOWNLOAD
at No comments:
Subscribe to: Posts (Atom)