UTS - Aplikasi Kontrol Tank Air



1. Tujuan [Daftar]
1. Mendesain rangkaian kontrol tank air.
2. Menjelaskan cara kerja rangkaian kontrol tank air.
3. Melakukan simulasi rangkaian kontrol tank air.

2. Alat dan Bahan [Daftar]
2.1 Alat [Daftar]
1. Power Supply DC
Berfungsi untuk mensuplai tegangan DC pada rangkaian.

2. Sumber tegangan AC (VSINE)
Berfungsi sebagai sumber tegangan AC pada rangkaian.

2.2 Bahan [Daftar]
1. Resistor
*Resistor 1k Ohm
Resistor merupakan komponen pasif yang memiliki nilai resistansi tertentu dan berfungsi untuk menghambat jumlah arus listrik yang mengalir dalam suatu rangkaian.

Datasheet Resistor

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



2. Dioda 1N4001

Berfungsi untuk penyearah arus pada rangkaian. Pada rangkaian ini dioda digunakan untuk mencegah arus balik masuk ke output sensor dan opamp, serta 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. Switch dan Button
Berfungsi sebagai pemutus arus pada rangkaian.

5. Relay 5V
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

6. IR Obstacle Sensor
Sensor IR adalah sensor yang dapat mendeteksi objek yang berada di depannya. Sensor Infrared digunakan untuk mendeteksi gelombang inframerah yang dipantulkan dari IR LED menuju benda di dekatnya dan pantulannya diterima oleh IR Photodioda.

Fitur:
1. Tegangan operasi 5V
2. Jangkauan hingga 20cm
3. Rentang penginderaan dapat disesuaikan
4. Arus suplai 200mA

7. 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

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

Datasheet LED

9. Buzzer

Berfungsi sebagai indikator yang hidup jika air pada tangki sudah penuh.

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

10. Motor AC (Pompa Air)

Digunakan sebagai motor pompa air.


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. 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

5. Sensor IR (infrared)
Sensor Inframerah biasanya digunakan untuk robot pengikut garis dan robot penghindaran rintangan untuk mendeteksi garis atau benda di sekitarnya. Sensor bekerja dengan mendeteksi cahaya yang dipantulkan yang berasal dari LED inframerahnya sendiri. Dengan mengukur jumlah cahaya inframerah yang dipantulkan, ia dapat mendeteksi cahaya atau gelap (garis) atau bahkan objek langsung di depannya. LED merah onboard digunakan untuk menunjukkan keberadaan suatu objek atau mendeteksi garis. Rentang penginderaan dapat disesuaikan dengan resistor variabel bawaan.

Fitur:
1. Tegangan operasi 5V
2. Jangkauan hingga 20cm
3. Rentang penginderaan dapat disesuaikan
4. Arus suplai 200mA

Skematik Sensor

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

4. Percobaan [Daftar]
4.1 Prosedur Percobaan [Daftar]
Gambar Rangkaian


Kondisi saat air sudah setengah terisi.


Kondisi saat air sudah terisi penuh.


Kondisi jika sensor aktif. Seluruh sistem akan mati.



4.2 Rangkaian Simulasi [Daftar]
RANGKAIAN

PRINSIP KERJA RANGKAIAN
Baterai B1 mensuplai tegangan untuk rangkaian yang terdiri dari 3 LED dan 3 transistor (transistor 1, 2, dan 3) sebagai level ketinggian air. Jika air dalam tangki kosong maka LED hijau tidak akan menyala karena kaki base transistor 3 belum dialiri arus (transistor off), pompa air akan terus mengisi air ke dalam tangki. Jika air telah terisi sedikit sehingga melewati batas rendah maka LED hijau akan menyala karena kaki base transistor 3 sudah dialiri arus (transistor on). Jika air telah mengisi setengah bagian tangki maka LED kuning akan menyala karena kaki base transistor 2 sudah dialiri arus (transistor on). Jika air sudah terisi penuh maka LED akan menyala karena kaki base transistor 1 sudah dialiri arus (transistor on). Tidak hanya LED merah, Relay 1 dan 2 juga aktif sehingga posisi saklarnya berubah mengakibatkan pompa air mati dan buzzer aktif menandakan air sudah terisi penuh.

Baterai B3 mensuplai sensor PIR HC-SR501 dan sensor IR. Jika sensor PIR diberi logika HIGH maka akan ada arus yang mengalir ke transistor 4 dan 6. Output sensor ke kaki base transistor 4 mengaktifkan transistor sehingga Relay 3 aktif untuk mematikan buzzer. Output sensor ke kaki base transistor 6 mengaktifkan transistor sehingga Relay 5 aktif untuk mematikan pompa air. Jika sensor IR diberi logika HIGH maka akan ada arus yang mengalir dari outpur sensor ke kaki base transistor 5 sehingga transistor on yang mengakibatkan Relay 4 aktif untuk mematikan rangkaian pengukur ketinggian air.

4.3 Video [Daftar]