Modul 4 Elektronika

[KEMBALI KE MENU SEBELUMNYA]

MODUL 4

Kontrol Ruangan Labor

DAFTAR ISI

Percobaan ...

1. Pendahuluan[Kembali]

Laboratorium adalah tempat yang vital untuk kegiatan penelitian dan praktikum, namun juga memiliki potensi risiko kecelakaan yang tinggi, terutama bahaya kebakaran dan ketidakstabilan suhu yang dapat merusak peralatan sensitif. Pengawasan secara manual oleh manusia seringkali memiliki keterbatasan dalam hal kecepatan respons dan ketersediaan waktu 24 jam.

Dalam dunia elektronika, sistem otomatisasi tidak selalu harus bergantung pada pemrograman komputer yang rumit (seperti mikrokontroler). Prinsip-prinsip elektronika analog menggunakan komponen dasar seperti Operational Amplifier (Op-Amp) mampu menciptakan sistem kendali yang responsif, murah, dan handal.

Pada praktikum modul Kontrol Ruangan Labor ini, dirancang sebuah prototipe sistem keamanan dan kontrol lingkungan otomatis. Alat ini berfokus pada dua fungsi utama: pendeteksi kebakaran dini dan pengaturan suhu. Sistem ini memanfaatkan sensor api (flame sensor) untuk mendeteksi bahaya kebakaran yang kemudian secara otomatis mengaktifkan sistem pemadaman (sprinkler air), serta menggunakan elemen pemanas (heater) dan pendingin (fan) untuk mensimulasikan kontrol kondisi ruangan.

Melalui percobaan ini, diharapkan dapat dipahami bagaimana logika komparator tegangan pada rangkaian analog dapat bekerja sebagai "otak" untuk mengambil keputusan otomatis dalam menjaga keamanan ruangan laboratorium.

2. Tujuan[Kembali]

Tujuan dari pembuatan kontrol ruangan labor ini adalah sebagai berikut.

Merancang sistem kontrol ruangan labor berbasis analog yang mampu mendeteksi keberadaan api dan mengaktifkan mekanisme pemadam otomatis serta pendingin dan penghangat ruangan dalam bentuk nyata.
Meningkatkan pemahaman tentang penerapan komponen Op-Amp, sensor analog, dan sistem kontrol otomatis sederhana dalam bidang elektronika.
Menunjukkan penerapan teknologi tepat guna yang bermanfaat untuk meningkatkan standar keselamatan kerja dan meminimalisir risiko kebakaran di lingkungan laboratorium.
Meningkatkan kemampuan praktis dalam perancangan skema, perakitan komponen, dan pengujian rangkaian elektronika yang melibatkan sensor proteksi dan aktuator bertegangan tinggi.

3. Alat dan Bahan [Kembali]

Alat

a. Breadboard

Berfungsi sebagai papan sirkuit sementara untuk merangkai dan menguji koneksi antar komponen (Op-Amp, sensor, resistor) tanpa perlu melakukan penyolderan, sehingga memudahkan perbaikan jika terjadi kesalahan jalur.

b. Kotak Plastik

Digunakan sebagai wadah pelindung (enclosure) untuk meletakkan rangkaian elektronika agar rapi, atau difungsikan sebagai media simulasi fisik miniatur ruangan laboratorium yang akan dideteksi suhunya.

c. Power Supply 5V

Berfungsi untuk menyuplai tegangan arus searah (DC) yang stabil khusus untuk menghidupkan komponen kontrol logika tegangan rendah, seperti IC Op-Amp TL082, sensor api, dan coil pada relay.

d. Adapter 12V

Bertugas menyediakan sumber daya listrik dengan tegangan yang lebih tinggi untuk menggerakkan beban aktuator yang membutuhkan daya besar, seperti pompa air motor DC dan elemen pemanas (heater).

e. Jumper

Digunakan sebagai jalur penghubung elektris yang fleksibel untuk menyambungkan kaki-kaki komponen di atas breadboard serta mendistribusikan sinyal tegangan dari power supply ke seluruh rangkaian.

Bahan

a. Sensor Suhu (LM35)

Berfungsi sebagai komponen pengindera panas presisi untuk memantau suhu ruangan laboratorium secara real-time. Tegangan output sensor ini bersifat linear (naik sebesar 10mV setiap kenaikan 1°C), yang kemudian sinyalnya dikirim ke Op-Amp untuk dibandingkan guna menentukan kapan kipas pendingin harus dinyalakan.

b. Sensor Api (Flame Sensor)

Berfungsi mendeteksi keberadaan nyala api dengan cara menangkap gelombang cahaya inframerah (IR) pada spektrum 760nm-1100nm yang dipancarkan oleh api. Saat terjadi kebakaran, sensor ini mengalami penurunan resistansi drastis dan mengirimkan sinyal pemicu ke rangkaian kontrol untuk segera mengaktifkan pompa air dan sprinkler.

c. Operational Amplifier tipe tl082cp

TL082CP merupakan IC penguat operasional (Op-Amp) berjenis Dual JFET-Input yang populer dan serbaguna. Keunggulan utama TL082 adalah memiliki dua (ganda) penguat operasional independen di dalam satu paket 8-pin DIP, menjadikannya pilihan yang sangat efisien untuk sistem kontrol multi-sensor (seperti kontrol suhu dan api). Berkat teknologi JFET pada inputnya, IC ini menawarkan impedansi input yang sangat tinggi dan laju perubahan tegangan output (slew rate) yang cepat, memastikan sinyal respons yang lebih akurat dan cepat dalam aplikasi komparator. TL082CP dapat bekerja dengan catu daya tunggal maupun ganda. Dalam aplikasi kontrol ruangan labor ini, kedua saluran Op-Amp pada TL082CP dimanfaatkan sebagai komparator tegangan untuk membandingkan sinyal sensor (LM35 dan Flame Sensor) dengan tegangan referensi, sebelum sinyal keluaran memicu basis transistor driver.

Konfigurasi Pin TL082CP

Pin TL082CP diatur untuk mengakomodasi dua Op-Amp (Op-Amp 1 dan Op-Amp 2) dalam satu paket 8-pin:

Pin 1: Output 1, Pin keluaran dari Op-Amp pertama.
Pin 2: Input Inverting 1 (-), Pin input pembalik dari Op-Amp 1.
Pin 3: Input Non-Inverting 1 (+), Pin input non-pembalik dari Op-Amp 1.
Pin 4: V- / VEE, Dihubungkan ke tegangan negatif catu daya atau ke Ground (0V) pada sistem single supply.
Pin 5: Input Non-Inverting 2 (+), Pin input non-pembalik dari Op-Amp 2.
Pin 6: Input Inverting 2 (-), Pin input pembalik dari Op-Amp 2.
Pin 7: Output 2, Pin keluaran dari Op-Amp kedua.
Pin 8: Vcc+, Pin input tegangan positif. Dihubungkan ke terminal positif (+) dari catu daya (misalnya +5V atau +12V).

Cara Kerja TL082CP (Sebagai Komparator)

TL082CP memiliki tipe input JFET yang memberikannya impedansi input tinggi dan respons yang cepat (slew rate tinggi), sangat baik untuk fungsi komparator pada sistem keselamatan.

Perbandingan Tegangan: IC ini membandingkan besaran tegangan yang masuk pada Input Non-Inverting (+) dengan tegangan pada Input Inverting (−) untuk masing-masing Op-Amp (1 dan 2).
Output HIGH (Saturasi Positif): Ketika tegangan pada Input Non-Inverting (+) lebih tinggi daripada tegangan pada Input Inverting (−), maka output pada pin keluaran (Pin 1 atau Pin 7) akan menjadi HIGH (tegangan naik mendekati Vcc positif).
Output LOW (Saturasi Negatif): Ketika tegangan pada Input Inverting (−) lebih tinggi daripada tegangan pada Input Non-Inverting (+), maka output pada pin keluaran akan menjadi LOW (tegangan turun mendekati Ground/V-).
Output Push-Pull: Sama seperti LM741, TL082CP memiliki tipe output Push-Pull. Artinya, IC ini dapat secara aktif mengalirkan tegangan HIGH atau menariknya ke LOW tanpa memerlukan resistor pull-up, membuatnya sangat cocok untuk memicu basis transistor driver.

d. Transistor 2SD882

Transistor D882 , juga dikenal sebagai 2SD882, adalah transistor sambungan bipolar (BJT) NPN berdaya sedang yang umum digunakan dalam aplikasi amplifikasi dan switching untuk keperluan umum. Transistor ini dirancang dengan teknologi planar, menawarkan kinerja yang andal dan kemampuan penanganan arus yang moderat. Transistor ini memiliki tiga lapisan material semikonduktor dengan tiga terminal—emitor, basis, dan kolektor. Transistor ini memberikan amplifikasi arus yang efisien dengan rentang penguatan antara 60 dan 400, sehingga cocok untuk sirkuit berdaya rendah. Selain itu, D882 dapat dipasang pada heatsink melalui lubang sekrup pada paket SOT-32-nya, sehingga meningkatkan pembuangan panasnya selama operasi.

Spesifikasi:

Karakteristik:

e. Potensiometer

Potensiometer (POT) adalah salah satu jenis Resistor yang Nilai Resistansinya dapat diatur sesuai dengan kebutuhan Rangkaian Elektronika ataupun kebutuhan pemakainya. Potensiometer merupakan Keluarga Resistor yang tergolong dalam Kategori Variable Resistor. Secara struktur, Potensiometer terdiri dari 3 kaki Terminal dengan sebuah shaft atau tuas yang berfungsi sebagai pengaturnya.

Sebuah Potensiometer (POT) terdiri dari sebuah elemen resistif yang membentuk jalur (track) dengan terminal di kedua ujungnya. Sedangkan terminal lainnya (biasanya berada di tengah) adalah Penyapu (Wiper) yang dipergunakan untuk menentukan pergerakan pada jalur elemen resistif (Resistive). Pergerakan Penyapu (Wiper) pada Jalur Elemen Resistif inilah yang mengatur naik-turunnya Nilai Resistansi sebuah Potensiometer. Elemen Resistif pada Potensiometer umumnya terbuat dari bahan campuran Metal (logam) dan Keramik ataupun Bahan Karbon (Carbon).

f. Resistor

Resistor adalah komponen Elektronika Pasif yang memiliki nilai resistansi atau hambatan tertentu yang berfungsi untuk membatasi dan mengatur arus listrik dalam suatu rangkaian Elektronika (V=I R).

Jenis Resistor yang digunakan disini adalah Fixed Resistor, dimana merupakan resistor dengan nilai tetap terdiri dari film tipis karbon yang diendapkan subtrat isolator kemudian dipotong berbentuk spiral. Keuntungan jenis fixed resistor ini dapat menghasilkan resistor dengan toleransi yang lebih rendah.

Cara menghitung nilai resistor:

Tabel warna

Contoh :

Gelang ke 1 : Coklat = 1

Gelang ke 2 : Hitam = 0

Gelang ke 3 : Hijau = 5 nol dibelakang angka gelang ke-2; atau kalikan 105

Gelang ke 4 : Perak = Toleransi 10%

Maka nilai resistor tersebut adalah 10 * 10^5 = 1.000.000 Ohm atau 1 MOhm dengan toleransi 10%.

g. Relay

Relay adalah sebuah komponen elektronika yang berbentuk sakelar yang dioperasikan dengan listrik, dilengkapi 2 bagian diantaranya elektromagnet (Coil) dan mekanikal (Switch). Dimana komponen tersebut memanfaatkan prinsip elektromagnetik untuk dapat menggerakkan sakelar sehingga dapat menghantarkan arus listrik. Secara umum fungsi relay adalah sebagai komponen yang dapat mengubah arus listrik kecil menjadi aliran yang lebih besar lagi dengan memanfaatkan tenaga elektromagnetisme.

Cara Kerja:

Cara kerja relay adalah ketika kumparan elektromagnetik yang ada di dalamnya terdapat sebuah feromagnetis yang mendapatkan aliran listrik. Dengan demikian secara otomatis akan muncul sebuah medan magnet yang sifatnya sementara namun selalu ada.

Yang mana magnet tersebut akan menarik tuas armature sehingga dapat merubah posisi dari kontak switch yang awalnya dari NC (Normally Closed) berubah menjadi NO ( Normally Open).

NO (Normally Open) adalah sebuah kondisi yang mana relay belum mendapatkan adanya tekanan dan tuas berada di posisi normal. Sedangkan NC ( Normally Closed) adalah kondisi dimana relay sudah mendapatkan adanya tegangan dengan posisi tuas menarik dan kontak tertutup.

h. LED-Red

Cahaya pada LED dihasilkan dari proses rekombinasi elektron dan hole (lubang) pada persambungan P-N (P-N Junction) saat arus listrik mengalir dari Anoda (+) ke Katoda (-). Proses perpindahan elektron ini melepaskan energi dalam bentuk foton (cahaya). LED hanya akan menyala jika diberi bias maju, dan akan mati (bersifat memblokir arus) jika diberi bias terbalik (reverse bias).

Karakteristik Teknis:

Tegangan Kerja (Forward Voltage): Berkisar antara 1.8V hingga 3.3V, tergantung pada warna cahaya yang dihasilkan (Merah biasanya tegangan terendah, Biru/Putih tertinggi).
Arus Kerja: Umumnya beroperasi optimal pada arus 10mA – 20mA.
Proteksi: Wajib dipasang seri dengan Resistor pembatas arus untuk mencegah kerusakan akibat arus berlebih (over-current).

i. Fan 5V

Berfungsi sebagai aktuator pendingin aktif (active cooling) untuk melancarkan sirkulasi udara di dalam maket. Dalam simulasi sistem kontrol ruangan, kipas ini merepresentasikan unit pendingin udara (AC) atau exhaust yang bertugas menurunkan suhu ruangan saat dideteksi kondisi panas berlebih, serta mencegah komponen elektronika mengalami overheat.

j. DC to DC Converter

Berfungsi sebagai modul pengubah tegangan yang efisien, umumnya digunakan sebagai Step-Down (Buck Converter). Modul ini bertugas mengonversi tegangan input yang lebih tinggi (misalnya 12V dari sumber daya utama) menjadi tegangan output yang lebih rendah dan stabil (seperti 5V) untuk menyuplai daya ke komponen sensitif seperti sensor dan IC Op-Amp, dengan efisiensi daya yang jauh lebih baik dibandingkan regulator linear konvensional.

k. motor pompa 5v

4. Dasar Teori [Kembali]

a. Sensor LM35

Sensor suhu LM35 adalah komponen elektronika yang memiliki fungsi untuk mengubah besaran suhu menjadi besaran listrik dalam bentuk tegangan. LM35 memiliki keakuratan tinggi dan kemudahan perancangan jika dibandingkan dengan sensor suhu yang lain, LM35 juga mempunyai keluaran impedansi yang rendah dan linieritas yang tinggi sehingga dapat dengan mudah dihubungkan dengan rangkaian kendali khusus serta tidak memerlukan penyetelan lanjutan.

Meskipun tegangan sensor ini dapat mencapai 30 volt akan tetapi yang diberikan ke sensor adalah sebesar 5 volt, sehingga dapat digunakan dengan catu daya tunggal dengan ketentuan bahwa LM35 hanya membutuhkan arus sebesar 60 µA hal ini berarti LM35 mempunyai kemampuan menghasilkan panas (self-heating) dari sensor yang dapat menyebabkan kesalahan pembacaan yang rendah yaitu kurang dari 0,5 ºC pada suhu 25 ºC.

Karakteristik Sensor LM35 :

Memiliki sensitivitas suhu, dengan faktor skala linier antara tegangan dan suhu 10 mVolt/ºC, sehingga dapat dikalibrasi langsung dalam celcius.
Memiliki ketepatan atau akurasi kalibrasi yaitu 0,5ºC pada suhu 25 º.
Memiliki jangkauan maksimal operasi suhu antara -55 ºC sampai +150 ºC.
Bekerja pada tegangan 4 sampai 30 volt.
Memiliki arus rendah yaitu kurang dari 60 µA.
Memiliki pemanasan sendiri yang rendah (low-heating) yaitu kurang dari 0,1 ºC pada udara diam.
Memiliki impedansi keluaran yang rendah yaitu 0,1 W untuk beban 1 mA.
Memiliki ketidaklinieran hanya sekitar ± ¼ ºC.

Keistimewaan dari IC LM 35 :

Kalibrasi dalam satuan derajat celcius.
Lineritas +10 mV/ º C.
Arus yang mengalir kurang dari 60 μA
Dioperasikan pada catu daya 4 V – 30 V.
Range +2 º C – 150 º C.
Akurasi 0,5 º C pada suhu ruang.
Suhu lingkungan di deteksi menggunakan bagian IC yang peka terhadap suhu

Jika dilihat pada grafik, Ketika suhu semakin meningkat maka tegangan yang dihasilkan pun semakin besar, dimana setiap perubahan 1º C akan menghasilkan perubahan tegangan output sebesar 10mV.

b. Sensor Api (Flame Sensor)

Konfigurasi Pin:

Spesifikasi :

Grafik respon Flame sensor:

c. Fixed Bias Transistor

Fixed bias pada transistor BJT adalah metode yang sangat sederhana di mana tegangan basis transistor ditetapkan oleh sumber tegangan eksternal melalui sebuah resistor basis (RB). Konfigurasi dasar rangkaian ini melibatkan tegangan suplai (VCC), resistor kolektor (RC), dan resistor basis yang terhubung ke sumber tegangan bias (VBB). Kelebihan dari metode ini adalah kesederhanaannya, namun kelemahannya adalah stabilitas yang rendah. Fixed bias sangat sensitif terhadap variasi parameter transistor seperti β (gain) dan perubahan suhu, sehingga titik kerja transistor dapat mudah bergeser.

Gambar Rangkaian Fixed Bias

Rumus Untuk Rangkaian Fixed Bias

d. Komparator Non-Inverting

Rangkaian komparator non inverting dengan tegangan input Vi berupa gelombang segitiga dan tegangan referensi Vref ¹ 0 Volt baik positif maupun negatif adalah seperti gambar 9

Gambar 9 Rangkaian komparator non inverting

Untuk menghitung berapa tegangan ambang VUT atau VLT maka lakukan pemisalan kondisi tegangan output VO sama dengan +Vsat atau –Vsat.

Misalkan tegangan output VO = +Vsat seperti gambar 101 maka dapat dihitung tegangan ambang atas VLT

Gambar 10 Rangkaian komparator non inverting saat VO = +Vsat

Misalkan tegangan output VO = -Vsat seperti gambar 102 maka dapat dihitung tegangan ambang bawah VUT

Gambar 11 Rangkaian komparator non inverting saat V0= -Vsat

Bentuk gelombang tegangan output VO dengan Vref - adalah seperti pada gambar 12 dan karakteristik I-O seperti pada gambar 13

Gambar 12 Bentuk gelombang tegangan output dengan Vref = bertegangan negatif

Gambar 13 Kurva karakteristik I-O dengan Vref = bertegangan negatif

Sehingga:

e. Voltage Follower / Voltage Buffer

Voltage Buffer

Rangkaian voltage buffer berfungsi untuk mengisolasi sinyal input dari beban, menggunakan tahap penguat dengan penguatan tegangan satu (unity gain), tanpa pembalikan fasa atau polaritas, dan bertindak sebagai rangkaian ideal dengan impedansi input sangat tinggi serta impedansi output sangat rendah. Dalam konfigurasi ini, tegangan keluar (vo) sama dengan tegangan masuk (vi), yaitu

Gambar diatas menunjukkan bahwa satu sinyal input dapat dibagi ke dua output yang terpisah. Keuntungan dari konfigurasi ini adalah beban pada salah satu output tidak memengaruhi output lainnya, karena masing-masing output telah dibuffer (diisolasi). Dengan kata lain, setiap output bekerja secara independen, sehingga tidak saling mengganggu meskipun terhubung ke beban yang berbeda.

Penggunaan buffer amplifier

Bentuk Gelombang V input dan V output :

5. Dasar Teori [Kembali]

Cari Blog Ini

Faizil Fakhri