JENIS-JENIS SENSOR SUHU DAN FUNGSINYA

Sensor Suhu

Berfungsi untuk mengubah temperatur/suhu menjadi beda potensial listrik.

Jenis-jenis sensor suhu:

1. Thermokopel

Berfungsi sebagai sensor suhu rendah dan tinggi, yaitu suhu serendah 3000F sampai dengan suhu tinggi yang digunakan pada proses industri baja, gelas dan keramik yang lebih dari 30000F. Thermokopel dibentuk dari dua buah penghantar yang berbeda jenisnya (besi dan konstantan) dan dililit bersama.

Prinsip Kerja :

Jika salah satu bagian pangkal lilitan dipanasi, maka pada kedua ujung penghantar yang lain akan muncul beda potensial (emf). Thermokopel ditemukan oleh Thomas Johan Seebeck tahun 1820 dan dikenal dengan Efek Seebeck.

Efek Seebeck:

Sebuah rangkaian termokopel sederhana dibentuk oleh 2 buah penghantar yang berbeda jenis (besi dan konstantan), dililit bersama-sama. Salah satu ujung T merupakan measuring junction dan ujung yang lain sebagai reference junction. Reference junction dijaga pada suhu konstan 320F (00C atau 680F (200C). Bila ujung T dipanasi hingga terjadi perbedaan suhu terhadap ujung Tr, maka pada kedua ujung penghantar besi dan konstantan pada pangkal Tr terbangkit beda potensial (electro motive force/emf) sehingga mengalir arus listrik pada rangkaian tersebut.

Kombinasi jenis logam penghantar yang digunakan menentukan karakteristik linier suhu terhadap tegangan.

Tipe-tipe kombinasi logam penghantar thermokopel:

1. Tipe E (kromel-konstantan)
2. Tipe J (besi-konstantan)
3. Tipe K (kromel-alumel)
4. Tipe R-S (platinum-platinum rhodium)
5. Tipe T (tembaga-konstantan)

Tegangan keluaran emf (elektro motive force) thermokopel masih sangat rendah, hanya beberapa milivolt. Thermokopel bekerja berdasarkan perbedaan pengukuran. Oleh karena itu jika ukntuk mengukur suhu yang tidak diketahui, terlebih dulu harus diketahui tegangan Vc pada suhu referensi (reference temperature). Bila thermokopel digunakan untuk mengukur suhu yang tinggi makaa akan muncul tegangan sebesar Vh. Tegangan sesungguhnya adalah selisih antara Vc dan Vh yang disebut net voltage (Vnet).

Besarnya Vnet ditentukan dengan rumus:

Vnet = Vh - Vc

Keterangan :

Vnet = tegangan keluaran thermokopel

Vh = tegangan yang diukur pada suhu tinggi

Vc = tegangan referensi

Gambar grafik tegangan terhadap suhu pada thermokopel tipe E, J, K dan R :

Gambar di bawah ini menunjukkan beberapa thermokopel yang dihubungkan secara seri membentuk thermopile. Thermopile ini diletakkan di titik tengah pyrometer radiasi dan lensa yang digunakan untuk memfokuskan radiasi (pancaran panas) agar jatuh pada thermopile.

Gambar Thermopile:

Gambar Pyrometer Radiasi:

Untuk masa sekarang thermokopel sudah dibuat dengan kemasan yang mempunyai unjuk kerja yang lebih peka yang disebut thermopile yang digunakan sebagai pyrometer radiasi.

Grafik hubungan suhu terhadap arus keluaran:

2. Thermistor (Thermal Resistor/Thermal Sensitive Resistor)

Berfungsi untuk mengubah suhu menjadi resistansi/hambatan listrik yang berbanding terbalik dengan perubahan suhu. Semakin tinggi suhu, semakin kecil resistansi.

Simbol Thermistor :

Konstruksi Thermistor tipe GM102 :

Thermistor dibentuk dari bahan oksida logam campuran, kromium, kobalt, tembaga, besi atau nikel.

Bentuk Thermistor :

1. Butiran

Digunakan pada suhu > 7000C dan memiliki nilai resistansi 100 Ω hingga 1 MΩ.

2. Keping

Digunakan dengan cara direkatkan langsung pada benda yang diukur panasnya.

3. Batang

Digunakan untuk memantau perubahan panas pada peralatan elektronik, mempunyai resistansi tinggi dan disipasi dayanya sedang. Thermistor dibuat sekecil-kecilnya agar mencapai kecepatan tanggapan (respon time) yang baik.

Pemakaian thermistor didasarkan pada tiga karakteristik dasar, yaitu:

1. Karakteristik R (resistansi) terhadap T (suhu)
2. Karakteristik R (resistansi) terhadap t (waktu)
3. Karakteristik V (tegangan) terhadap I (arus)

Grafik hubungan antara resistansi terhadap suhu thermistor :

Rangkaian Pengendali Suhu Ruangan Sederhana (karakteristik R terhadap t):

Cara kerja rangkaian:

Saat temperatur masih dingin hambatan thermistor sangat besar dibandingkan dengan R2, sehingga transistor dalam kondisi menghantar lalu rele kontak (terhubung) dan heater (pemanas) menghasilkan panas. Akan tetapi, ketika ruangan menjadi panas, thermistor juga ikut panas sehingga hambatannya turun. Hambatan paralel thermistor dengan R2 menjadi kecil, sehingga tegangan bias Tr juga kecil, mengakibatkan Tr dalam kondisi cut off, rele tidak kontak dan heater tidak bekerja. Akibatnya, suhu ruangan turun. Demikian seterusnya proses akan berulang dari awal dan suhu ruangan menjadi konstan.

3. RTD (Resistance Temperature Detectors)

Berfungsi untuk mengubah suhu menjadi resistansi/hambatan listrik yang sebanding dengan perubahan suhu. Semakin tinggi suhu, resistansinya semakin besar. RTD terbuat dari sebuah kumparan kawat platinum pada papan pembentuk dari bahan isolator. RTD dapat digunakan sebagai sensor suhu yang mempunyai ketelitian 0,03 0C dibawah 5000C dan 0,1 0C diatas 10000C.

Konstruksi RTD bahan platinum:

RTD terpasang pada permukaan logam:

Hubungan antara resistansi dan suhu penghantar logam merupakan perbandingan linear. Resistansi bertambah sebanding dengan perubahan suhu padanya. Besar resistansinya dapat ditentukan berdasarkan rumus :

Besar resistansi pada suhu tertentu dapat diketahui dengan rumus :

Keterangan :

R1 = resistansi pada suhu awal

R2 = resistansi pada suhu tertentu

Untuk menghasilkan tegangan keluaran dapat diperoleh dengan mengalirkan arus konstan melalui RTD atau dengan memasangnya pada salah satu lengan jembatan wheatstone.

Gambar rangkaian jembatan wheatstone dengan RTD:

Persamaan rangkaian jembatan wheatstone:

Prinsip kerja rangkaian: 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 B. Begitu juga yang berlaku pada keluaran penguat diferensial.

Amplifier diferensial (penguat diferensial) menggunakan IC op-amp yang berfungsi untuk menguatkan tegangan keluaran dari rangkaian jembatan menjadi tegangan yang lebih besar. Jika rangkaian jembatan pada posisi setimbang maka pada titik A dan B mempunyai tegangan dan arus yang sama.

4. IC LM 35

Berfungsi untuk mengubah suhu menjadi tegangan tertentu yang sesuai dengan perubahan suhu.

Rangkaian dasar IC LM 35:

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

The PNP Transistor

The PNP Transistor is the exact opposite to the NPN Transistor device we looked at in the previous tutorial. Basically, in this type of transistor construction the two diodes are reversed with respect to the NPN type giving a Positive-Negative-Positive configuration, with the arrow which also defines the Emitter terminal this time pointing inwards in the transistor symbol.

Also, all the polarities for a PNP transistor are reversed which means that it "sinks" current as opposed to the NPN transistor which "sources" current. The main difference between the two types of transistors is that holes are the more important carriers for PNP transistors, whereas electrons are the important carriers for NPN transistors. Then, PNP transistors use a small output base current and a negative base voltage to control a much larger emitter-collector current. The construction of a PNP transistor consists of two P-type semiconductor materials either side of the N-type material as shown below.

A PNP Transistor Configuration

(Note: Arrow defines the emitter and conventional current flow, "in" for a PNP transistor.)

The construction and terminal voltages for an NPN transistor are shown above. The PNP Transistor has very similar characteristics to their NPN bipolar cousins, except that the polarities (or biasing) of the current and voltage directions are reversed for any one of the possible three configurations looked at in the first tutorial, Common Base, Common Emitter and Common Collector.

PNP Transistor Connections

The voltage between the Base and Emitter ( V_BE ), is now negative at the Base and positive at the Emitter because for a PNP transistor, the Base terminal is always biased negative with respect to the Emitter. Also the Emitter supply voltage is positive with respect to the Collector ( V_CE ). So for a PNP transistor to conduct the Emitter is always more positive with respect to both the Base and the Collector.

The voltage sources are connected to a PNP transistor are as shown. This time the Emitter is connected to the supply voltage V_CC with the load resistor, RL which limits the maximum current flowing through the device connected to the Collector terminal. The Base voltage V_B which is biased negative with respect to the Emitter and is connected to the Base resistor R_B, which again is used to limit the maximum Base current.

To cause the Base current to flow in a PNP transistor the Base needs to be more negative than the Emitter (current must leave the base) by approx 0.7 volts for a silicon device or 0.3 volts for a germanium device with the formulas used to calculate the Base resistor, Base current or Collector current are the same as those used for an equivalent NPN transistor and is given as.

Generally, the PNP transistor can replace NPN transistors in most electronic circuits, the only difference is the polarities of the voltages, and the directions of the current flow. PNP transistors can also be used as switching devices and an example of a PNP transistor switch is shown below.

A PNP Transistor Circuit

The Output Characteristics Curves for a PNP transistor look very similar to those for an equivalent NPN transistor except that they are rotated by 180^o to take account of the reverse polarity voltages and currents, (the currents flowing out of the Base and Collector in a PNP transistor are negative). The same dynamic load line can be drawn onto the I-V curves to find the PNP transistors operating points.

Transistor Matching

Complementary Transistors

You may think what is the point of having a PNP Transistor, when there are plenty of NPN Transistors available that can be used as an amplifier or solid-state switch?. Well, having two different types of transistors "PNP" and "NPN", can be a great advantage when designing amplifier circuits such as the Class B Amplifier which uses "Complementary" or "Matched Pair" transistors in its output stage or in reversible H-Bridge motor control circuits were we want to control the flow of current evenly in both directions.

A pair of corresponding NPN and PNP transistors with near identical characteristics to each other are called Complementary Transistors for example, a TIP3055 (NPN transistor) and the TIP2955 (PNP transistor) are good examples of complementary or matched pair silicon power transistors. They both have a DC current gain, Beta, ( Ic/Ib ) matched to within 10% and high Collector current of about 15A making them ideal for general motor control or robotic applications.

Also, class B amplifiers use complementary NPN and PNP in their power output stage design. The NPN transistor conducts for only the positive half of the signal while the PNP transistor conducts for negative half of the signal. This allows the amplifier to drive the required power through the load loudspeaker in both directions at the stated nominal impedance and power resulting in an output current which is likely to be in the order of several amps shared evenly between the two complementary transistors.

Identifying the PNP Transistor

We saw in the first tutorial of this transistors section, that transistors are basically made up of two Diodes connected together back-to-back. We can use this analogy to determine whether a transistor is of the PNP type or NPN type by testing its Resistance between the three different leads, Emitter, Base and Collector. By testing each pair of transistor leads in both directions with a multimeter will result in six tests in total with the expected resistance values in Ohm's given below.

·         1. Emitter-Base Terminals - The Emitter to Base should act like a normal diode and conduct one way only.

·          

·         2. Collector-Base Terminals - The Collector-Base junction should act like a normal diode and conduct one way only.

·          

·         3. Emitter-Collector Terminals - The Emitter-Collector should not conduct in either direction.

Transistor resistance values for a PNP transistor and a NPN transistor

Between Transistor Terminals		PNP	NPN
Collector	Emitter	RHIGH	RHIGH
Collector	Base	RLOW	RHIGH
Emitter	Collector	RHIGH	RHIGH
Emitter	Base	RLOW	RHIGH
Base	Collector	RHIGH	RLOW
Base	Emitter	RHIGH	RLOW

Then we can define a PNP Transistor as being normally "OFF" but a small output current and negative voltage at its Base (B) relative to its Emitter (E) will turn it "ON" allowing a much large Emitter-Collector current to flow. PNP transistors conduct when Ve is much greater than Vc.

In the next tutorial about Bipolar Transistors instead of using the transistor as an amplifying device, we will look at the operation of the transistor in its saturation and cut-off regions when used as a solid-state switch. Bipolar transistor switches are used in many applications to switch a DC current "ON" or "OFF" such as LED’s which require only a few milliamps at low DC voltages, or relays which require higher currents at higher voltages.