Tujuan1. Mahasiswa dapat merancang sistem kontrol penerangan otomatis menggunakan

sensor photodiode.

2. Mahasiswa dapat membuat sistem kontrol penerangan otomatis menggunakan

sensor photodiode

3. Mahasiswa dapat memahami prinsip kerja dari sistem kontrol penerangan

otomatis menggunakan sensor photodiode

A. DASAR TEORI1. 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

Photodioda digunakan sebagai penangkap gelombang cahaya 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 dapat memanfaatkan photo dioda ini pada kondisi reverse bias 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-AMPOp-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 : 1 buah

C. BLOK DIAGRAM

Gambar 6 Blok Diagram Rangkaian

D. GAMBAR RANGKAIAN

1. Skema Rangkaian

Gambar 8 Skema Rangkaian

2. Layout PCB

Cahaya

(PhotoDioda)

LM 324

Lampu MenyalaDriver

Lampu Mati

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 :

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:

Vsensorpraktek =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:

Vsensorpraktek = 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 :

Vtrimpotpraktek =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.