Analisa Sinyal Tegangan Output pada Perancangan Electro ...
Transcript of Analisa Sinyal Tegangan Output pada Perancangan Electro ...
JURNAL ELKOLIND, JULI 2018, VOL.05, N0. 2
37
Abstrak — Electro Surgical Unit (ESU) merupakan
pisau bedah medis yang digunakan dalam tindakan
operasi dengan tegangan dan frekuensi tinggi. Melihat
tindakan operasi menggunakan pisau medis manual akan
banyak kehilangan darah dan penutupan jaringan sangat
lama. Dengan frekuensi tinggi memastikan untuk pasien
tidak mengalami pendarahan selama tindakan operasi.
Pada Perancangan pisau bedah listrik menggunakan
kontrol PWM (Pulse Width Modulation) dimana PWM
sebagai pengatur lebar pulsa untuk mengatur tegangan
dan frekuensi yang dihasilkan. Rangkaian untuk
perancangan pisau bedah listrik memanfaatkan jenis accu
(baterai) sebagai sumber tegangan dan tidak lagi
menggunakan catu daya PLN. Dengan catu daya accu 12
Vdc, ada rangkaian pengubah tegangan DC ke AC yang
dirancang mengunakan MOSFET sebagai skalar
elektronik dan rangkaian driver IC TL494 sebagai ocilator
frekuensi pengontrol pemicuan MOSFET. Selain itu,
dibutuhkan rangkaian pendukung yaitu transformator
inti ferrit yang prinsip kerjanya adalah induksi antara dua
rangkaian yang dihubungkan oleh fluksmagnet. ESU
berhasil melakukan pengujian sayatan pada daging dan
diambil frekuensi yang terbaik diantara frekuensi 100 kHz
– 500 kHz dengan menggunakan dua mode yaitu cutting
frekuensi 300 kHz tegangan 886 Vpp dan mode
coagulation frekuensi 300 Khz tegangan 899 Vpp.
Kata kunci : ESU, PWM, tegangan, cutting frekuensi
I. PENDAHULUAN
danya perkembangan ilmu pengetahuan
dan teknologi dalam era globalisasi setiap
harinya mengalami perkembangan yang
dinamis, salah satu bentuk dari perkembangan
teknologi tersebut terutama di bidang kedokteran
yang membutuhkan banyak peralatan untuk
mendukung tindakan medis. Khususnya pada alat Electro
Andri Tri Setiawan adalah mahasiswa Program Studi Teknk Elektronika,
Jurusan Teknik Elektro, Politeknik Negeri Malang, email :
Achmad Komarudin dan Mohammad Luqmani adalah staf pengajar
Program Studi Teknik Elektronika, Jurusan Teknik Elektro, Politeknik Negeri
Malang
Surgical Unit (ESU) yang merupakan alat bantu bedah medis
yang digunakan dalam tindakan operasi dengan memanfaatkan
frekuensi tinggi dan tegangan tinggi. Melihat tindakan operasi
menggunakan pisau medis manual akan banyak kehilangan
darah dan penutupan jaringan sangat lama. Dengan
menggunakan ESU ini diharapkan selama tindakan operasi,
pasien tidak mengalami kehilangan banyak darah dan
penutupan jaringan sangat lama.
Electro Surgical Unit (ESU) ini berperan sangat penting
untuk tindakan operasi dan hampir semua Rumah Sakit yang
di Indonesia membutuhkan alat itu. Dengan demikian
ketersediaan ESU dalam tindakan operasi pasien sangat
dibutuhkan. Semua ESU yang ada merupakan alat – alat yang
di import dari luar negeri maka seluruh komponennya juga
berasal dari luar negeri, sehingga ketika terjadi kerusakan alat
harus mengganti komponen yang diimport dibutuhkan biaya
sangat mahal (Totok Winanrno, 2015).
Hampir semua peralatan yang ada diseluruh Rumah Sakit
pasti membutuhkan listrik. Peranan energi listrik dalam
kehidupan sangat dominan. Energi listrik merupakan sarana
produksi maupun sarana kehidupan sehari – hari yang
memegang peranan penting dalam upaya mencapai sasaran
pembangunan. Sebagai sarana produksi, tersedianya energi
listrik dalam jumlah dan mutu pelayanan yang baik serta yang
terjangkau merupakan penggerak utama (Ira Destiana, 2014).
Tetapi dilihat dari tahun ketahun, di Indonesia sering
mengalami pemadaman listrik dan membuat banyak orang
resah. Ada beberapa sektor kendala terjadinya pemadaman
listrik yaitu sektor pertama bahan baku seperti batubara yang
membutuhkan berapa ton setiap hari untuk memenuhi
kebutuhan listrik yang dari tahun ketahun meningkat. Sektor
kedua adalah bencana alam, pastinya terjadi pemadaman
listrik. Ketika terjadi bencana alam yang sangat besar dan
tidak kemungkinan listrik tetap menyala karena sangat
berbahaya. Apalagi Rumah Sakit yang membutuhkan listrik
tanpa berhenti seperti untuk tindakan operasi, peralatan yang
sangat membutuhkan listrik. Khususnya untuk tindakan
operasi yang dibutuhkan segera dan tepat waktu. Kebanyakan
orang yang meninggal dunia atau kesakitan saat perjalanan ke
Rumah Sakit dikarenakan peralatan yang ada di mobil
ambulan tidak terpenuhi. Kemungkinan beberapa peralatan
medis membutuhkan listrik.
Berdasarkan permasalahan tersebut penulis melakukan
penelitian yang berjudul “Analisa Sinyal Tegangan Output
Pada perancangan Electro Surgical Unit (ESU) Dengan
Sumber Input ACCU”.
Analisa Sinyal Tegangan Output pada Perancangan
Electro Surgical Unit (ESU) dengan
Sumber Input Accu
Andri Tri Setiawan, Achmad Komarudin, Mohammad Luqman
A
JURNAL ELKOLIND, JULI 2018, VOL.05, N0. 2
38
II. TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Electro Surgical Unit (ESU)
ESU merupakan salah satu alat yang memanfaatkan
frekuensi tinggi dari arus listrik tinggi yang digunakan baik
secara cutting (pemotongan) maupun coagulating
(penghentian alirah darah) pada tubuh pasien pada bedah
medis. [7] ESU adalah alat medis yang digunakan selalu
selama tindakan operasi. Dengan menggunakan ESU ini yang
diinginkan pasien selama tindakan operasi, tidak kehilangan
mengalami banyak darah karena ESU ini dapat selain
digunakan melakukan untuk pembedahan juga dapat menutup
jaringan setelah megalami pembedahan. Dengan kemajuan
teknologi membuat ESU ini wajib digunakan dalam proses
pembedahan[2]
Gambar 1 Prinsip ESU [9]
Gambar 2 Alat Cauter
Teknik electrocautery teknik yang merupakan
menggunakan tegangan (1000-2000) volt, frekuensi tinggi
yang dibangkitkan dengan generator pembangkit sinyal electro
surgical. Arus dari generator electro surgial akan
menghantarkan listrik melalui ujung elektroda ke menuju
resistansi atau tahanan tubuh manusia dan kembali ke
generator sinyal pembangkit melalui grounding pelat. Arus
frekuensi yang sangat tinggi ini menghasilkan pemanasan dan
menguapkan jaringan mengakibatkan pemotongan dan
pembekuan jaringan.
Frekuensi rendah antara (20 Hz-100KHz) yang mengalir
ke dalam tubuh manusia dapat menyebabkan efek saraf
merangsang dan otot sehingga terjadi kontraksi otot. Efek ini
biasanya digunakan dalam upaya kejut jantung agar terjadi
kontraksi otot jantung. Namun tinggi frekuensi diatas 100
KHz tidak mempunyai sifat merangsang motoris saraf atau
sensoris saraf. Hal ini dikarenakan ambang batas rangsangan
pada otot dan saraf adalah 100 KHz. Rentang tinggi frekuensi
antara 200 KHz sampai dengan 3,3 MHz, dapat digunakan
untuk penanganan bedah medis yaitu cutting dan coagulation.
Dari penggunaan sinyal untuk elekctrosurgery ini diharapkan
tindakan selama operasi pasien tidak mengalami kehilangan
banyak darah. Cara kerja dari electrosurgery unit ini adalah
sinyal membangkitkan dengan tinggi frekuensi yang
disesuaikan dengan efek medis yang diinginkan oleh dokter.
Sinyal jenis-jenis ini dapat dimanfaatkan untuk keperluan
berbagai mode berfungsi sebagai cutting atau coagulation.
Gambar 3 Mode ESU [9]
2.2 Inverter
Inverter adalah rangkaian elektronika yang digunakan
untuk mengubah tegangan DC (Direct Current) ke tegangan
AC (Alternating Curent). Suatu inverter keluaran berupa
tegangan AC yang di dapat dengan bentuk gelombang sinus
(sine wave), gelombang kotak (square wave) dan sinus
modifikasi (sine wave modified). Sumber input tegangan
inverter dapat menggunakan tenaga surya, atau tegangan
sumber DC yang lain. Tegangan DC yang biasanya dipakai
adalah 24V atau 12V dengan tegangan keluaran AC 220V dan
ada yang menggunakan tegangan input DC 28V dengan
tegangan keluaran AC 1250V (David L. Bowles). Inverter
proses dalam konversi tegangan DC ke tegangan AC
membutuhkan penaik suatu tegangan berupa step up
transformer.
Ada beberapa topologi inverter yang berkembang saat
ini, secara garis besar inverter dibedakan berdasarkan fasa
yang dibaliknya, yaitu inverter 1 fasa dan 3 fasa. Inverter 1
fasa itu sendiri, ada jenis tiga topologi yang dikenal, yaitu :
- Dorong tarik (Push Pull/Center Tapped
(Load)
- Setengah Jembatan (Half Bridge/Center
Tapped DC Supply)
- Jembatan Penuh/H-Bridge
2.3 Inverter Push Pull/Center Tapped Load
Secara sederhana prinsipkerja inverter push pull dapat
dejelaskan pada gambar 4
Gambar 4 Prinsip Kerja inverter push pull
Dengan menutup S1 maka arus yang mengalir ke trafo
adalah 1, sedangkan pada saat menutupnya S2 (S1 buka) maka
yang mengalir adalah 1. Selanjutnya dengan mengulang –
ulang proses diatas maka akan dihasilkan tegangan bolak –
balik (AC) yang kemudian tegangannya dinaikkan dengan
transformator.[4]
JURNAL ELKOLIND, JULI 2018, VOL.05, N0. 2
39
2.4 Boost Konverter
Dalam beberapa tahun terakhir, sistem penyimpanan
energi menggunakan baterai telah banyak diteliti dan
dikembangkan untuk sistem energi terbarukan. Untuk
memaksimalkan energi yang tersimpan pada baterai tentu
harus didukung dengan sistem transmisi energi dari baterai ke
beban (Hermansyah, 2015).
Gambar 5 Rangkaian Boost Konverter
Konverter tipe boost mempunyai prinsip kerja sebagai
berikut :
1. Pada saat saklar dalam posisi on inductor akan terisi
arus.
2. Pada saat saklar dalam posisi off, arus pada induktor
akan dikosongkan.
2.5 IC TL494
IC TL494 adalah sebuah IC control pulse width
modulation (PWM). Dengan pengendalian metode
memanfaatkan pulsa lebar untuk memberikan variasi tegangan
suplai. Konfigurasi pada IC TL494 pin ditunjukkan pada
gambar 2.6. Pada gambar 2.6 bahwa ditunjukkan TL494
merupakan IC yang jumlah pin 16 dan dengan tergolong kecil.
Gambar 6 IC TL494
2.6 Transformator Inti Ferrit
Transformator adalah suatu listrik alat yang dapat
memindahkan dan mengubah listrik energi dari satu atau lebih
rangkaian listrik ke rangkaian listrik yang lain, melalui
gandengan suatu magnet dan berdasarkan induksi prinsip
elektromagnetik. Prinsip kerja suatu transformator adalah
bersama (mutual induction) induksi antara 2 rangkaian yang
dihubungkan oleh fluks magnet. Bentuk dalam yang
sederhana, terdiri dari 2 buah kumparan pada transformator
yang secara terpisah listrik tetapi secara magnet dihubungkan
oleh suatu alur induksi[11]
Gambar 7 Bentuk Inti Ferrit
2.7 Baterai
Baterai adalah alat untuk menyimpan energi listrik,
mengubah energi listrik menjadi energi kimia saat pada
menyimpan prinsip kerjanya, dan mengubah energi kimia
menjadi energi listrik pada saat digunakan (Cahyo Ariwibowo,
2010). Komposisi baterai lead acid secara umum ditunjukan
pada gambar 2.8 dibawah ini:
.
Gambar 8 Komposisi sel baterai
2.8 Mikrokontroler
AVR (Alf and Vegard’s Risc Processor) merupakan jenis
salah satu mikrokontroler yang didalamnya terdapat
berbabagai macam fungsi. Keunggulan AVR dimiliki
dibandingkan dengan jenis mikrokontroler lain,
keunggulannya yaitu AVR memiliki kecepatan eksekusi
program yang lebih cepat karena besar sebagaian instruksi
dieksekusi dalam 1 siklus clock.
Gambar 9 Konfigurasi Pin ATMega32
JURNAL ELKOLIND, JULI 2018, VOL.05, N0. 2
40
2.9 PWM (Pulse Width modulation)
PWM merupakan mekanisme untuk sebuah sinyal
membangkitkan keluaran periodenya yang berulang antara
low dan high dimana dapat kita mengontrol durasi sinyal low
dan high sesuai dengan yang kita inginkan. Merupakan duty
cycle prosentase periode sinyal high dan periode sinyal, duty
cycle prosentase akan berbanding lurus dengan yang
dihasilkan tegangan rata-rata.
Gambar 10 Sinyal Referensi
III. METODOLOGI
3.1 Blok Diagram Sistem
Gambar 11 Blok Diagram Sistem
Penjelasan fungsi dari masing – masing diagram blok
gambar 11 adalah sebagai berikut :
1. Accu digunakan sebagai sumber input tegangan
untuk mensupply seluruh system yang membutuhkan tegangan
dc.
2. Push Buuton digunakan sebagai inputan untuk
mengatur duty cycle
3. Rangkaian Boost Konverter sebagai mengatur
tegangan power pada CT trafo.
4. Mikrokontroler digunakan untuk mengendalikan
input selanjutnya diproses dan ditampilkan pada LCD.
5. Rangkaian ICTL494/Driver sebagai modulator pwm
dan switching.
6. Display LCD ( liquid crystal display ) 16x2
digunakan untuk menampilkan data pemilihan mode menu.
7. Push pull sebagai pengubah tegangan DC menjadi
AC.
8. Pisau sebagai perantara antara alat dengan pasien
yang bertegangan tinggi.
3.2 Design Mekanik
Gambar 12 Gambar Box Tampak Depan
Gambar 13 Gambar Box Tampak Belakang
3.3 Perancangan dan Pembuatan Elektrik
Dalam pembuatan perancangan ESU diperlukan
rangkaian elektrik sebagai pendukung diantaranya :
1. Rangkaian PWM (TL494)
Penggunaan IC TL494 sebagai kontrol tegangan dan
frekuensi dengan cara mengatur lebar pulsa. y
Gambar 14 Rangkaian PWM (TL494)
2. Rangkaian Inverter Push Pull
Rangkaian ini rangkaian jenis topologi inverter push pull.
Gambar 15 Rangkaian PWM (TL494)
3. Rangkaian Boost Konverter
Penggunaan boost converter digunakan untuk mengatur
power pada transformer inti ferrit tersebut.
JURNAL ELKOLIND, JULI 2018, VOL.05, N0. 2
41
Gambar 16 Rangkaian Boost Konverter
Untuk mendesain konverter yang baik terlebih dahulu
ditetapkan spesifikasinya sehingga dapat diperhitungankan
nilai komponen-komponen yang tepat.
4. Rangkaian Tombol Push Button
Desain tombol seperti Gambar 17 menggunakan empat
buah tombol type push ON. Dimana setiap tombol salah satu
pin nya dimasukkan ke ground, pin yang lainnya masuk ke
port mikrokontroler dan di seri dengan resistor pull up.
Gambar 17 Desain Rangkaian Push Button
Desain tombol seperti Gambar diatas menggunakan empat
buah tombol type push ON. Yaitu terdiri dari tombol menu,
tombol kembali, tombol pilih, dan tombol mulai atau lanjut.
Dimana setiap tombol salah satu pin nya dimasukkan ke
ground, pin yang lainnya masuk ke port mikrokontroler.
5. Rangkaian Mikrokontroller ATMega32
Gambar 18 Rangkaian Minimum Sistem Atmega32
6. Disain Perancangan LCD 16x2
Pada perancangan LCD ada beberapa komponen
pendukung seperti trimpot yang berfungsi sebagai pengatur
kontras pada layar lcd dan diode yang berfungsi sebagai
pembatas arus yang masuk.
Gambar 19 Skema Rangkaian LCD 16x2
IV. HASIL DAN ANALISA
4.1 Pengujian Rangkaian Boost Konverter
Pengujian rangkaian ini bertujuan untuk membutikan
kesesuaian antara definisi dari boost konverter dengan
realisasi dari perancangan yang telah dibuat pada bab
sebelumnya.
Gambar 20 Sinyal pwm 6%
Pada gambar 20 dapat dilihat bahwa pada rangkaian boost
dapat menghasilkan sinyal kotak pwm dengan frekuensi
20.883 kHz dengan tegangan 12,3 Vpp.
4.2 Pengujian Rangkaian Driver Push Pull
Pada gambar dibawah ini diambil satu sinyal yaitu
frekuensi 300 kHz.
Gambar 21 Sinyal freq 300 kHz
Pada gambar 21 pada frekuensi 300 kHz menghasilkan
tegangan 12.139 Vac frekuensi 333 kHz
JURNAL ELKOLIND, JULI 2018, VOL.05, N0. 2
42
4.3 Pengujian Rangkaian LCD 16x2
Pengujian ini bertujuan untuk memastikan apakah LCD
bisa digunakan atau tidak.
Gambar 22 Pengujian LCD
4.4 Pengujian Rangkaian Push Buuton
Pengujian push button dilakukan untuk mengetahui apakah
tombol sudah berfungsi sesuai dengan perancangan.
Gambar 23 Pengujian Tombol
4.5 Pengujian Output ESU Mode Cutting
Pengujian mode cutting ini bertujuan untuk membuktikan
kesesuaian hasil akhir dari seluruh system.
Gambar 24 Sinyal freq 300 kHz
Analisa : pada gambar mode cutting diatas dapat diketahui
tegangan maksimal yang dapat dihasilkan pada tegangan
tinggi ini pada freq 300 kHz 886.655 Vpp dengan hasil
sayatan pada gambar 4.6 dibawah ini :
Gambar 25 Hasil Sayatan
4.6 Pengujian Output ESU Mode Coagulation
Pengujian mode coagulation ini bertujuan untuk
membuktikan kesesuaian hasil akhir dari seluruh system.
Tegangan dari transformator digunakan untuk menyayat
daging dengan mode coagulation.
Gambar 26 Sinyal freq 300 kHz
Analisa : pada gambar mode coagulation diatas dapat
diketahui tegangan maksimal yang dapat dihasilkan pada
tegangan tinggi ini pada freq dan 300 kHz 899.574 Vpp
dengan hasil coag pada gambar 4.10 dibawah ini :
Gambar 27 Hasil Coag
V. PENUTUP
5.1 Kesimpulan
Setelah melakukan perencanaan dan pembuatan sistem
alat kemudian dilakukan pengujian sehingga didapatkan
beberapa kesimpulan tentang sistem kerja dari alat yang
meliputi:
1. Pengujian yang telah dihasilkan pada mode cutting bahwa
frekuensi yang terbaik terdapat pada frekuensi 300 kHz
dengan output tegangan 886 Vpp dan pada mode coag
terdapat frekuensi 300kHz dengan output tegangan 899
Vpp. Jika dibandingkan dengan pengujian frekuensi yang
lain, pada pengujian 100 kHz masih kurang biasa
menghasilkan sayatan dikarenakan frekuensi belum cukup
tinggi dan pengujian frekuensi 400 kHz proses penyayatan
lebih lama dikarena daya yang dihasilkan lebih kecil
karena pengaruh dari inti ferrite saturasi terhadap frekuensi
tinggi.
2. Pada mode cutting dari tegangan input 12 Volt bisa
menghasilkan sayatan cukup untuk tindakan operasi dan
mode coagulation bisa menghasilkan pembakaran yg
sesuai diharapkan.
5.2 Saran
Dalam melakukan penilitian tentang Electro Surgical
Unit (ESU) ini masih perlu adanya pengembangan alat lebih
lanjut, maka diharapkan dapat dikembangkan dimasa
mendatang diantaranya:
1. Dalam perancangan ESU ini hanya mengguakan
rangkaian boost, maka perlu penambahan rangkaian buck
JURNAL ELKOLIND, JULI 2018, VOL.05, N0. 2
43
agar daya yang dihasilkan bisa dinaik turunkan
menyesuaikan objek yang dipotong atau mode
pembakaran.
2. Untuk lebih terkontrol secara otomatis perlu penambahan
sensor tegangan AC dan sensor arus pada output dari
transformator sehingga dapat menghasilkan close loop.
DAFTAR PUSTAKA
[1] Andi Ardiansyah (2010), Electro Surgical Unit Sebagai Alat Bantu
Bedah, Fakultas Teknologi Industri-Universitas Mercu Buana,
Jakarta.
[2] Ahwadz Fauzi, Trainer Mikrokontroler ATmega32 Sebagai Media
Pembelajaran Pada Kelas XI Program Keahliahn Audio Video Di
SMK Negeri 3 Yogyakarta, Jurusan Teknik Elektronika, Fakultas
Teknik, Universitas Negeri Yogyakarta.
[3] Bangkit Angun W (2012), Analisa Keandalan, Safety dan
ketidakpastian electro surgical unit di rumah sakit Dr. Mohammad
Soewandhie Surabaya. Jurusan Tekni Fisika, Fakultas Teknologi
Industri, Insitut Sepuluh November, Surabaya.
[4] Cahyo Ariwibowo (2015), Perancangan Inverter Dual Push Pull-
Full Bridge Pada Apliasi Fotovoltaik, Fakultas Teknik, Universitas
Diponegoro , Semarang.
[5] David L. Bowles (1966), The Central Inverter In A Spacecraft
Power System, VOL.AES-2. NO.4, Member IEEE
[6] Ira Destiana (2014), Analisis Pengaruh Pemadaman Listrik Secara
Berkala Serta Penggunaan Genst Terhadap Kegiatan Usaha
Mikro Di Kecamatan Medan Baru
[7] Joko Sunardi (2011), Rancang Bangun Pisau Bedah Listrik
Dengan Frekuensi 450 kHz (ESU), STTN-BATAN Yogyakarta.
[8] Kurt Barbe, IEEE, Toward a Tissue Model for Bipolar
Electrosurgery.
[9] Luis S (2013), Principle Of Electrocautery, Division of
Gastroenterology and Hepatology, Universitas of loisville &
Louisville VAMC.
[10] Muh. Abdul (2009), Kontrol Lampu Pada GEdung Bertingat
Berbasis Personal Computer (PC), Jurnal Neutrino Vol.1, No. 2
April 2009.
[11] Totok Winarno (2015), Analisa Sinyal Tegangan Keluaran Electro
Surgical Unit (ESU) Pada Alat Bedah Medis, Jurusan Teknik
Elektro, Polteknik Negeri Malang.