Sun Tracker dengan Sensor LDR, Sensor Hujan, dan Sensor PIR



1. Tujuan [Daftar]
1. Mendesain rangkaian Pendeteksi Cahaya Matahari.
2. Menjelaskan cara kerja rangkaian Pendeteksi Cahaya Matahari.
3. Melakukan simulasi rangkaian Pendeteksi Cahaya Matahari.

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. Kapasitor

Konfigurasi pin:
Kapasitor atau disebut juga dengan kondensator adalah komponen pasif yang dapat menyimpan muatan listrik dalam waktu sementara dengan satuan kapasitansi Farad (F). Para rangkaian ini kapasitor berperan untuk menstabilkan tegangan input dan output dari regulator tegangan 7805.

Datasheet Kapasitor



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. LDR (Light Dependent Resistor)
Berfungsi untuk mendeteksi cahaya laser yang mengenainya, jika intensitas cahaya yang mengenai LDR meningkat maka resistansinya akan menurun. LDR dibuat dari 2 sel photokonduktif Cadmium Sulfida (CdS) yang respon spektrumnya mirip dengan mata manusia. Resistansinya turun dengan meningkatnya intensitas cahaya. Aplikasinya seperti kontol penerangan otomatis, batch counting, serta sistem proteksi pencurian.

Fitur:
1. Respon spektrum lebar.
2. Kisaran suhu yang luas.
3. Harga murah.

Datasheet Sensor LDR

8. Rain Sensor

Berfungsi untuk mendeteksi adanya air hujan.

Fitur:
1. Tegangan kerja 5V.
2. Anti-oxidation, anti-conductivity, with long use time.
3. Output format: Digital switching output (0 and 1), and analog voltage output AO.
4. Potentiometer adjust the sensitivity.
5. Uses a wide voltage LM393 comparator.
6. Comparator output signal clean waveform is good, driving ability, over 15mA

Datasheet Sensor Hujan

9. Sensor PIR
Sensor PIR menggunakan objek di dekatnya sebagai sumber atau transmitter inframerah. Objek-objek di dekat sensor ini memancarkan energi yang dideteksi oleh IR Reciever.

Fitur:
1. Tegangan 5V-20V
2. Konsumsi arus 65mA
3. Waktu delay dapat disesuaikan (0.3-5min)
4. Waktu penguncian 0.2 detik
5. Metode trigger; L-nonaktifkan trigger berulang; H aktifkan trigger berulang
6. Jangkauan kurang dari 120 derajat, 7 meter
7. Temperatur -15°C hingga 70°C

Datasheet PIR

10. LED
Berfungsi untuk lampu indikator ketinggian air pada rangkaian.

Datasheet LED

11. Buzzer

Berfungsi sebagai indikator yang hidup jika ada binatang yang mendekat.

Fitur:
1. Tegangan operasi 4-8V DC
2. Arus <30mA
3. Frekuensi resonansi 2300Hz

12. Motor DC

Digunakan sebagai motor yang menggerakkan solar cell untuk mencari cahaya matahari. Motor DC normal hanya memiliki dua terminal. Karena terminal ini dihubungkan bersama hanya melalui kumparan, mereka tidak memiliki polaritas. Membalikkan koneksi hanya akan membalikkan arah motor.
Fitur:


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. Kapasitor
Kapasitor atau disebut juga dengan kondensator adalah komponen pasif yang dapat menyimpan muatan listrik dalam waktu sementara dengan satuan kapasitansi Farad (F). Satuan Farad bernilai sangat besar sehingga umumnya digunakan dalam satuan microFarad, nanoFarad, dan pikoFarad. Kapasitor terdiri dari 2 pelat konduktor yang dipisah oleh isolator di antara pelat. Kapasitor dapat dibagi 2, yaitu kapasitor nilai tetap (fixed capacitor) dan kapasitor variabel (variable capacitor):


Secara umum kapasitor memiliki fungsi sebagai berikut:
1. Penyimpan muatan listrik sementara.
2. Filter dalam rangkaian power supply.
3. Kopling.
4. Penggeser fasa, dll.

Cara membaca nilai kapasitor
Contoh pembacaan nilai kapasitor keramik (104J) : 10 * 10^4 pF = 10^5 pF = 100nF; toleransi (J : 5%) = ± 95nF sampai 105nF
Cara menghitung nilai kapasitor :
1. Masukan 2 angka pertama langsung untuk nilai kapasitor.
2. Angka ke-3 berfungsi sebagai perpangkatan (10^n) nilai kapasitor.
3. Satuan kapasitor dalam piko farad.
4. Huruf terakhir menyatakan nilai toleransi dari kapasitor.

Daftar nilai toleransi kapasitor :
B = 0.10pF
C = 0.25pF
D = 0.5pF
E = 0.5%
F = 1%
G = 2%
H = 3%
J = 5%
K = 10%
M = 20%
Z = + 80% dan -20%

Rumus Kapasitansi Kapasitor
C = Q×V

Kapasitor Seri                Kapasitor Paralel
  

3. 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.

4. 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


5. 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)


6. 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

7. Motor DC
Untuk membuatnya berputar hubungkan saja sisi positif (+) baterai ke satu terminal dan tanda Negatif (-) baterai ke ujung lainnya dan motor akan berputar. Jika ingin membalik kecepatan motor cukup tukar terminal dan arahnya juga akan dibalik. Untuk mengontrol kecepatan motor variasikan tegangan yang disuplai ke Motor, cara termudah untuk melakukannya adalah menggunakan Potensiometer.
Cara kerja motor DC


8. Sensor LDR
LDR (Light Dependent Resistor) merupakan salah satu komponen resistor yang nilai resistansinya akan berubah-ubah sesuai dengan intensitas cahaya yang mengenainya. LDR juga dapat digunakan sebagai sensor 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 semakin besar sehingga arus listrik yang mengalir akan terhambat. LDR sering digunakan sebagai sensor lampu penerang jalan otomatis, lampu kamar tidur, alarm, rangkaian anti maling, shutter kamera otomatis, dan lainnya.

Gambar grafik
Grafik perubahan resistansi terhadap intensitas cahaya.

Gambar respon cahaya
Grafik respon LDR terhadap spektrum cahaya tertentu.

9. Rain Sensor
Prinsip kerja dari sensor ini yaitu pada saat ada air hujan turun mengenai panel sensor maka akan terjadi proses elektrolisasi oleh air hujan. Dan karena air hujan termasuk dalam golongan cairan elektrolit yang dimana cairan tersebut akan menghantarkan arus listrik. Pada sensor hujan ini terdapat ic komparator yang dimana output dari sensor ini dapat berupa logika high dan low. Serta pada modul sensor ini terdapat output yang berupa tegangan analog. Sensor ini dapat digunakan untuk memantau kondisi ada tidaknya hujan di lingkungan luar yang dimana output dari sensor ini dapat berupa sinyal analog maupun digital.

Alur tembaga pada pad sensor bertindak seperti potensiometer dimana resistansinya bervariasi berdasarkan jumlah air yang terdeteksi di permukaannya. Jika terdapat banyak air pada permukaan sensor maka konduktivitasnya akan meningkat sehingga resistansinya menurun. Sedangkan jik sedikit air yang terdeteksi pada permukaan sensor maka konduktivitasnya buruk sehingga resistansinya meningkat.

Gambar perubahan resistansi sensor.

10. Sensor PIR HC-SR501(Passive Infrared)
Sensor PIR itu sendiri memiliki dua slot di dalamnya, masing-masing slot terbuat dari bahan khusus yang sensitif terhadap IR. Ketika sensor dalam keadaan idle, kedua slot mendeteksi jumlah IR yang sama, jumlah sekitar terpancar dari ruangan atau dinding atau di luar ruangan. Ketika tubuh hangat seperti manusia atau hewan lewat, ia pertama-tama memotong setengah dari sensor PIR, yang menyebabkan perubahan diferensial positif antara kedua bagian. Ketika tubuh hangat meninggalkan daerah penginderaan, kebalikannya terjadi, di mana sensor menghasilkan perubahan diferensial negatif. Pulsa perubahan inilah yang terdeteksi.

Fitur:
1. Tegangan 5V-20V
2. Konsumsi arus 65mA
3. Waktu delay dapat disesuaikan (0.3-5min)
4. Waktu penguncian 0.2 detik
5. Metode trigger; L-nonaktifkan trigger berulang; H aktifkan trigger berulang
6. Jangkauan kurang dari 120 derajat, 7 meter
7. Temperatur -15°C hingga 70°C


Skematik Sensor


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
Sensor LDR dikoneksikan seri dengan resistor 10k sebagai voltage divider, jika ldr menerima intensitas cahaya yang cukup tinggi maka resistansinya akan menurun, dengan resistansi yang menurun maka arus yang cukup besar akan mengalir ke resistor sehingga tegangannya naik. Jika ldr tidak menerima intensitas cahaya yang cukup maka resistansinya akan meningkat, dengan resistansi yang meningkat maka arus yang mengalir ke resistor semakin kecil sehingga tegangannya turun. Tegangan pada resistor 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 (cahaya terang) maka output op-amp akan HIGH, dan sebaliknya (cahaya gelap) maka output op-amp akan LOW.

Saat output op-amp HIGH maka arus dari output akan mengalir ke base transistor Q1 dan Q8 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 H-bridge mengalir menuju ke ground melalui kolektor Q1 menuju emitter Q1 masuk ke motor DC menuju kolektor Q8 menuju emitter Q8 dan akhirnya ke ground sehingga motor akan aktif. Jika arus bergerak dari kiri ke kanan pada gambar rangkaian, maka motor akan berputar berlawanan arah jarum jam dan begitu juga sebaliknya. Saat output op-amp LOW maka arus dari output akan mengalir ke base transistor Q6 dan Q7 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 H-bridge mengalir menuju ke ground melalui kolektor Q7 menuju emitter Q7 masuk ke motor DC menuju kolektor Q6 menuju emitter Q6 dan akhirnya ke ground sehingga motor akan aktif. Karena arus bergerak dari kiri ke kanan gambar maka motor akan berputar searah jarum jam. Rangkaian LDR 5 pada gambar digunakan untuk membatasi pergerakan motor, dimana apabila LDR tersebut sudah terkena cahaya yang intensitas cahayanya cukup tinggi maka motor akan berhenti.

Selanjutnya sensor hujan digunakan sebagai pendeteksi dan memberi peringatan adanya hujan. Output dari sensor ini terhubung ke rangkaian flip-flop. Kerja dari rangkaian flip-flop ini bergantung ke proses pengisian dan pengosongan kapasitor. Jika C2 sedang mengisi muatan dari R9 maka kapasitor C1 akan mengosongkan muatan dengan mengalirkan arus ke base transistor di kiri, dengan adanya arus di base maka transistor ON dan arus dari output sensor hujan mengalir melalui LED D1 dan R11 sehingga LED ON dilanjutkan menuju ke kolektor transistor dan emitter transistor dan akhirnya ke ground. Setelah C1 selesai mengosongkan muatan maka C1 akan mulai mengisi lagi melalui arus dari R10, dan C2 mengosongkan muatan. C2 mengosongkan muatan dengan mengalirkan arus ke base transistor di kanan, dengan adanya arus di base maka transistor ON dan arus dari output sensor hujan mengalir melalui LED D2 dan R11 sehingga LED ON dilanjutkan menuju ke kolektor transistor dan emitter transistor dan akhirnya ke ground. Proses pengosongan dan pengisian ini terus bergantian selama testpin dari sensor hujan bernilai 1 (HIGH).

Output dari sensor hujan juga terhubung ke transistor Q13 yang dibatasi oleh resistor 10K. Jika testpin sensor bernilai 1 (HIGH) maka arus dari output sensor akan mengalir ke base Q13. Dengan adanya arus maka transistor ON sehingga arus dari VCC mengalir ke kolektor transistor menuju emitter transistor dan mengalir ke kumparan relay sehingga saklar relay berubah posisi dan menonaktifkan rangkaian sun tracker.

Sensor PIR digunakan untuk pengusir binatang yang mungkin dapat mengganggu atau merusak rangkaian. Jika terdeteksi adanya objek yang mendekat maka output sensor PIR akan bernilai HIGH. Arus dari output sensor mengalir menuju base transistor Q12 yang dibatasi oleh resistor 10k. Dengan adanya arus pada base maka transistor ON sehingga arus dari VCC mengalir ke kolektor transistor menuju emitter transistor dan mengalir ke kumparan relay sehingga saklar relay berubah posisi dan mengaktifkan buzzer. Jika tidak terdeteksi pergerakan oleh sensor PIR maka output sensor akan bernilai 0 (LOW) sehingga tidak ada arus pada output dan buzzer tidak akan aktif.

4.3 Video [Daftar]