SOAL NO 3
Inkubator merupakan alat yang digunakan untuk menjaga kondisi lingkungan tetap stabil, seperti suhu dan kelembapan, agar sesuai dengan kebutuhan biologis tertentu, misalnya dalam penetasan telur atau perawatan bayi prematur. Sistem kontrol otomatis pada inkubator menjadi sangat penting untuk menjaga parameter lingkungan dalam batas ideal. Untuk itu, dibutuhkan sistem berbasis sensor yang dapat mendeteksi perubahan lingkungan secara akurat dan memberikan respons melalui aktuator atau komponen output.
Pada proyek ini dirancang sebuah sistem kontrol inkubator yang menggunakan dua jenis sensor, yaitu sensor suhu LM35 sebagai sensor analog, dan sensor gerak PIR (Passive Infrared Sensor) sebagai sensor digital. Sensor LM35 bertugas memantau suhu di dalam inkubator secara kontinu, sedangkan sensor PIR mendeteksi adanya gerakan di sekitar inkubator, sebagai indikator aktivitas atau intervensi manusia. Sistem dirancang agar output tertentu—seperti pemanas, kipas, hanya aktif saat terpenuhi dua kondisi: suhu di luar batas normal dan tidak ada gerakan terdeteksi, atau kebalikannya. Pendekatan ini memungkinkan pengaturan lingkungan yang adaptif dan aman, terutama pada kondisi kritis atau saat diperlukan perhatian khusus.
1. Mengimplementasikan penggunaan sensor suhu LM35 untuk memantau kondisi termal dalam inkubator secara akurat.
2. Menggunakan sensor PIR untuk mendeteksi keberadaan atau aktivitas manusia sebagai faktor eksternal yang memengaruhi sistem.
3. Merancang sistem logika kontrol yang hanya mengaktifkan atau menonaktifkan output berdasarkan kombinasi dua kondisi sensor (misalnya suhu tinggi dan tidak ada gerakan).
1. Sensor PIR
Pengertian
Sensor PIR
Sensor PIR
(Passive Infrared Sensor) adalah sensor yang digunakan untuk mendeteksi
gerakan manusia atau hewan dengan cara menangkap perubahan radiasi
inframerah (panas) yang dipancarkan oleh tubuh.
Disebut “passive” karena sensor ini tidak memancarkan sinyal apa pun, melainkan hanya menerima radiasi inframerah dari lingkungan sekitarnya.
Cara
Kerja Sensor PIR
- Sensor
PIR memiliki dua elemen detektor yang sensitif terhadap panas
(inframerah).
- Saat
tidak ada gerakan, jumlah radiasi yang diterima kedua elemen sama → tidak
ada sinyal output.
- Ketika
ada gerakan tubuh hangat melewati sensor, distribusi panas berubah
secara tiba-tiba → sensor mendeteksi perubahan ini dan menghasilkan sinyal
digital (HIGH) pada output.
Bagian-Bagian Sensor PIR
- Lensa
Fresnel: mengarahkan sinyal panas ke detektor.
- Detektor
IR: mendeteksi perubahan radiasi panas.
- Sirkuit penguat &
komparator:
memproses sinyal dan menghasilkan output digital.
- Pin OUT, VCC, dan GND: untuk koneksi ke rangkaian.
Karakteristik
Sensor PIR
- Output berupa sinyal digital
(HIGH/LOW).
- Jarak deteksi: umumnya 3–7 meter.
- Sudut deteksi: sekitar 110° – 120°.
- Tegangan kerja: 3.3V – 5V.
- Tidak
mendeteksi benda mati (karena tidak memancarkan panas IR).
2. Sensor Suhu (LM35)
Dalam
pengoperasiannya pin Vs dihubungkan dengan tegangan sumber sebesar antara 4 –
20 volt sementara pin Ground dihubungkan dengan ground dan pin Vout merupakan
keluaran yang akan mengalirkan tegangan yang besarnya akan sesuai dengan suhu
yang diterimanya dari sekitar.
Prinsip
kerja alat pengukur suhu ini, adalah sensor suhu difungsikan untuk mengubah
besaran suhu menjadi tegangan, dengan kata lain panas yang ditangkap oleh LM35
sebagai sensor suhu akan diubah menjadi tegangan.
Diagram sirkuit ditunjukkan di atas. Secara singkat, ada
dua transistor di tengah gambar. Yang satu memiliki sepuluh kali luas emitor
yang lain. Ini berarti ia memiliki sepersepuluh dari kerapatan arus, karena
arus yang sama mengalir melalui kedua transistor. Ini menyebabkan tegangan
melintasi resistor R1 yang sebanding dengan suhu absolut, dan hampir linier
melintasi rentang yang kita pedulikan. Bagian "hampir" ditangani oleh
sirkuit khusus yang meluruskan grafik tegangan versus suhu yang sedikit
melengkung.
Penguat di bagian atas memastikan bahwa tegangan di dasar
transistor kiri (Q1) sebanding dengan suhu absolut (PTAT) dengan membandingkan
keluaran kedua transistor. Amplifier di sebelah kanan mengubah suhu absolut
(diukur dalam Kelvin) menjadi Fahrenheit atau Celsius, tergantung pada
bagiannya (LM34 atau LM35). Lingkaran kecil dengan "i" di dalamnya
adalah rangkaian sumber arus konstan. Kedua resistor dikalibrasi di pabrik
untuk menghasilkan sensor suhu yang sangat akurat.
Lampu pijar adalah jenis lampu yang menghasilkan cahaya
dengan memanaskan kawat filamen di dalam tabung kaca. Saat arus listrik
mengalir melalui filamen (biasanya dari bahan tungsten), filamen menjadi panas
dan berpijar, memancarkan cahaya tampak.
Bagian-Bagian
Lampu Pijar
- Filamen
– kawat tipis dari tungsten, menghasilkan cahaya saat dipanaskan.
- Tabung
kaca (bulb) – melindungi filamen dan berisi gas inert
(argon/nitrogen) untuk mencegah oksidasi.
- Kaki/konektor
logam – untuk menghubungkan lampu dengan sumber listrik.
- Gas
pengisi – menambah efisiensi dan memperpanjang umur
filamen.
Prinsip Kerja Lampu Pijar
- Saat
diberi tegangan, arus mengalir ke filamen.
- Filamen
mengalami hambatan listrik dan memanas hingga suhu tinggi (~2500–3000°C).
- Akibat
suhu tinggi, filamen berpijar dan memancarkan cahaya.
- Cahaya
ini adalah kombinasi dari cahaya tampak dan energi panas (infrared).
4. Resistor
Resistor adalah komponen dasar elektronika yang selalu digunakan dalam setiap rangkaian elektronika karena bisa berfungsi sebagai pengatur atau untuk membatasi jumlah arus yang mengalir dalam suatu rangkaian. Dengan resistor, arus listrik dapat didistribusikan sesuai dengan kebutuhan. Sesuai dengan namanya resistor bersifat resistif dan umumnya terbuat dari bahan karbon. Satuan resistansi dari suatu resistor disebut Ohm atau dilambangkan dengan simbol Ω (Omega).
Simbol Resistor :
Cara menghitung nilai resistor :
a. Membaca Kode Warna Resistor
b. Membaca Resistor SMD
c. Menggunakan Multimeter Analog/Digital
4 Gelang Warna
Masukkan angka langsung dari kode warna Gelang ke-1 (pertama)
Masukkan angka langsung dari kode warna Gelang ke-2
Masukkan Jumlah nol dari kode warna Gelang ke-3 atau pangkatkan angka tersebut dengan 10 (10n)
Merupakan Toleransi dari nilai Resistor tersebut
Contoh :
Gelang ke 1 : Coklat = 1
Gelang ke 2 : Hitam = 0
Gelang ke 3 : Hijau = 5 nol dibelakang angka gelang ke-2; atau kalikan 105
Gelang ke 4 : Perak = Toleransi 10%
Maka nilai Resistor tersebut adalah 10 * 105 = 1.000.000 Ohm atau 1 MOhm dengan toleransi 10%.
5 Gelang Warna
Masukkan angka langsung dari kode warna Gelang ke-1 (pertama)
Masukkan angka langsung dari kode warna Gelang ke-2
Masukkan angka langsung dari kode warna Gelang ke-3
Masukkan Jumlah nol dari kode warna Gelang ke-4 atau pangkatkan angka tersebut dengan 10 (10n)
Merupakan Toleransi dari nilai Resistor tersebut
Contoh :
Gelang ke 1 : Coklat = 1
Gelang ke 2 : Hitam = 0
Gelang ke 3 : Hijau = 5
Gelang ke 4 : Hijau = 5 nol dibelakang angka gelang ke-2; atau kalikan 105
Gelang ke 5 : Perak = Toleransi 10%
Maka nilai Resistor tersebut adalah 105 * 105 = 10.500.000 Ohm atau 10,5 MOhm dengan toleransi 10%.
Rumus :
-Jika rangkaian seri, maka :
-Jika rangkaian paralel, maka :
5. Dioda
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
6. Relay
Pengertian Relay
Relay adalah saklar elektromekanik yang dikendalikan oleh arus listrik. Ketika arus mengalir ke koil (kumparan) dalam relay, medan magnet akan terbentuk dan menarik saklar internal untuk menghubungkan atau memutus rangkaian lain. Relay digunakan untuk mengendalikan arus besar dengan sinyal arus kecil.
Bagian-Bagian Utama Relay
- Koil (Coil) – kumparan kawat yang menghasilkan medan magnet saat diberi arus.
- Armature (Lengan Penarik) – bagian logam yang bergerak karena gaya magnet dari koil.
- Spring (Pegas) – mengembalikan armature ke posisi semula saat koil mati.
- Kontak Saklar – bagian yang membuka atau menutup rangkaian (NO, NC, dan COM).
Cara Kerja Relay
- Saat koil tidak aktif: kontak berada di posisi NC → arus mengalir ke jalur ini.
- Saat koil aktif (diberi arus): medan magnet menarik armature → kontak berpindah ke NO → arus mengalir melalui jalur NO.
7. Motor
DC Motor adalah suatu perangkat yang mengubah energi listrik menjadi energi kinetik atau gerakan (motion). Motor DC ini juga dapat disebut sebagai Motor Arus Searah. Seperti namanya, DC Motor memiliki dua terminal dan memerlukan tegangan arus searah atau DC (Direct Current) untuk dapat menggerakannya.
Simbol DC Motor :
Pin out :
Cara Kerja DC Motor : Pada prinsipnya motor listrik DC menggunakan fenomena elektromagnet untuk bergerak, ketika arus listrik diberikan ke kumparan, permukaan kumparan yang bersifat utara akan bergerak menghadap ke magnet yang berkutub selatan dan kumparan yang bersifat selatan akan bergerak menghadap ke utara magnet. Saat ini, karena kutub utara kumparan bertemu dengan kutub selatan magnet ataupun kutub selatan kumparan bertemu dengan kutub utara magnet maka akan terjadi saling tarik menarik yang menyebabkan pergerakan kumparan berhenti.
8. Transistor
Pengertian Transistor
Transistor adalah komponen elektronik aktif yang digunakan untuk menguatkan sinyal, mengalihkan (switch), atau mengatur arus listrik. Transistor memiliki tiga terminal utama:
- Basis (B) – terminal kontrol
- Emitor (E) – terminal arus keluar
- Kolektor (C) – terminal arus masuk
Transistor terdiri dari dua tipe utama:
- NPN
- PNP
Fungsi Transistor
- Penguat arus, tegangan, atau daya (amplifier)
- Saklar elektronik (switch)
- Osilator dan regulator tegangan
- Modulasi sinyal dan logika digital
Jenis-Jenis Transistor
- BJT (Bipolar Junction Transistor): Menggunakan arus basis untuk mengatur arus kolektor-emitor.
- FET (Field Effect Transistor): Menggunakan tegangan gate untuk mengatur arus.
- Jenis BJT lebih sering digunakan saat membahas bias.
Jenis Bias pada Transistor BJT
Bias adalah pemberian tegangan awal pada transistor agar transistor bekerja pada kondisi tertentu (aktif, saturasi, atau cut-off).
1. Bias Langsung (Forward Active)
- Basis–Emitor forward bias
- Basis–Kolektor reverse bias
- Kondisi umum untuk penguatan sinyal
2. Cut-Off (Tidak Menghantar)
- Kedua junction dalam reverse bias
- Arus kolektor dan emitor ≈ 0
- Transistor seolah-olah "OFF"
3. Saturasi
- Kedua junction dalam forward bias
- Arus kolektor maksimal
- Transistor bekerja sebagai saklar "ON"
Macam-Macam Rangkaian Bias Transistor (Khusus BJT sebagai penguat)
1. Fixed Bias (Bias Tetap)
- Resistor langsung dari basis ke Vcc
- Sederhana, tapi tidak stabil terhadap perubahan suhu
2. Collector-to-Base Bias (Umpan Balik Kolektor)
- Resistor dari kolektor ke basis
- Lebih stabil dari fixed bias
3. Voltage Divider Bias (Pembagi Tegangan)
- Menggunakan dua resistor untuk membagi tegangan ke basis
- Paling stabil dan umum dipakai dalam rangkaian penguat
4. Emitter Bias (Bias Emitor)
- Menggunakan dua catu daya: positif (+Vcc) dan negatif (–Vee).
- Resistor dipasang pada emitor dan basis, sehingga tegangan basis-emitor (V<sub>BE</sub>) menjadi stabil.
- Kelebihan: Lebih stabil terhadap suhu dan β (gain transistor).
- Kekurangan: Membutuhkan dua catu daya, jadi tidak sepraktis voltage divider.
5. Bias Dengan Umpan Balik Emitor (Self-Bias)
- Mirip voltage divider bias tapi menambahkan resistor emitor tanpa bypass capacitor.
- Umpan balik negatif terjadi ketika arus kolektor meningkat, yang akan menaikkan tegangan di emitor dan mengurangi V<sub>BE</sub>, sehingga menjaga kestabilan.
- Kelebihan: Sangat stabil.
- Kekurangan: Penguatan (gain) bisa lebih kecil karena tegangan emitor ikut naik.
Penguat operasional atau yang dikenal sebagai Op-Amp merupakan suatu rangkaian terintegrasi atau IC yang memiliki fungsi sebagai penguat sinyal, dengan beberapa konfigurasi. Secara ideal Op-Amp memiliki impedansi masukan dan penguatan yang tak berhingga serta impedansi keluaran sama dengan nol. Dalam prakteknya, Op-Amp memiliki impedansi masukan dan penguatan yang besar serta impedansi keluaran yang kecil.
Op-Amp memiliki beberapa karakteristik, diantaranya:
a. Penguat tegangan tak berhingga (AV = ∼)
b. Impedansi input tak berhingga (rin = ∼)
c. Impedansi output nol (ro = 0) d. Bandwidth tak berhingga (BW = ∼)
d. Tegangan offset nol pada tegangan input (Eo = 0 untuk Ein = 0)
Amplifier Operasional:
Penguat Pembalik:
Istilah berikut digunakan dalam rumus dan persamaan untuk Penguatan Operasional.
· R f = Resistor umpan balik
· R in = Resistor Masukan
· V in = Tegangan masukan
· V keluar = Tegangan keluaran
· Av = Penguatan Tegangan
Penguatan tegangan:
Gain loop dekat dari penguat pembalik diberikan oleh;
Tegangan Keluaran:
Tegangan keluaran tidak sefasa dengan tegangan masukan sehingga dikenal sebagai penguat pembalik .
Penguat Penjumlahan:
Tegangan Keluaran:
Output umum dari rangkaian yang diberikan di atas adalah;
Jumlah Tegangan Input Amplifikasi Terbalik:
jika resistor inputnya sama, outputnya adalah jumlah tegangan input yang diskalakan terbalik,
Jika R 1 = R 2 = R 3 = R n = R
Output yang Dijumlahkan:
Ketika semua resistor dalam rangkaian di atas sama, outputnya adalah jumlah terbalik dari tegangan input.
Jika R f = R 1 = R 2 = R 3 = R n = R;
V keluar = – (V 1 + V 2 + V 3 +… + V n )
Penguat Non-Pembalik:
Istilah yang digunakan untuk rumus dan persamaan Penguat Non-Pembalik.
· R f = Resistor umpan balik
· R = Resistor Tanah
· V masuk = Tegangan masukan
· V keluar = Tegangan keluaran
· Av = Penguatan Tegangan
Keuntungan Penguat:
Gain total penguat non-pembalik adalah;
Tegangan Keluaran:
Tegangan output penguat non-pembalik sefasa dengan tegangan inputnya dan diberikan oleh;
Unity Gain Amplifier / Buffer / Pengikut Tegangan:
Jika resistor umpan balik dilepas yaitu R f = 0, penguat non-pembalik akan menjadi pengikut / penyangga tegangan
Penguat Diferensial:
Istilah yang digunakan untuk rumus Penguat Diferensial.
· R f = Resistor umpan balik
· R a = Resistor Input Pembalik
· R b = Resistor Input Non Pembalik
· R g = Resistor Ground Non Pembalik
· V a = Tegangan input pembalik
· V b = Tegangan Input Non Pembalik
· V keluar = Tegangan keluaran
· Av = Penguatan Tegangan
Keluaran Umum:
tegangan keluaran dari rangkaian yang diberikan di atas adalah;
Keluaran Diferensial Berskala:
Jika resistor R f = R g & R a = R b , maka output akan diskalakan perbedaan dari tegangan input;
Perbedaan Penguatan Persatuan:
Jika semua resistor yang digunakan dalam rangkaian adalah sama yaitu R a = R b = R f = R g = R, penguat akan memberikan output yang merupakan selisih tegangan input;
V keluar = V b – V a
Penguat Pembeda
Penguat Operasional jenis ini memberikan tegangan output yang berbanding lurus dengan perubahan tegangan input. Tegangan keluaran diberikan oleh;
Input gelombang segitiga => Output gelombang persegi panjang
Input gelombang sinus => Output gelombang kosinus
Penguat Integrator
Penguat ini memberikan tegangan keluaran yang merupakan bagian integral dari tegangan masukan.
a) Prosedur
b) Rangkaian Simulasi
1. Deteksi Gerakan
- Sensor PIR mendeteksi gerakan tubuh manusia berdasarkan perubahan sinyal inframerah.
- Output PIR masuk ke Op-Amp konfigurasi non-inverting amplifier untuk memperkuat sinyal.
- Sinyal diperkuat dan mengaktifkan transistor (Q2) dengan bias fixed bias → mengaktifkan relay RL3.
- Relay menyalakan motor kipas → memperlancar sirkulasi udara agar suhu tetap stabil saat inkubator terbuka.
2. Menyalakan Heater
Sensor LM35 menghasilkan tegangan output sebanding dengan suhu (10 mV/°C).
Tegangan dari LM35 dibandingkan dengan referensi dari potensio melalui Op-Amp (inverting / non-inverting comparator).
Jika suhu kurang dari nilai setpoint:
- Output op-amp aktif
1. Transistor aktif → mengalirkan arus ke relay
2. Relay mengaktifkan lampu pijar sebagai pemanas inkubator.
3. Jika suhu sudah cukup, output op-amp tidak aktif → transistor mati → heater off.
c) Video Percobaan
Comments
Post a Comment