TEORI DASAR LOAD CELL(part1)



1. Pendahuluan

Load cell adalah alat yang mengeluarkan signal listrik proporsional dengan gaya / beban yang diterimanya. Load cell banyak digunakan pada timbangan elektronik. Pembahasan disini meliputi : 
  • Teori sirkuit DC
  • Teori kelistrikan Load cell
  • Ketentuan / aturan dasar Load cell
  • Troubleshooting
  • Konstruksi Load cell
  • Tipe-tipe Load cell
  • Pemilihan Load cell
2. Teori Sirkuit DCElectron
Elektron adalah partikel bermuatan negatif yang merupakan bagian dari semua atom. Elektron membentuk orbit di sekitar atom. elektron berad di orbit paling dekat ke pusat atom, atau inti, berada didalam struktur atom lebih erat daripada elektron yang ada di orbit terluar. Konduktor seperti emas, tembaga dan perak memiliki satu elektron di orbit luar mereka, yang juga disebut shell valensi. Elektron valensi ini dapat dengan mudah keluar dari atom mereka dan bergerak secara acak ke atom lain. Elektron ini disebut elektron bebas. Elektron bebas jika bertemu elektron valensi lainnya,akan menimbulkan lebih banyak elektron bebas.
Konduktor memiliki elektron bebas yang lebih banyak, bergerak secara acak dari atom ke atom. Isolator adalah kebalikan dari konduktor. Mereka mengandung banyak elektron shell valensi yang erat  untuk atom-atom mereka. Insulator memiliki elektron bebas sedikit dan sangat sedikit konduktor listrik

·        Tegangan dan Arus
Arus listrik adalah aliran teratur elektron. Arus satu ampere adalah ketika aliran elektron melewati suatu titik tertentupada tingkat 6,24 x 1018 (6,240,000,000,000,000,000) elektron per detik. Angka 6,24 x 1018 disebut juga coulomb. Jadi bisa kita katakn satu ampere (Amp)  adalah sama dengan satu coulomb yang melewati titik tertentu
dalam satu detik. Simbol yang digunakan dalam elektronik u adalah A.
Untuk memindahkan elektron dalam konduktor sehingga menghasilkan aliran arus, force/gaya harus diberikan pada konduktor. Pada sirkuit listrik
gaya ini adalah perbedaan potensial listrik antara dua titik dan disebut tegangan.Jadi, arus adalah aliran aktual elektron dan tegangan adalah gaya yang menyebabkan elektron mengalir.Simbol yang digunakan dalam elektronik untuk
arus adalah I, dan simbol untuk tegangan E.

Hambatan / Resistansi
Aliran arus melalui konduktor mendapatkan perlawaanan/hambatan dari konduktor. Perlawanan/hambatan ini disebut resistansi. Simbol yang digunakan untuk menunjukkan resistansi adalah R. Satuan ukuran untuk resistansi/hambatan/tahanan disebut ohm.
Simbol yang digunakan adalah ohm (Ω).

Sirkuit Arus Lemah (DC)
Seorang fisikawan Jerman bernama GS Ohm mengembangkan hubungan Definite antara teganganarus dan resistansi dalam sirkuit tertutupSirkuit terdiri dari sebuah sumber tegangan dan rangkaian lengkap untuk aliran arus. Rangkaian harus mulai dari satu sisi sumber tegangan dan berakhir pada sisi lain. Rangkaian ini menghasilkan 

beda potensial antara sisisatu dan sisi lain karena salah satu sisi sumber memiliki potensial positif dan yang lainnya memiliki potensial negatif. Mr Ohm menyatakan"Keadaan ini berbanding lurus dengan tegangan dan berbanding terbalik
dengan resistensi ". Hubungan  ini dikenal sebagai Hukum Ohm.


Secara Rumus Hukum Ohm adalah:

           Arus(dalam ampere) = Tegangan(dalam volt)
                                              Hambatan(dalam ohm)

Jika menggunakan symbol untuk arus, tegangan dan hambatan, hubungan ini bisa dinyatakan I = E/R bisa juga dinyatakan dalam E = IR atau tegangan adalah arus dikali hambatan.

Dalam rangkaian DC kita menggunakan symbol ini untuk baterai atau sumber daya

 Symbol ini dipakai untuk hambatan atau resistor. 


Berikut adalah contoh rangkaian arus searah (DC) :
Perhatikan, disini ada baterai sebagai sumber tegangan, konduktor dan hambatan terhadap arus (resistan). Ini adalah rangkaian tertutup agar arus bisa mengalir.
Resistan adalah beban atau apa yang menjadi perlawanan untuk arus listrik. Resistan bisa berupa bola lampu, elemen pemanas atau tipikal beban resistif yang lain semisal Load cell.
Mari kita cermati. Pada hukum Ohm I = E/R; Jika kita naikkan tegangan baterai, maka arus juga akan meningkat karena secara langsung tegangan dan arus adalah proporsional. Demikian juga apabila kita menaikkan nilai resistan, maka arus juga akan mengalami peningkatan karena secara tidak langsung arus dan hambatan adalah proporsional.

Rangkaian Resistif Seri

Rangkaian seri terdiri atas sebuah sumber daya / baterai, satu atau lebih tahanan dan arus yang mengalir hanya satu arah.
Seperti terlihat pada rangkaian, sumber daya yang digunakan adalah 10V. Dengan dua resistan dan arus yang mengalir hanya satu path. Dapat dikatakan dalam rangkaian seri, arus yang mengalir adalah konstan/tetap. Arus yang kita ukur dimanapun didalam rangkaian adalah sama.
Pada rangkaian ini, total resistan (Rt) adalah jumlah dari semua resistan yang dipakai (RT = R1+R2….). Semua berjumlah 400Ω. Menggunakan Hukum Ohm, total arus yang mengalir dalam rangkaian adalah IT = ET:RT, IT = 10V:400Ω = 0.25 amper atau 25 miliampere(mA).Karena arus total sudah kita ketahui, maka arus yang mengalir pada R1 dan R2 (IR1,IR2). Arus yang mengalir dalam rangkaian adalah tetap sehingga I= IR1 = IR2. Jumlah tegangan drop pada rangkaian sama dengan tegangan sumber yang dipakai. Berapa tegangan drop pada R1? Menggunakan Hukum Ohm, tegangan drop pada R1 (ER1) sama dengan arus yang mengalir di R(IR1) dikali resistan R1.
Pada rumus kita ketahui
                   ER1 = IR1 X R1 
                   
ER1 = 0.025A (100Ω) = 2.5 volts

ER2 = 0.025A (300Ω) = 7.5 volts

ET = ER1 + ER2

ET = 2.5V + 7.5V = 10V

Kita lihat pada contoh lain.

Barapakah  ER1, ER2, ER3 ?
Pertama kita perlu menghitung arus total yang mengalir dalam rangkaian  dengan Hukum Ohm, yang juga sama dengan arus yang mengalir pada setiap resistan:
IT = ET/RT

IT = 120V/6000Ω

IT = 20 mA
Telah diketahui juga bahwa RT = R1 + R2 + R3
Untuk mencari R3, bisa kita katakan R3 = RT – R1 – R2
R= 6KΩ - 2KΩ - 1KΩ

R= 3KΩ
Gunakan Hukum Ohm untuk mencari ER1, ER2, ER3
ER1 = IR1 x R1

= 0.020A x 2000Ω

= 40V

ER2 = IR2 x R2

= 0.020A x 1000Ω

= 20V

ER3 = IR3 x R3

= 0.020A x 3000Ω

= 60V
4
Rangkaian Resistor Paralel

Rangkaian parallel terdiri atas satu sumber daya, lebih dari satu cabang aliran arus.

Teganga sumber pada rangkaian parallel sama di setiap cabang. Oleh sebab itu dapat dikatakan tegangan pada rangkaian parallel adalah konstan / tetap. Total arus pada rangkaian adalah penjumlahan arus disetiap cabang rangkaian.
Resistan total pada rangkaian parallel dihitung dengan mencari invert (1/x) dari invert setiap R.
Terlihat pada rumus sebagai berikut:
RT =         1         
       1/R1 + 1/R2...

Untuk rangkaian kita:
RT =             1         
1/100 + 1/200

RT =       1   
          0.015

RT = 66.67Ω

Perhatikan bahwa total resistan lebih kecil dari pada nilai resistan terkecil. Untuk dua resistor parallel jumlah resistansinya dapat dihitung dengan rumus yang biasa disebut “Product Over the Sum.”
Terlihat sebagai berikut:

RT = (R1)(R2)
R1 + R2

RT = (100)(200)
100 + 200

RT = 20000
300

RT = 66.67Ω

Jika resistan parallel bernilai sama, nilai total resistan adalah nilai resistan dibagi jumlah resistan. Contohnya, jika ada 5, 100 ohm resistor parallel, total resistan nya adalah 100Ω/5 atau 20Ω.

Dengan Hukum Ohm, kita dapat menghitung arus total pada contoh rangkaian diatas.

IT = ET
      RT

IT = 10V     
      66.67Ω

IT = 150 mA

Gunakan Hukum Ohm untuk mencari IR1 and IR2.

I R1 = E R1
          R 1

=   10V
    100Ω

=  100 mA

I R2 = E R2
          R 2

=   10 
    200Ω

=  50 mA

Dengan menjumlahkan I R1 dan I R2 kita dapatkan total arus dalam rangkaian adalah 150 mA Sama seperti kita hitung memakai Hukum Ohm.

Rangkaian Seri-Paralel

Rangkaian seri-paralel setidaknya memiliki dua cabang paralel sebagai tambahan dari minimum satu resistor yang dilewati arus total.
Resistor yang dilalui arus total dinamakan resistor seri.
Berikut adalah contoh rangkaian seri-paralel.

Berapakah R T, I T, E R1, E R2, ER3 ?

Untuk mencari resistan total, carilah resistan equivalen terhadap R 2 dan R 3 yang di parallel
Req =        1       
1/R2 + 1/R3

=                1                
1/100 + 1/150

=        60Ω

Untuk mengetahui RT, tambahkan resistan seri. RT = R1 + Req

R T = 50Ω + 60Ω

R T = 110Ω

Untuk menghitung arus total dalam rangkaian, gunakan Hukum Ohm

I T = E T
       R T

I T =  10V
        110Ω

I T = 0.091A or 91mA

Karena arus total pada rangkaian melewati R1, bisa dikatakan IT =IR1. Dengan Hukum Ohm kita bisa hitung tegangan drop pada R1.

ER1` = I R1 x R 1

ER1 = 0.091A x (50Ω)

ER1 = 4.55 volts

Karena terjadi drop pada R 1 sebesar 4.55 Volt, sehingga tersisa 10V - 4.45V atau 5.45 volt yang mengalir melalui R2 dan R3. Dengan Hukum Ohm bisa diketahui arus yang mengalir melalui R2  dan R3 Arus total pada rangkaian akan terbagi dengan proporsional melalui R2  dan R3. Dengan kata lain total arus adalah jumlah dari tiap cabang arus  IR2  and I R3.

IR2 = ER2
         R2

=        5.45V
100Ω

= 0.0545A atau 54.5 mA

IR3 = ER3
         R3

=        5.45V
150Ω

= 0.0363A atau 36.3 mA

IT = IR2 + IR3

IT = 54.5 mA + 36.3 mA

= 90.8 mA

Dengan pembulatan dari 90.8mA, menjadi 91mA seperti pada perhitungan sebelumnya.

Perhatikan bahwa rangkaian seri-paralel harus memiliki minimum satu komponen yang akan dilewati oleh arus total rangkaian.
Rangkaian berikut sering ditafsirkan sebagai rangkaian seri-paralel, padahal bukan.
Melihat definisi rangkaian seri-paralel, dapat diketahui total arus rangkaian tidak melalui komponen manapun sebelum cabang . Rangkaian tersebut adalah murni rangkaian parallel.
Untuk mengetahui arus yang mengalir melalui R1 + R2 kita perlu menambahkannya dengan resistan total dari setiap cabang 6KΩ.
Dengan Hukum Ohm, diketahui arus yang mengalir pada cabang R1 + R2.
IR1+R2=         E R1+R2
                 R1+R2

=                    6V      
         6,000Ω

=                 1 mA

Untuk mengetahui arus yang melewati R3 + R4 tambahkan resistannya sehingga total 12KΩ. Gunakan Hukum Ohm untuk menghitung arus total:
I R3 +R4 =       E R3 + R4
                   R3 + R4

=                       6V   
          12,000Ω

=                 0.5 mA or 500 μA
Arus total rangkaian adalah jumlah arus pada tiap cabang atau IT = IR3 + R4 + IR1 + R2 atau 1 mA + 0.5 mA = 1.5 mA.
Untuk menghitung resistan total, gunakan Hukum Ohm
RT =   E T
 I T

=            6V    
0.0015A

=        4,000Ω or 4KΩ
Bisa juga kita hitung resistan total menggunakan rumus “reciprocal of the sum of the reciprocals” atau rumus “product
over the sum”. Kita ketahui resistan cabang R1 + R2 adalah 6.0KΩ dan resistan cabang R2 + R4 sebesar 12KΩ.

Dengan Hukum Ohm kita bisa ketahui tegangan drop di tiap resistan. Misalnya pada R1. Kita ketahui arus yang melalui R1sama dengan arus yang melalui R2 dan cabang rangkaian terdiri atas R1 + R2, karena resistan tersambung seri satu dan lainnya. untuk menghitung ER1 (tegangan drop di R1) pakailah Hukum Ohm, kalikan resistan R1 dengan arus yang melalui R1 (IR1).
ER1 = R 1 x I R1

= 1,500Ω x (0.001A)

= 1.5V
Hukum Ohm dapat dipakai juga untuk mencari tegangan drop pada setiap bagian dari rangkaian

Rangkaian tersebut adalah dasar dari Jembatan  Wheatstone (Wheatstone bridge) yang juga dipakai dalam rangkaian inti dari Load Cell.

Pada session berikutnya kita akan bahas rangkaian Jembatan Wheatstone ini.