M. Qolbi Al Zikri: Sensor

Aplikasi Kelompok - Kontrol Suhu, kelembaban dan Cahaya sebagai optimalisasi budidaya bayam di Ekowisata Sungkai Park

DAFTAR ISI

1. Tujuan

4.1 Prosedur Percobaan

4.2 Rangkaian Simulasi

4.3 Video

4.4 Download File

1. Tujuan [Daftar]

1. Mendesain rangkaian optimalisasi budidaya bayam di Ekowisata Sungkai Park.
2. Menjelaskan cara kerja rangkaian optimalisasi budidaya bayam di Ekowisata Sungkai Park.
3. Melakukan simulasi rangkaian optimalisasi budidaya bayam di Ekowisata Sungkai Park.

2. Alat dan Bahan [Daftar]

2.1 Alat [Daftar]

1. Power Supply DC

Berfungsi untuk mensuplai tegangan DC pada rangkaian.

2. Voltmeter

Berfungsi untuk mengukur tegangan pada rangkaian.

3. Amperemeter

Berfungsi untuk mengukur arus pada rangkaian.

2.2 Bahan [Daftar]

1. Resistor dan potensiometer

*Resistor 1k Ohm

Resistor merupakan komponen pasif yang memiliki nilai resistansi tertentu dan berfungsi untuk menghambat jumlah arus listrik yang mengalir dalam suatu rangkaian.
Potensiometer merupakan jenis Variable Resistor yang nilai resistansinya dapat berubah-ubah dengan cara memutar porosnya melalui sebuah tuas.

Fitur Potensiometer:
1. Rating daya 0.3W
2. Tegangan input maksimal 200V DC
3. Kemampuan putaran 2 juta kali

Datasheet Resistor

ctt: SFR16S(biru muda); SFR25(hijau muda); SFR25H(merah kecoklatan).

Datasheet Potensiometer

2. Dioda 1N4001

Berfungsi untuk penyearah arus pada rangkaian. Pada rangkaian ini dioda digunakan untuk mencegah tegangan yang tinggi akibat arus balik kumparan relay.

Fitur:
1. Arus maju rata-rata 1A
2. Arus puncak non-repetitif 30A
3. Arus balik 5uA
4. Tegangan balik RMS 35V
5. Tegangan balik repetitif 50V

Datasheet Dioda 1N4001

3. Transistor NPN (BC548/BC547)

Berfungsi sebagai penguat, sebagai sirkuit pemutus dan penyambung arus (switching), stabilisasi tegangan, dan modulasi sinyal. Pada rangkaian water level sensor ini transistor hanya digunakan sebagai saklar, dengan adanya arus di base maka transistor akan "on" sehingga akan ada arus dari kolektor ke emitor.

Fitur:
1. DC Current gain(hfe) maksimal 800
2. Arus Collector kontinu(Ic) 100mA
3. Tegangan Base-Emitter(Vbe) 6V
4. Arus Base(Ib) maksimal 5mA

Datasheet Transistor BC548 dan BC547

4. Op-Amp LM358

LM358 terdiri dari dua op-amp independen dengan kompensasi frekuensi tinggi. Perangkat ini memiliki drain arus power supply yang rendah. Pada rangkaian ini akan digunakan sebagai komparator.

Fitur:
1. Frekuensi dikompensasi internal untuk unity gain.
2. Penguatan DC yang tinggi: 100dB.
3. Supply 1.5V ~ 16V.
4. Supply arus 700uA.
5. Cocok untuk dioperasikan dengan baterai.
6. Tegangan dan arus Offset input rendah.
7. Kisaran tegangan input diferensial sama dengan tegangan catu daya.

Konfigurasi Pin LM358

Pin Number	Pin Name	Description
1 & 7	OUT1 & OUT2	Output Op Amp 1 dan 2
2 & 6	IN1(+) & IN2(+)	Input Non-Inverting 1 dan 2
3 & 5	IN1(-) & IN2(-)	Input Inverting 1 dan 2
4	GND	Ground
8	VCC	Input tegangan VCC

Datasheet Op-Amp LM358

5. Switch dan Button

Berfungsi sebagai pemutus arus pada rangkaian.

6. Relay

Berfungsi sebagai switch yang bekerja jika kumparan dialiri arus.

Fitur:
1. Tegangan pemicu (tegangan kumparan) 5V
2. Arus pemicu 70mA
3. Maksimum beban AC 10A @ 250/125V
4. Maksimum baban DC 10A @ 30/28V
5. Switching maksimum 300 operasi/menit

Datasheet Relay

7. Sensor LM35

LM35 adalah IC sensor suhu yang tegangan keluarannya bervariasi berdasarkan suhu di sekitarnya. IC ini dapat digunakan untuk mengukur suhu antara -55°C hingga 150°C. IC membutuhkan tegangan 5V di pin input. Jika suhu 0°C, maka tegangan keluaran juga akan 0V. Akan ada kenaikan 0,01V (10mV) untuk setiap kenaikan suhu derajat Celcius.

Fitur:
1. Tegangan input minimal -2V; maksimal 35V; khususnya 5V
2. Jangkauan suhu -55°C hingga 150°C
3. Output tegangan linear dengan temperatur; 10mV per 1°C
4. Akurasi ±0.5°C

Datasheet LM35

8. Sensor HIH-5030

Digunakan sebagai penghangat.

Fitur:
1. Beroperasi ideal pada 3V.
2. Near linear voltage output vs %RH.
3. Low power design.
4. Enhanced accuracy.
5. Fast response time.
6. Stable, low drift performance.
7. Chemically resistant.

Datasheet HIH-5030

9. LED

Berfungsi untuk lampu indikator ketinggian air pada rangkaian.

Datasheet LED

10. Heater

Digunakan sebagai penghangat untuk menaikan suhu jika suhu terlalu rendah.

11. Motor

Digunakan sebagai motor kipas dan humidifier. Motor kipas akan aktif jika suhu ruangan terlalu tinggi, dan motor himidifier akan aktif jika kelembapan di ruangan terlalu rendah.

3. Dasar Teori [Daftar]

1. Resistor

Resistor merupakan komponen pasif yang memiliki nilai resistansi tertentu dan berfungsi untuk menghambat jumlah arus listrik yang mengalir dalam suatu rangkaian. Resistor dapat diklasifikasikan menjadi beberapa jenis, diantaranya resistor nilai tetap (fixed resistor), resistor variabel (variabel resistor), thermistor, dan LDR.

*www.teknikelektronika.com

Cara membaca nilai resistor
Cara menghitung nilai resistansi resistor dengan gelang warna :
1. Masukan angka langsung dari kode warna gelang pertama.
2. Masukan angka langsung dari kode warna gelang kedua.
3. Masukan angka langsung dari kode warna gelang ketiga.
4. Masukkan jumlah nol dari kode warna gelang ke-4 atau pangkatkan angka tersebut dengan 10 (10^n).
5. Gelang terakhir merupakan nilai toleransi dari resistor.

Contoh pada resistor di atas nilai resistansi resistor adalah 134 Ohm.

Resistor Seri Resistor Paralel

2. Dioda 1N4001

Dioda adalah komponen yang terbuat dari bahan semikonduktor dan mempunyai fungsi untuk menghantarkan arus listrik ke satu arah tetapi menghambat arus listrik dari arah sebaliknya. Sebuah Dioda dibuat dengan menggabungkan dua bahan semi-konduktor tipe-P dan semi-konduktor tipe-N. Ketika dua bahan ini digabungkan, terbentuk lapisan kecil lain di antaranya yang disebut depletion layer. Ini karena lapisan tipe-P memiliki hole berlebih dan lapisan tipe-N memiliki elektron berlebih dan keduanya mencoba berdifusi satu sama lain membentuk penghambat resistansi tinggi antara kedua bahan seperti pada gambar di bawah ini. Lapisan penyumbatan ini disebut depletion layer.

Ketika tegangan positif diterapkan ke Anoda dan tegangan negatif diterapkan ke Katoda, dioda dikatakan dalam kondisi bias maju. Selama keadaan ini tegangan positif akan memompa lebih banyak hole ke daerah tipe-P dan tegangan negatif akan memompa lebih banyak elektron ke daerah tipe-N yang menyebabkan depletion layer hilang sehingga arus mengalir dari Anoda ke Katoda. Tegangan minimum yang diperlukan untuk membuat dioda bias maju disebut forward breakdown voltage.

Jika tegangan negatif diterapkan ke anoda dan tegangan positif diterapkan ke katoda, dioda dikatakan dalam kondisi bias terbalik. Selama keadaan ini tegangan negatif akan memompa lebih banyak elektron ke material tipe-P dan material tipe-N akan mendapatkan lebih banyak hole dari tegangan positif yang membuat depletion layer lebih besar dan dengan demikian tidak memungkinkan arus mengalir melaluinya. Kondisi ini hanya terjadi pada dioda yang ideal, kenyataannya arus yang kecil tetap dapat mengalir pada bias terbalik dioda.

Dioda dapat dibagi menjadi beberapa jenis:
1. Dioda Penyearah (Dioda Biasa atau Dioda Bridge) yang berfungsi sebagai penyearah arus AC ke arus DC.
2. Dioda Zener yang berfungsi sebagai pengaman rangkaian dan juga sebagai penstabil tegangan.
3. Dioda LED yang berfungsi sebagai lampu Indikator ataupun lampu penerangan.
4. Dioda Photo yang berfungsi sebagai sensor cahaya.
5. Dioda Schottky yang berfungsi sebagai Pengendali.

Diode Type	Pinouts	Symbol
Rectifier Diode
Zener Diode
Schottky Diode

*www.components101.com
*Dioda Schottky biasanya berukuran lebih besar dibandingkan dengan dioda penyearah dan memiliki ciri fisik yang sama

Karakteristik arus dan tegangan dioda

Di kuadran pertama dioda beroperasi dalam mode Forward Biased dan di kuadran ketiga dioda beroperasi dalam mode Reverse Biased dan Break Down. Sumbu X dari grafik menunjukkan tegangan melintasi dioda dan sumbu Y menunjukkan arus melalui Dioda. Selama mode bias maju dioda melewatkan arus hanya ketika tegangan yang melintasi dioda (VD) lebih besar dari 0.5V, ini adalah nilai tegangan maju Dioda untuk dioda silikon dan tegangan bisa sampai 0.7V seperti yang ditunjukkan pada grafik di atas.

Selama Reverse bias, tegangan melintasi dioda berada dalam potensial negatif sehingga arus juga ditampilkan dalam arah negatif. Di sini dioda tidak melewatkan arus atau bernilai kecil mengalir melewatinya sampai tegangan rusaknya (VBD) tercapai.

LED

LED merupakan keluarga dari Dioda yang terbuat dari Semikonduktor. Cara kerjanya pun hampir sama dengan Dioda yang memiliki dua kutub yaitu kutub Positif (P) dan Kutub Negatif (N). LED hanya akan memancarkan cahaya apabila dialiri tegangan maju (bias forward) dari Anoda menuju ke Katoda.

Ketika LED dialiri tegangan maju atau bias forward yaitu dari Anoda (P) menuju ke Katoda (K), Kelebihan Elektron pada N-Type material akan berpindah ke wilayah yang kelebihan Hole (lubang) yaitu wilayah yang bermuatan positif (P-Type material). Saat Elektron berjumpa dengan Hole akan melepaskan photon dan memancarkan cahaya monokromatik (satu warna).

Tegangan Maju LED

3. Transistor NPN (BC548 dan BC547)

Transistor PNP

Pada transistor PNP, semikonduktor tipe-N diapit oleh dua semikonduktor tipe-P. Transistor PNP juga dapat dibentuk dengan menghubungkan katoda dari dua dioda sebagai base dan anoda sebagai kolektor dan emitor. Hubungan emitter-base foward bias sementara collector-base reverse bias. Jadi, arus mengalir dari emitor ke kolektor karena potensial emitor lebih besar daripada base dan kolektor.

Transistor NPN

Pada transistor NPN, semikonduktor tipe-P diapit oleh dua semikonduktor tipe-N. Transistor NPN juga dapat dibentuk dengan menghubungkan anoda dari dua dioda sebagai base dan katoda sebagai kolektor dan emitor. Arus mengalir dari kolektor ke emitor karena potensial kolektor lebih besar daripada base dan emitor.

Transistor sebagai saklar
Jika ada arus yang cukup besar di kaki basis, transistor akan mencapai titk jenuh (saturasi). Pada titk jenuh ini transistor mengalirkan arus secara maksimum dari kolektor ke emitor sehingga transistor seolah-olah short pada hubungan kolektor-emitor. Jika arus base sangat kecil maka kolektor dan emitor bagaikan saklar yang terbuka. Pada kondisi ini transistor dalam keadaan cut-off sehingga tidak ada arus dari kolektor ke emitor. Nilai resistor terhubung ke base (Rb) dapat dihitung dengan;
Rb = Vbe / Ib

Transistor sebagai penguat
Transistor sebagai penguat jika bekerja dalam daerah aktif. Tegangan, arus, dan daya dapat diperkuat dengan beberapa konfigurasi seperti common emitter, common colector, dan common base.
DC Current Gain = Collector Current (Ic) / Base Current (Ib)

4. Op-Amp LM358

Karakteristik Faktor Penguat atau Gain pada Op-Amp pada umumnya ditentukan oleh Resistor Eksternal yang terhubung diantara Output dan Input pembalik (Inverting Input). Konfigurasi dengan umpan balik negatif (Negative Feedback) ini biasanya disebut dengan Closed-Loop configuration atau Konfigurasi Lingkar Tertutup. Umpan balik negatif ini akan menyebabkan penguatan atau gain menjadi berkurang dan menghasilkan penguatan yang dapat diukur serta dapat dikendalikan. Tujuan pengurangan Gain dari Op-Amp ini adalah untuk menghindari terjadinya Noise yang berlebihan dan juga untuk menghindari respon yang tidak diinginkan. Sedangkan pada Konfigurasi Lingkar Terbuka atau Open-Loop Configuration, besar penguatannya adalah tak terhingga (∞) sehingga besarnya tegangan output hampir atau mendekati tegangan Vcc.

Operational Amplifier (Op-Amp) yang ideal memiliki karakteristik sebagai berikut :
1. Penguatan Tegangan Open-loop atau Av = ∞ (tak terhingga)
2. Tegangan Offset Keluaran (Output Offset Voltage) atau Voo = 0 (nol)
3. Impedansi Masukan (Input Impedance) atau Zin= ∞ (tak terhingga)
4. Impedansi Output (Output Impedance ) atau Zout = 0 (nol)
5. Lebar Pita (Bandwidth) atau BW = ∞ (tak terhingga)
6. Karakteristik tidak berubah dengan suhu

Rangkaian dasar Op Amp

*From Engineering Circuit Analysis by William H. Hayt

Komparator Op Amp
Komparator digunakan untuk membandingkan dua tegangan (V non-inverting dan V inverting) dan mengubah outputnya berdasarkan tegangan sumber.

*From Engineering Circuit Analysis by William H. Hayt

Hubungan input-output:

*V1 adalah tegangan input non-inverting; V2 adalah tegangan input non-inverting; Vs adalah tegangan sumber (+Vs/-Vs)

Dari gambar dapat dilihat bahwa op amp digunakan untuk membandingkan Vin terhadap tegangan referensi 2.5V, serta pada op amp dihubungkan sumber tegangan +12V dan -12V. Grafik menunjukkan bahwa jika tegangan Vin lebih besar dari 2.5V maka Vout adalah -12V, sebaliknya jika tegangan Vin lebih kecil dari 2.5V maka Vout adalah +12V.

5. Relay

Relay adalah Saklar (Switch) yang dioperasikan secara listrik dan merupakan komponen Electromechanical (Elektromekanikal) yang terdiri dari 2 bagian utama yakni Elektromagnet (Coil) dan Mekanikal (seperangkat Kontak Saklar/Switch). Relay menggunakan Prinsip Elektromagnetik untuk menggerakkan Kontak Saklar sehingga dengan arus listrik yang kecil (low power) dapat menghantarkan listrik yang bertegangan lebih tinggi.

Terdapat besi atau yang disebut dengan nama iron core dililit oleh sebuah kumparan yang berfungsi sebagai pengendali. Sehingga ketika kumparan coil diberikan arus listrik maka akan menghasilkan gaya elektromagnet. Gaya tersebut selanjutnya akan menarik armature untuk pindah posisi dari normally close ke normally open. Dengan demikian saklar menjadi pada posisi baru normally open yang dapat menghantarkan arus listrik. Ketika armature sudah tidak dialiri arus listrik lagi maka ia akan kembali pada posisi awal, yaitu normally close.

Fitur:
1. Tegangan pemicu (tegangan kumparan) 5V
2. Arus pemicu 70mA
3. Maksimum beban AC 10A @ 250/125V
4. Maksimum baban DC 10A @ 30/28V
5. Switching maksimum 300 operasi/menit

6. Sensor LM35

Fitur:
1. Tegangan input minimal -2V; maksimal 35V; operasi 5V
2. Jangkauan suhu -55°C hingga 150°C
3. Output tegangan linear dengan temperatur; 10mV per 1°C
4. Akurasi ±0.5°C

7. Sensor HIH-5030

HIH-5030 adalah .

Grafik Hubungan Kelembapan dan Temperatur

Grafik Hubungan Tegangan Output dan Kelembapan

Sensor LDR

LDR (Light Dependent Resistor) merupakan salah satu komponen resistor yang nilai resistansinya akan berubah-ubah sesuai dengan intensitas cahaya yang mengenai sensor ini. LDR juga dapat digunakan sebagai sensor cahaya. Perlu diketahui bahwa nilai resistansi dari sensor ini sangat bergantung pada intensitas cahaya. Semakin banyak cahaya yang mengenainya, maka akan semakin menurun nilai resistansinya. Sebaliknya jika semakin sedikit cahaya yang mengenai sensor (gelap), maka nilai hambatannya akan menjadi semakin besar sehingga arus listrik yang mengalir akan terhambat.

Grafik Resistansi dengan Intensitas Cahaya

4. Percobaan [Daftar]

4.1 Prosedur Percobaan [Daftar]

Prosedur
1. Hubungkan rangkaian seperti pada gambar.
2. Hubungkan sumber ke vcc pada rangkaian.
3. Hubungkan voltmeter dan ampremeter untuk pengukuran pada rangkaian.
4. Mulai simulasi rangkaian dan aktifkan sensor secara bergantian.

4.2 Rangkaian Simulasi [Daftar]

RANGKAIAN

PRINSIP KERJA RANGKAIAN

Rangkaian diset untuk menjaga suhu antara 16-18*C dan kelembapan 90-95%. Jika kelembapan yang dideteksi sensor HIH-5030 meningkat maka tegangan outputnya juga meningkat. Untuk kelembapan 90% maka tegangan output dari sensor HIH-5030 adalah 3.61V. Tegangan pada output sensor menjadi input ke pin non-inverting op amp. Pada pin inverting opamp terhubung ke potensiometer dan digunakan untuk tegangan pembanding karena opamp bekerja sebagai komparator. Jika tegangan di pin non-inverting lebih besar daripada di pin inverting (kelembapan >= 90%) maka output op-amp akan HIGH, dan sebaliknya (kelembapan < 90%) maka output op-amp akan LOW.

Saat output op-amp HIGH maka arus dari output akan mengalir ke base transistor Q3 yang dibatasi oleh resistor 10k. Dengan adanya arus yang kecil di kaki base maka transistor akan ON dan bertindak sebagai saklar yang tertutup antara kolektor dan emitter. Karena transistor sudah ON, maka arus dari VCC mengalir menuju kolektor Q3 ke emitter Q3 mengalir ke kumparan relay dan menuju ke ground. Dengan adanya arus yang mengalir pada kumparan relay maka switch relay akan berpindah posisi sehingga humidifier mendapat suplai dan aktif sehingga kelembapannya meningkat.

Suhu ruangan diset agar terjaga 16-18*C. Pada suhu 15*C tegangan output LM35 adalah 151mV atau 0.151V. Tegangan pada output sensor menjadi input ke pin non-inverting op amp U2 dan pin inverting op amp U3. Pada pin inverting opamp U2 dan pin non-inverting op-amp U3 terhubung ke potensiometer dan digunakan untuk tegangan pembanding karena opamp bekerja sebagai komparator. Input inverting U2 diset pada tegangan 190mV atau 0.19V. Input non-inverting U3 diset pada tegangan 150mV atau 0.15V. Pada saat output LM35 15*C maka output U3 akan HIGH karena tegangan output LM35 lebih tinggi dibandingkan potensio RV2 dan lebih kecil dari potensio RV1. Arus dari output op-amp U3 akan mengalir ke base Q1 yang dibatasi resistor 10k, sehingga Q1 ON. Oleh karena itu arus dari VCC akan mengalir ke kolektor menuju emitter dan mengalir ke heater untuk menaikkan suhu ruangan.

Pada saat output LM35 19*C maka output U2 akan HIGH karena tegangan output LM35 lebih tinggi dibandingkan potensio RV1 dan lebih kecil dari potensio RV2. Arus dari output op-amp U2 akan mengalir ke base Q2 yang dibatasi resistor 10k, sehingga Q2 ON. Oleh karena itu arus dari VCC akan mengalir ke kolektor menuju emitter dan mengalir ke relay. Dengan adanya arus pada relay maka posisi saklar relay akan berubah sehingga motor DC mendapatkan suplai dan aktif.

4.3 Video [Daftar]