BLOG KULIAH

Rangkaian Simulasi Aplikasi Sensor PIR dan Sensor LDR Untuk Lampu dan Pintu Rumah Otomatis

[KEMBALI KE MENU SEBELUMNYA]

DAFTAR ISI

1.Tujuan

2. Alat dan Bahan

3. Dasar Teori

4. Percobaan (Proteus)

1. Tujuan

- Untuk mengetahui apa itu sensor PIR

- Untuk mengetahui apa itu sensor LDR

- Untuk mensimulasikan kedua sensor di atas untuk aplikasi lampu dan pintu rumah otomatis

2. Alat dan Bahan

a. Alat

- Power Supply

Power Supply berfungsi sebagai sumber energi listrik untuk menyuplai tegangan atau arus listrik.

- Motor DC

Motor DC menjadi sebuah rangkaian yang penting untuk dapat merubah arus listrik menjadi energi gerak.

- Ground

Grounding berfungsi untuk meniadakan beda potensial dengan mengalirkan arus sisa dari kebocoran tegangan atau arus pada rangkaian.

- Baterai

Battery ini berfungsi sebagai sumber daya listrik yang akan digunakan dalam simulasi ini.

- DC Voltmeter

Volmeter berfungsi sebagai untuk mengukur besar tegangan listrik.

- Alternator

Alternator pada rangkaian sebagai gambaran dari listrik AC dari pusat penyedia listrik.

- Logic State

b. Bahan

- Sensor PIR

a. Spesifikasi :

* Vin : DC 5V � 9V

* Radius : 180 derajat

* Jarak deteksi : 5 � 7 meter

* Output : Digital TTL

* Memiliki setting sensitivitas

* Memiliki setting time delay

* Dimensi : 3,2 cm x 2,4 cm x 2,3 cm

* Berat : 10 gr

b. Konfigurasi Pin :

- Sensor LDR

a. Spesifikasi :

* Tegangan maksimum (DC): 150V

*.Konsumsi arus maksimum: 100mW

* Tingkatan Resistansi/Tahanan : 10Ω sampai 4.100KΩ

* Puncak spektral: 540nm (ukuran gelombang cahaya)

* Waktu Respon Sensor : 20ms – 30ms

* Suhu operasi: -30° Celsius – 70° Celcius

- Transistor NPN BC547

a. Spesifikasi :

* Transistor Type : NPN

* Voltage – Collector Emitter Breakdown (Max) : 45 V

* Current- Collector (Ic) (Max) : 100mA

* Power – Max : 625 mW

* DC Current Gain (hFE) (Min) @ Ic, Vce : 110 @ 2mA, 5V

* Vce Saturation (Max) @ Ib Ic : 300mV, @ 5mA, 100mA

* Frequency – Transition : 300MHz

* Current- Collector Cutoff (Max) : -

*Mounting Type : Through Hole

* Package / Case : TO-226-3, TO-92-3 (TO-226AA) Formed Leads

* Packaging : Tape & Box (TB

* Lead Free Status : Lead Free

* RoHs Status : RoHs Compliant

b. Konfigurasi Pin :

* Emitter

* Base

* Colector

- Relay

a. Spesifikasi :

* Trigger Voltage (Voltage across coil) : 5V DC

* Trigger Current (Nominal current) : 70mA

* Maximum AC load current: 10A @ 250/125V AC

* Maximum DC load current: 10A @ 30/28V DC

* Compact 5-pin configuration with plastic moulding

* Operating time: 10msec Release time: 5msec

* Maximum switching: 300 operating/minute (mechanically)

b. Konfigurasi Pin

* Coil End 1 : Used to trigger(On/Off) the Relay, Normally one end is connected to 5V and the other end to ground.

* Coil End 2 : Used to trigger(On/Off) the Relay, Normally one end is connected to 5V and the other end to ground.

* Common (COM) : Common is connected to one End of the Load that is to be controlled.

* Normally Close (NC) : The other end of the load is either connected to NO or NC. If connected to NC the load remains connected before trigger.

* Normally Open (NO) : The other end of the load is either connected to NO or NC. If connected to NO the load remains disconnected before trigger.

- Lamp

a. Spesifikasi :

* Higher lumen output: from 1850 lm to 4900 lm

* Almost constant lumen maintenance throughout the entire life of the lamp due to Luxline Plus triphosphor technology

* High colour rendering (Ra85/Class1B)

* For electronic ballast operation only giving greater efficiency and advantages in improved starting and life performance

* Optimised ambient operating temperature at 35° C (max lumen output) allows compact luminaire designs

* Reduced storage volume and transportation costs

* Average rated life: up to 20000 hours

- Dioda

a. Spesifikasi :

- Package Type: Available in DO-45 & SMD Packages

- Diode Type: Silicon Rectifier General Usage Diode

- Max Repetitive Reverse Voltage is: 1000 Volts

- Average Fwd Current: 1000mA

- Non-repetitive Max Fwd Current: 30A

- Max Power Dissipation is: 3W

- Max Storage & Operating temperature Should Be: -55 to +175 Centigrade

b. Konfigurasi Pin :

* Pin 1 : Anoda

* Pin 2 : Katoda

- Resistor

a. Spesifikasi :

* Resistance (Ohms) : 220 V

* Power (Watts) : 0,25 W, ¼ W

* Tolerance : ± 5%

* Packaging : Bulk

* Composition : Carbon Film

* Temperature Coefficient : 350ppm/°C

* Lead Free Status : Lead Free

* RoHS Status : RoHs Complient

- OP-AMP

a. Spesifikasi :

* large input voltage range

* no latch-up

* high gain

* short-circuit protection

* no frequency compensation required

* same pin configuration as UA709

b. Konfigurasi Pin :

* Pin 1 : Offset null 1

* Pin 2 : Inverting input

* Pin 3 : Non inverting input

3. Dasar Teori

- Sensor PIR

Sensor ini biasanya digunakan dalam perancangan detektor gerakan berbasis PIR. Karena semua benda memancarkan energi radiasi, sebuah gerakan akan terdeteksi ketika sumber infra merah dengan suhu tertentu (misal: manusia) melewati sumber infra merah yang lain dengan suhu yang berbeda (misal: dinding), maka sensor akan membandingkan pancaran infra merah yang diterima setiap satuan waktu, sehingga jika ada pergerakan maka akan terjadi perubahan pembacaan pada sensor.

Sensor PIR terdiri dari beberapa bagian yaitu :
1. Fresnel Lens
Lensa Fresnel pertama kali digunakan pada tahun 1980an. Digunakan sebagai lensa yang memfokuskan sinar pada lampu mercusuar. Penggunaan paling luas pada lensa Fresnel adalah pada lampu depan mobil, di mana mereka membiarkan berkas parallel secara kasar dari pemantul parabola dibentuk untuk memenuhi persyaratan pola sorotan utama. Namun kini, lensa Fresnel pada mobil telah ditiadakan diganti dengan lensa plain polikarbonat. Lensa Fresnel juga berguna dalam pembuatan film, tidak hanya karena kemampuannya untuk memfokuskan sinar terang, tetapi juga karena intensitas cahaya yang relative konstan diseluruh lebar berkas cahaya.

2. IR Filter
IR Filter dimodul sensor PIR ini mampu menyaring panjang gelombang sinar infrared pasif antara 8 sampai 14 mikrometer, sehingga panjang gelombang yang dihasilkan dari tubuh manusia yang berkisar antara 9 sampai 10 mikrometer ini saja yang dapat dideteksi oleh sensor. Sehingga Sensor PIR hanya bereaksi pada tubuh manusia saja.

3. Pyroelectric Sensor
Seperti tubuh manusia yang memiliki suhu tubuh kira-kira 32 derajat celcius, yang merupakan suhu panas yang khas yang terdapat pada lingkungan. Pancaran sinar inframerah inilah yang kemudian ditangkap oleh Pyroelectric sensor yang merupakan inti dari sensor PIR ini sehingga menyebabkan Pyroelectic sensor yang terdiri dari galium nitrida, caesium nitrat dan litium tantalate menghasilkan arus listrik. Mengapa bisa menghasilkan arus listrik? Karena pancaran sinar inframerah pasif ini membawa energi panas. Material pyroelectric bereaksi menghasilkan arus listrik karena adanya energi panas yang dibawa oleh infrared pasif tersebut. Prosesnya hampir sama seperti arus listrik yang terbentuk ketika sinar matahari mengenai solar cell.

Grafik Respon Sensor PIR

1. Respon terhadap arah, jarak, dan kecepatan

2. Grafik Respon terhadap Suhu

- 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 respon sensor LDR

- Resistor

Resistor merupakan komponen elektronika dasar yang digunakan untuk membatasi jumlah arus yang mengalir dalam satu rangkaian.Sesuai dengan namanya, resistor bersifat resistif dan umumnya terbuat dari bahan karbon. Resistor mempunyai nilai resistansi (tahanan) tertentu yang dapat memproduksi tegangan listrik di antara kedua pin dimana nilai tegangan terhadap resistansi tersebut berbanding lurus dengan arus yang mengalir, berdasarkan persamaan Hukum OHM :

Di dalam resistor, terdapat ketentuan untuk membaca nilai resistor yang diwakili dengan kode warna dengan ketentuan di bawah ini :

- Transistor

Transistor merupakan salah satu komponen elektronika yang banyak sekali dipakai di dunia industri. Transistor yang umum dipakai memiliki 3 (tiga) metode kerja yaitu :

a.Cut Off adalah kondisi dimana transistor tidak mengalirkan arus listrik.

b.Saturasi adalah kondisi dimana transistor tepat mengalirkan arus listrik.

c.Aktif adalah kondisi dimana transistor bisa disebut sebagai penguat.

Dari 3 metode kerja pada transistor tersebut, dapat dijelaskan juga pada gambar yang merupakan karakteristik transistor.

Dari gambar, dapat dijelaskan kembali bahwa parameter – parameter pada transistor yaitu dapat dilihat pada penjelasan di bawah:

Jenis Nomor : Jumlah jenis perangkat merupakan nomor bagian individu yang diberikan ke perangkat. Nomor perangkat biasanya sesuai dengan JEDEC (Amerika) atau Pro-Elektron (Eropa). Ada juga sistem standar Jepang untuk penomoran pada transistor.

Kasus : Memeriksa sambungan pin karena pin-pin tersebut tidak selalu standar. Beberapa jenis transistor mungkin memiliki sambungan pin dengan format EBC, sedangkan kadang-kadang sambungan pin dengan format ECB, dan ini dapat menyebabkan kebingungan dalam beberapa kasus.

Bahan : Bahan yang digunakan untuk suatu perangkat sangat penting karena mempengaruhi persimpangan bias maju dan karakteristik lainnya. Bahan yang paling umum digunakan untuk transistor bipolar adalah silikon dan germanium.

Polaritas : Polaritas pada perangkat sangat penting karena mendefinisikan polaritas bias dan pengoperasian pada perangkat. Dua tipe NPN dan PNP. NPN adalah jenis yang paling umum. Kedua tipe ini memiliki kecepatan yang lebih tinggi sebagai elektron. Ketika berjalan dalam konfigurasi emitorumum, sirkuit NPN akan menggunakan tegangan rel positif dan garis umum negatif, transistor PNP akan membutuhkan rel negatif dan tegangan umum positif.

VCEO : Tegangan kolektor emiter dan bias terbuka.

VCBO : Tegangan kolektor bias dan emiter terbuka.

VEBO : Tegangan emiter bias dan kolektor terbuka.

IC : Arus kolektor.

ICM : Arus puncak kolektor.

IBM : Arus puncak bias.

PTOT : Disipasi daya total-ini biasanya untuk suhu sekitar25oC. Ini adalah nilai maksimum dari daya yang didapat dengan aman.

ICBO : Arus cut off kolektor bias.

IEBO : Arus cut off emiter bias.

hFE : Peningkatan arus.

VCEsat : Tegangan saturasi kolektor emiter.

VBEsat : Tegangan saturasi bias emiter.

Cc : Kapasitas kolektor.

Ce : Kapasitas emiter.

Secara fungsinya transistor dapat berfungsi sebagai saklar, kondisi ini setara dengan kondisi transistor pada saat saturasi dan fungsi lain dari transistor adalah sebagai penguat sinyal yakni sama dengan kondisi transistor pada saat transistor dalam keadaan mode kerja aktif.

Transistor BC547 merupakan transistor tipe NPN yang digunakan untuk switching agar mengaktifkan kontak relay dan relay tersebut akan memberikan kontak pada motor dc.

- Relay

Relay adalah saklar elektro-magnetik yang menggunakan tegangan DC rendah untuk menghidupkan dan mematikan suatu alat atau sistem yang terhubung dengan tegangan DC yang tinggi atau tegangan AC. Susunan relay yang paling sederhana terdiri atas kumparan kawat penghantar yang dugulung pada inti besi. Susunan kontak relay, secara umum terdiri dari :

* Normally Open (NO) : posisi saklar berada pada keadaan terbuka saat relay dalam keadaan tidak dialiri arus.

* Normally Close (NC) : posisi saklar berada pada keadaan tertutup saat relay dalam keadaan tidak dialiri arus.

Berdasarkan pada prinsip dasar cara kerjanya, relay dapat bekerja karena adanya medan magnet yang digunakan untuk menggerakkan saklar. Saat kumparan diberikan tegangan sebesar tegangan kerja relay maka akan timbul medan magnet pada kumparan karena adanya arus yang mengalir pada lilitan kawat. Kumparan yang bersifat sebagai elektromagnet ini kemudian akan menarik saklar dari kontak NC ke kontak NO. Jika tegangan pada kumparan dimatikan maka medan magnet pada kumparan akan hilang sehingga pegas akan menarik saklar ke kontak NC.

- Lamp

Sebuah Pilot lamp atau dalam bahasa indonesia lampu pilot merupakan sebuah lampu LED yang biasa digunakan sebagai lampu indikator dalam rangkaian sebuah alat atau mesin. Pilot lamp tersebut dapat bekerja sebagai mestinya jika dialiri daya daya AC sebesar 220 VAC dengan toleransi 110 –240 V AC. Warna yang dihasilkan Pilot lamp ini adalah lapu putih.

* Dioda

Dioda adalah komponen elektronika yang terdiri dari dua kutub dan berfungsi menyearahkan arus. Komponen ini terdiri dari penggabungan dua semikonduktor yang masing-masing diberi doping (penambahan material) yang berbeda, dan tambahan material konduktor untuk mengalirkan listrik.

Cara kerja dioda

Secara sederhana, cara kerja dioda dapat dijelaskan dalam tiga kondisi, yaitu kondisi tanpa tegangan (unbiased), diberikan tegangan positif (forward biased), dan tegangan negatif (reverse biased).

Beberapa kondisi dioda

- Kondisi tanpa tegangan

Pada kondisi tidak diberikan tegangan akan terbentuk suatu perbatasan medan listrik pada daerah P-N junction. Hal ini terjadi diawali dengan proses difusi, yaitu bergeraknya muatan elektro dari sisi n ke sisi p. Elektron-elektron tersebut akan menempati suatu tempat di sisi p yang disebut dengan holes. Pergerakan elektron-elektron tersebut akan meninggalkan ion positif di sisi n, dan holes yang terisi dengan elektron akan menimbulkan ion negatif di sisi p. Ion-ion tidak bergerak ini akan membentuk medan listrik statis yang menjadi penghalang pergerakan elektron pada dioda.

- Kondisi tegangan positif ( forward-bias )

Pada kondisi ini, bagian anoda disambungkan dengan terminal positif sumber listrik dan bagian katoda disambungkan dengan terminal negatif. Adanya tegangan eksternal akan mengakibatkan ion-ion yang menjadi penghalang aliran listrik menjadi tertarik ke masing-masing kutub. Ion-ion negatif akan tertarik ke sisi anoda yang positif, dan ion-ion positif akan tertarik ke sisi katoda yang negatif. Hilangnya penghalang-penghalang tersebut akan memungkinkan pergerakan elektron di dalam dioda, sehingga arus listrik dapat mengalir seperti pada rangkaian tertutup.

- Kondisi tegangan negatif ( reverse-bias )

Pada kondisi ini, bagian anoda disambungkan dengan terminal negatif sumber listrik dan bagian katoda disambungkan dengan terminal positif. Adanya tegangan eksternal akan mengakibatkan ion-ion yang menjadi penghalang aliran listrik menjadi tertarik ke masing-masing kutub. Pemberian tegangan negatif akan membuat ion-ion negatif tertarik ke sisi katoda (n-type) yang diberi tegangan positif, dan ion-ion positif tertarik ke sisi anoda (p-type) yang diberi tegangan negatif. Pergerakan ion-ion tersebut searah dengan medan listrik statis yang menghalangi pergerakan elektron, sehingga penghalang tersebut akan semakin tebal oleh ion-ion. Akibatnya, listrik tidak dapat mengalir melalui dioda dan rangkaian diibaratkan menjadi rangkaian terbuka.

* Power Supply

Power supply atau pencatu daya adalah sebuah alat elektronik yang berfungsi memberikan tegangan dan arus listrik pada komponen-komponen lainnya. Pada dasarnya power supply membutuhkan sumber listrik yang kemudian diubah menjadi sumber daya yang dibutuhkan oleh berbagai perangkat elektronik lainnya. Arus listrik yang disalurkan oleh power supply ini adalah jenis arus bolak-balik (AC). Namun karena kelebihan dari power supply ini, maka alat ini juga dapat mengubah arus bolak-balik (AC) menjadi arus searah (DC).

- OP-AMP

A. Pengertian Op-Amp (Operational Amplifier)

Operational Amplifier atau lebih dikenal dengan istilah Op-Amp adalah salah satu dari bentuk IC Linear yang berfungsi sebagai Penguat Sinyal listrik. Sebuah Op-Amp terdiri dari beberapa Transistor, Dioda, Resistor dan Kapasitor yang terinterkoneksi dan terintegrasi sehingga memungkinkannya untuk menghasilkan Gain (penguatan) yang tinggi pada rentang frekuensi yang luas. Dalam bahasa Indonesia, Op-Amp atau Operational Amplifier sering disebut juga dengan Penguat Operasional.

B. Karakteristik Op-Amp (Operational Amplifier)

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.

Secara umum, Operational Amplifier (Op-Amp) yang ideal memiliki karakteristik sebagai berikut :

Penguatan Tegangan Open-loop atau Av = ∞ (tak terhingga)

Tegangan Offset Keluaran (Output Offset Voltage) atau Voo = 0 (nol)

Impedansi Masukan (Input Impedance) atau Zin= ∞ (tak terhingga)

Impedansi Output (Output Impedance ) atau Zout = 0 (nol)

Lebar Pita (Bandwidth) atau BW = ∞ (tak terhingga)

Karakteristik tidak berubah dengan suhu

Pada dasarnya, kondisi Op-Amp ideal hanya merupakan teoritis dan hampir tidak mungkin dicapai dalam kondisi praktis. Namun produsen perangkat Op-Amp selalu berusaha untuk memproduksi Op-Amp yang mendekati kondisi idealnya ini. Oleh karena itu, sebuah Op-Amp yang baik adalah Op-Amp yang memiliki karakteristik yang hampir mendekati kondisi Op-Amp Ideal.

C. Rumus OP-Amp

untuk mencari Vout maka rumus yang di perlukan adalah:

rumus untuk mendapatkan nilai |Acl| (penguat loop tertuup) :

rumus untuk mencari Rout (AL= penguat loop) (Aol= penguat loop terbuka) :

D. Gelombang I/O OP-Amp

- Voltmeter DC

Voltmeter DC merupakan alat ukur yang berfungsi untuk mengetahui beda potensial tegangan DC antara 2 titik pada suatu beban listrik atau rangkaian elektronika. Konsep yang digunakan dalam sebuah volt meter DC hampir sama dengan konsep pada ampere meter. Pada volt meter arus searah atau DC volt meter tahanan shunt atau shunt resistor dipasang seri dengan kumparan putar magnet permanen (permanent magnet moving coil) PMMC yang berfungsi sebagai pengali (multiplier).

- Ground

Ground atau pertanahan adalah bagian dari Peralatan Listrik rumah. Namun kebanyakan dari masyatrakat Indonesia sudah terbiasa menyebut pertanahan atau gruonding ini dengan kata arde.
Ground atau arde pada instalasi listrik berguna sebagai pencegah terjadinya kontak antara makhluk hidup dengan tegangan listrik yang terekspos akibat terjadi kegagalan isolasi. Ground dalam rumah Anda terpasang dengan dua macam, yaitu untuk instalasi listrik rumah dan instalasi penangkal petir.

4. Percobaan (Proteus)

a. Prosedur Percobaan

1). Persiapkan semua komponen yang dibutuhkan

2). Posisikan semua komponen seperti pada gambar berikut

3). Rangkai semua komponen dengan tepat dan benar

4) Kemudian jalankan simulasinya

b. Gambar Rangkaian

Gambar saat sensor pir berlogika 0 dan sensor ldr tidak menerima cahaya

Gambar saat sensor pir berlogika 1 dan sensor ldr belum menerima cahaya

Gambar saat sensor pir berlogika 0 dan sensor ldr setelah menerima cahaya

Gambar saat sensor pir berlogika 1 dan sensor ldr setelah menerima cahaya

c. Prinsip Kerja

Pada rangkaian ini, LDR dan R1 sebagai pembagi tegangan serta Motor DC sebagai pintu yang akan otomatis bergerak ketika PIR mendeteksi adanya infrared.

Saat LDR mendapakan cahaya maka hambatan pada LDR semakin besar, yaitu >1M dan R1 kecil, sehingga tegangan dari baterai menjadi sangat kecil dan arusnya tidak dapat mengalir ke kaki basis Transistor Q1 dan Transistor Q2 dan kemudian tidak dapat mengaktifkan relay RL1 karena tidak ada arus atau tegangan yang lebih kecil dari yang diperlukan.

            Saat LDR tidak mendapatkan cahaya maka hambatannya menjadi kecil <100k sehingga tegangan dari baterai menjadi tidak banyak berkurang dan arusnya dapat mengalir ke kaki basis Transistor Q1 dan arus dari baterai dapat mengalir ke kaki kolektor Transistor Q1 yang kemudian arus dapat mengalir dari kaki emitor Transistor Q1 dan kemudian arus mengalir ke kaki basis Transistor Q2. Karena terdapat arus pada kaki basis Transistor Q2, maka arus dari baterai akan mengalir ke kaki kolektor Transistor Q2 dan arus keluar dari kaki emitor Transistor Q2. Arus ketika menuju kaki kolektor Transistor Q2 terlebih dahulu melewati relay sehingga mengaktifkan relay RL1.

            Disisi lain, ketika sensor PIR berlogika 0, maka tidak akan ada tegangan yang dioutputkan dan arus tidak akan mengalir ke relay RL2 untuk diaktifkan. Sedangkan ketika sensor PIR berlogika 1, maka akan ada tegangan yang dioutputkan dan arus akan mengalir ke op-amp (Non-Inverting) dan tegangan akan diperkuat sehingga dapat menggerakkan Motor DC dan mengaktifkan relay RL2.

            Hubungan antara RL1 dan RL2 :