Tujuan
1. Mahasiswa Mahasiswa dapat dapat merancang merancang sistem sistem kontrol kontrol penerangan penerangan otomatis otomatis menggunakan menggunakan sensor photodiode. 2. Mahasiswa Mahasiswa dapat dapat membuat membuat sistem sistem kontrol kontrol penerangan penerangan otomatis otomatis menggunakan menggunakan sensor photodiode 3. Mahasiswa Mahasiswa dapat dapat memahami memahami prinsip prinsip kerja dari dari sistem sistem kontrol kontrol penerangan penerangan otomatis menggunakan sensor photodiode
A. DASA DASAR R TE TEOR ORII 1. SENSOR
Sensor adalah komponen yang dapat digunakan untuk mengkonversi suatu besaran tertentu menjadi satuan analog sehingga dapat dibaca oleh suatu rangkaian elektronik. Sensor merupakan komponen utama dari suatu tranduser, sedangkan tranduser merupakan sistem yang melengkapi agar sensor tersebut mempunyai keluaran sesuai yang kita inginkan dan dapat langsung dibaca pada keluarannya.Contoh; Camera sebagai sensor penglihatan, telinga sebagai sensor pendengaran, kulit sebagai sensor peraba, Photodioda sebagai sensor cahaya, dan lainnya. Dalam rangkaian ini menggunakan photodioda sebagai sensor cahaya.
•
Photodioda
Photo Photodi diod odaa digun digunak akan an seba sebaga gaii penan penangk gkap ap gelom gelomba bang ng caha cahaya ya yang yang dipancarkan oleh Infrared. Besarnya tegangan atau arus listrik yang dihasilkan oleh photodioda tergantung besar kecilnya radiasi yang dipancarkan oleh infrared. Photo dioda mempunyai resistansi yang rendah pada kondisi forward bias, kita kita dapat dapat memanf memanfaat aatkan kan photo photo dioda dioda ini pada kondisi kondisi revers reversee bias bias dimana dimana resistansi dari photo dioda akan turun seiring dengan intensitas cahaya yang masuk. Photodiodes dibuat dari semikonduktor dengan bahan yang populer adalah silicon ( Si) atau galium arsenida ( GaAs), dan yang lain meliputi InSb, InAs,
PbSe. Material ini menyerap cahaya dengan karakteristik panjang gelombang mencakup: 2500 Å - 11000 Å untuk silicon, 8000 Å – 20,000 Å untuk GaAs. Jika photo dioda tidak terkena cahaya, maka tidak ada arus yang mengalir ke rangkaian pembanding, jika photo dioda terkena cahaya maka photodiode akan bersifat sebagai tegangan, sehingga Vcc dan photo dioda tersusun seri, akibatnya terdapat arus yang mengalir ke rangkaian pembanding.
2. OP-AMP
Op-amp mempunyai karakteristik resistansi masukan yang besar, resistansi keluaran yang kecil dan penguatan yang besar. Op-amp digunakan dalam penguat audio maupun untuk aplikasi peralatan elektronik. Simbol dari op-amp diperlihatkan pada gambar 2. Dari simbol tersebut terlihat adanya dua masukan, yaitu masukan non-inverting (V+) dan masukan inverting (V-). Vo merupakan keluaran dari op-amp.
Gambar 1 Simbol op-amp.
•
Komparator
Komparator adalah salah satu aplikasi dari op-amp (operational amplifier), dimana memiliki fungsi membandingkan besar dua potensial yang diberikan. Cara kerja dari piranti komparator adalah membandingkan beda tegangan yang diberikan pada masukan non inverting (V+) dan masukan inverting (V-). Jika V+ > V- maka output akan saturasi, jika V+ < V- dan V+ = V- maka output = 0.
Gambar 2 Tegangan keluaran op-amp.
Bentuk fisik IC LM 324 sebagai komparator adalah sebaga berikut :
Gambar 3 IC LM324
3. Transistor Sebagai Switch
Pada gambar ilustrasi transistor NPN berikut ini, junction base-emiter diberi bias positif sedangkan base-colector mendapat bias negatif (reverse bias).
Gambar 4 arus elektron transistor npn
Karena base-emiter mendapat bias positif maka seperti pada dioda, elektron mengalir dari emiter menuju base. Kolektor pada rangkaian ini lebih positif sebab mendapat tegangan positif. Karena kolektor ini lebih positif, aliran elektron bergerak menuju kutup ini. Misalnya tidak ada kolektor, aliran elektron seluruhnya akan menuju base seperti pada dioda. Tetapi karena lebar base yang sangat tipis, hanya sebagian elektron yang dapat bergabung dengan hole yang ada pada base. Sebagian besar akan menembus lapisan base menuju kolektor. Inilah alasannya mengapa jika dua dioda digabungkan tidak dapat menjadi sebuah transistor, karena persyaratannya adalah lebar base harus sangat tipis sehingga dapat diterjang oleh elektron. Jika misalnya tegangan base-emitor dibalik ( reverse bias), maka tidak akan terjadi aliran elektron dari emitor menuju kolektor. Jika pelan-pelan 'keran' base diberi bias maju ( forward bias), elektron mengalir menuju kolektor dan besarnya sebanding dengan besar arus bias base yang diberikan. Dengan kata lain, arus base mengatur banyaknya elektron yang mengalir dari emiter menuju kolektor. Ini yang dinamakan efek penguatan transistor, karena arus base yang kecil menghasilkan arus emiter-colector yang lebih besar. Istilah amplifier (penguatan) menjadi salah kaprah, karena dengan penjelasan di atas sebenarnya yang terjadi bukan penguatan, melainkan arus yang lebih kecil mengontrol aliran
arus yang lebih besar. Juga dapat dijelaskan bahwa base mengatur membuka dan menutup aliran arus emiter-kolektor ( switch on/off ).
•
TIP 31
Transistor TIP 31 merupakan transistor jenis n-p-n, sehingga basis dari transistor ini harus diberi tegangan positif agar dapat mengalirkan elektron yang ada pada kolektor mengalir menuju emitor. Pada basis transistor ini tegangan harus lebih besar dari 0.7 Volt agar dapat memicu transistor.
4. Relay
Relay adalah komponen elektronika berupa saklar elektronik yang digerakkan oleh arus listrik. Secara prinsip, relai merupakan tuas saklar dengan lilitan kawat pada batang besi (solenoid) di dekatnya. Ketika solenoid dialiri arus listrik, tuas akan tertarik karena adanya gaya magnet yang terjadi pada solenoid sehingga kontak saklar akan menutup. Pada saat arus dihentikan, gaya magnet
akan hilang, tuas akan kembali ke posisi semula dan kontak saklar kembali terbuka. Relay biasanya digunakan untuk menggerakkan arus/tegangan yang besar (misalnya peralatan listrik 4 ampere AC 220 V) dengan memakai arus/tegangan yang kecil (misalnya 0.1 ampere 12 Volt DC). Dalam pemakaiannya biasanya relay yang digerakkan dengan arus DC dilengkapi dengan sebuah dioda yang di paralel dengan lilitannya dan dipasang terbalik yaitu anoda pada tegangan (-) dan katoda pada tegangan (+). Ini bertujuan untuk mengantisipasi sentakan listrik yang terjadi pada saat relay berganti posisi dari on ke off agar tidak merusak komponen di sekitarnya. Penggunaan relay perlu memperhatikan tegangan pengontrolnya serta kekuatan relay men-switch arus/tegangan. Biasanya ukurannya tertera pada body relay. Misalnya relay 12VDC/4 A 220V, artinya tegangan yang diperlukan sebagai pengontrolnya adalah 12Volt DC dan mampu men-switch arus listrik (maksimal) sebesar 4 ampere pada tegangan 220 Volt. Sebaiknya relay difungsikan 80% saja dari kemampuan maksimalnya agar aman, lebih rendah lagi lebih aman.Relay jenis lain ada yang namanya reedswitch atau relay lidi. Relay jenis ini berupa batang kontak terbuat dari besi pada tabung kaca kecil yang dililitin kawat. Pada saat lilitan kawat dialiri arus, kontak besi tersebut akan menjadi magnet dan saling menempel sehingga menjadi saklar yang on. Ketika arus pada lilitan dihentikan medan magnet hilang dan kontak kembali terbuka (off).
5. Lampu Pijar
Bola lampu, atau lebih dikenal dengan lampu pijar (bohlam) adalah sumber cahaya buatan yang dihasilkan melalui penyaluran arus listrik melalui filamen yang kemudian memanas dan menghasilkan foton. Kaca yang menyelubungi filamen panas tersebut menghalangi oksigen di udara berhubungan dengannya, sehingga filamen tidak akan langsung rusak akibat te roksidasi.
Gambar 5 Bentuk dari Lampu Pijar (Bohlamp)
Bohlam terdiri dari dua buah kawat yang saling berhubungan ( Contact wire) dan bagian ujungnya di hubungkan ke sirkuit listrik ( Electrical contact ). Kawat di hubungkan ke filamen (filament) yang berbentuk gulungan kumparan. Filamen di letakan di tengah dan di topang oleh glass mount dengan bantuan kawat penopang (Support wires). Kawat dan filamen ini di selubungi dengan kaca yang di dalamnya dipenuhi dengan gas bertekanan rendah (inert gas) seperti argon, neon, nitrogen.
B. ALAT DAN BAHAN
1. Photodioda
: 1 buah
2. TIP 31
: 1 buah
3. Resistor 220
: 1 buah
4. Dioda
: 5 buah
5. Relay 12V/220VAC : 1 buah 6. Trimpot 50K C. BLOK DIAGRAM
: 1 buah
Cahaya
(PhotoDioda)
LM 324
Driver
Lampu Menyala
Lampu Mati Gambar 6 Blok Diagram Rangkaian
D. GAMBAR RANGKAIAN 1.
Skema Rangkaian
Gambar 8 Skema Rangkaian
2. Layout PCB
Gambar 9 Bentuk Layout PCB E. PRINSIP KERJA RANGKAIAN
F. Analisis Rangkaian 1. OP AMP sebagai Komparator
Dalam rangkaian ini OP AMP berfungsi sebagai komparator pembanding tegangan yang akan keluar menuju kedriver dan memicu motor. Komparator akan membandingkan inputan yang masukberupa tegangan positif atau negatif, Apabila tegangan yang masuk ke input non inverting OP AMP lebih besar dari inputan inverting maka tegangan keluarannya akan positif, sedangkan apabila tegangan yang masuk ke input inverting lebih besar dari inputan non inverting maka tegangan keluarannya akan negatif, seperti rumus berikut : Vout = V + jika
→
Vsensor > Vtrimpot
Vout = V − jika
→
Vsensor < Vtrimpot
2. Sensor
-
Hambatan normal LDR sebelum terkena cahaya = 200 Kohm – 500 Kohm
-
Hambatan LDR ketika terkena cahaya = 100 Ohm – 1 Kohm
a. Kondisi pada saat normal (belum ada cahaya) hambatannya 200Kohm Untuk mengitung tegangan keluaran dengan rumus pembagi tegangan: Vsensor =
R7 Rsen + R7
.Vs
=
10 K Ω 50 .5V = 200 K Ω + 10 K Ω 210
= 0,02V
Vsensor praktek =0 V
Jadi tegangan yang akan masuk ke input non inverting 0 V maka OP AMP tidakakan dapat bekerja karena LM 741 hanya dapat bekerja bila tegangan inputannya 1 – 12 Volt b. Kondisi pada saat terkena atau ada cahaya hambatannya 1Kohm Untuk mengitung tegangan keluaran dengan rumus pembagi tegangan: Vsensor =
R 7 Rsen + R 7
.Vs
=
10 K Ω 50 .5V = 3 K Ω + 10 K Ω 13
= 3,8V
Vsensor praktek = 3,4 V
Jadi tegangan yang akan masuk ke input non inverting 3,4V maka OP AMP akan dapat bekerja yang akan memicu driver. 3. Potemsiometer
Potensiometer pada rangkaian ini masuk ke input inverting OP AMP yang menggunakan
50Kohm
untuk
menghitung
tegangan
keluarannya
menggunakan rumus pembagi tegangan yaitu : Vtrimpot =
Rt Rt + Rt
.Vs
=
50 K Ω 250 .5V = 50 K Ω + 50 K Ω 100
= 2,5V
Vtrimpot praktek =2,8V
Jadi tegangan keluarannya adalah 2,8V, tegangannya lebih kecil saat sensor terkena cahaya maka keluarannya tegangan akan positif dan dapat memicu driver. 4. Output Op Amp
Vout = Vout praktek = 5. LED
Dalam rangkaian ini menggunakan resistor 330 Ohm agar dapat LED dapat menyala, LED dapat bekerja dengan tegangan maksimal 3 V, jika melebihi itu maka LED akan panas dan rusak. Hambatan pada LED adalah 100 Ohm 6. Transistor NPN TIP 41
Transistor dapat bekerja bila ada tegangan input minimal 0,7 Volt, maksimalnya kira-kira sama seperti tegangan Vccnya. Karena tegangan keluaran dari LED sekitar 1,16 V masih diatas 0,7 V maka transistor dapat aktif yang dalam rangkaian ini berfungsi sebagai saklar atau pemicu motor DC agar dapat bekerja. G. Prosedur Pemakain Alat
Ada bebrapa prosedur yang perlu dilakuka dalam penggunaan alat ini: •
Kabel input tegangan positif (V+) warna merah
•
Kabel input tegangan negatif (V-) warna hitam
•
Beri input tegangan sebesar 12 Volt
•
Beri tegangan output sebesar 220 Volt
•
Ketika relay telah berbunyi berarti rangkaian telah aktif.
•
Tutup LDR atau jauhkan dari LED sehingga lampu akan padam
•
Untuk mengatur sensifitas cahaya putar potensiometeryang ada di depan.
