Electrical Engginering: APLIKASI KONTROL KECEPATAN MOTOR MENGGUNAKAN SENSOR OPTOCOUPLER DAN SENSOR LM35

[KEMBALI KE MENU SEBELUMNYA]

DAFTAR ISI

1. Tujuan

2. Alat dan Bahan

4.1 Prosedur Percobaan

4.2 Rangkaian Simulasi

4.3. Video Simulasi

5. Download File

1. Tujuan [Kembali]

Memahami dan mengetahui sensor optocoupler dan sensor LM35
Memahami prinsip kerja sensor optocoupler dan sensor LM35
Mengaplikasikan sensor optocoupler dan sensor LM35 sebagai kontrol kecepatan motor

2. Alat dan Bahan [Kembali]

2.1 Alat [Kembali]

a. Motor DC

Motor DC adalah alat yang dapat mengubah energi listrik menjadi energi listrik menjadi energi gerak berupa putaran.

Spesifikasi :

b. Voltmeter

Voltmeter adalah alat ukur yang digunakan untuk mengukur tegangan listrik dalam sebuah rangkaian.

2.2 Bahan [Kembali]

a. Op - Amp

Konfigurasi pin op-Amp :

1. Pin1 & Pin5 (Offset N1 & N2) : Pin ini digunakan untuk mengatur tegangan offset jika perlu

2. Pin2 (IN-) : Pin inverting dari Op Amp

3. Pin3 (IN +) : Pin Non inverting Op Amp

4. Pin4 (Vcc-) : Pin ini terhubung ke ground jika tidak rel negatif

5. Pin6 (Output) :Output daya pin Op-amp

6. Pin7 (Vcc +) : Pin ini terhubung ke + ve rail dari supply tegangan

7. Pin8 (NC) : Tidak ada koneksi

Spesifikasi-Spesifikasi Op Amp :

1. Tegangan offset input. Dalam banyak kasus, tegangan output op amp tidak boleh nol ketika tegangan pada input adalah nol. Tegangan yang harus diterapkan dalam terminal input untuk menggerakkan output ke nol adalah tegangan offset input.

2. Arus offset input. Seperti tegangan offset bisa diperlukan melalui input untuk men-zero-kan tegangan output, sehingga arus jala bisa diperlukan melalui input untuk men-zero-kan tegangan output. Arus yang demikian dijadikan acuan sebagai arus offset input. Ini diambil sebagai perbedaan dua arus input.

3. Arus bias input. Ini adalah rata-rata dari dua arus input yang diperlukan untuk menggerakkan tegangan output ke nol.

4. Slew rate. Jika tegangan diterapkan dengan cepat ke input dari op amp, output akan saturasi ke maksimum. Untuk input step slew rate adalah kecepatan dimana output berubah ke nilai saturasi. Ini khususnya dinyatakan sebagai tegangan per mikrosecond (V/ms).

5. Bandwith frekuensi gain satuan. Respons frekuensi dari op amp khusus disefinisikan dengan bode plot dari gain tegangan open loop dengan frekuensi. Plot seperti ini sangat penting untuk rancangan rangkaian yang berhubungan dengan sinyal a-c. Adalah diluar jangkauan dari tulisan ini untuk menjelaskan detail dari desain seperti ini yang memakai bode plot.

b. Resistor

Spesifikasi :

10k ohm (3 buah)

220 ohm (1 buah)

Klasifikasi resistor :

a. Fixed Resistor (Nilai resistansi yang tetap)

1.Carbon Composition Resistor (Resistor Komposisi Karbon) : nilai resistansinya berkisar dari 1Ω sampai 200MΩ dengan daya 1/10W sampai 2W.

2. Carbon Film Resistor (Resistor Film Karbon) : nilai resistansinya berkisar dari 1Ω sampai 10MΩ dengan daya 1/6W sampai 5W. Dapat bekerja di suhu yang berkisar dari -55°C hingga 155°C.

3. Metal Film Resistor (Resistor Film Logam) : nilai resistansinya dipengaruhi oleh panjang, lebar dan ketebalan spiral logam.

b. Variable Resistor (Nilai resistansinya dapat berubah dan diatur)

1. Potensiometer : nilai resistansinya tertulis di badan Potensiometer dalam bentuk kode angka.

2. Rheostat : dapat beroperasi pada tegangan dan arus yang tinggi

3. Preset Resistor (Trimpot) : berfungsi seperti Potensiometer tetapi memiliki ukuran yang lebih kecil dan tidak memiliki Tuas.

c. Thermistor/Thermal Resistor (Nilai resistansinya dapat dipengaruhi oleh suhu)

1. Thermistor NTC (Negative Temperature Coefficient) : perubahan suhu berbanding terbalik terhadap perubahan resistansi.

2. Thermistor PTC (Positive Temperature Coefficient) : perubahan suhu berbanding lurus terhadap perubahan resistansi

d. LDR/Light Dependent Resistor (Nilai resistansinya dipengaruhi oleh intensitas cahaya)

Datasheet resistor

c. Transistor NPN (BC548)

Konfigurasi Transistor NPN

Tegangan konstruksi dan terminal untuk transistor NPN bipolar ditunjukkan di atas. Tegangan antara Base dan Emitter ( VBE ), positif di Base dan negatif di Emitter karena untuk transistor NPN, terminal Base selalu positif sehubungan dengan Emitter. Tegangan supply Collector juga positif sehubungan dengan Emitter ( VCE ). Jadi untuk transistor NPN bipolar untuk menjalankan Collector selalu lebih positif terhadap Base dan Emitter.

d. Potensiometer

Potensiometer berperan sebagai resistor variabel atau Rheostat.

Bagian-bagian penting dalam komponen potensiometer :

1. Penyapu atau disebut juga dengan Wiper

2. Element Resistif

3. Terminal

e. Mosfet

MOSFET adalah sebuah perangkat semikonduktor, yang kalau dalam IC menjadi sebuah komponen inti.

MOSFET memiliki empat gerbang terminal :

1. Source (S)

2. Gate (G)

3. Drain (D)

4. Body (B).

f. Relay

Relay berfungsi sebagai switch yang bekerja jika kumparan dialiri arus.

Fitur :

1. Tegangan pemicu (tegangan kumparan) 5 V

2. Arus pemicu 70 mA

3. Maksimum beban AC 10 A

4. Maksimum beban DC 10 A

5. Switching maksimum 300 operasi/menit

Datasheet relay

Komponen Output :

a. LED (Light Emitting Diode)

LED berfungsi sebagai lampu indikator.

Simbol LED

Dari simbol LED diatas dapat diketahui bahwa LED memiliki dua kaki atau kutub yang berbeda, masing-masing adalah katoda dan anoda. Pemasangan LED pada rangkaian juga tidak boleh terbalik, karena apabila dipasang terbalik maka LED tidak akan dapat memancarkan cahaya dan tidak dapat dialiri tegangan listrik.

b. Buzzer

Buzzer adalah sebuah komponen elektronika yang dpat mengubah sinyal listrik menjadi getaran suara. Buzzer ini biasa dipakai pada sistem alarm, juga bisa digunakan sebagai indikasi suara. Buzzer adalah komponen elektronika yang tergolong tranduser. Sederhananya buzzer mempunyai 2 buah kaki yaitu positive dan negative.

3. Dasar Teori[Kembali]

a. Sensor Optoucopler

Optocoupler adalah komponen elektronika yang berfungsi sebagai penghubung berdasarkan cahaya optik. Pada dasarnya optocoupler terdiri dari 2 bagian utama yaitu Transmitter yang berfungsi sebagai pengirim cahaya optik dan Receiver yang berfungsi sebagai pendeteksi sumber cahaya. Masing-masing bagian optocoupler (Transmitter dan Receiver) tidak memiliki hubungan konduktif rangkaian secara langsung tetapi dibuat sedemikian rupa dalam satu kemasan komponen. Jenis-jenis optocoupler yang sering ditemukan adalah optocopler jenis yang terbuat dari bahan semikonduktor dan terdiri dari kombinasi LED dan phototransistor. Dalam kombinasi ini, LED berfungsi sebagai pengirim sinyal cahaya optik (Transmitter) sedangkan phototransistor berfungsi sebagai penerima cahaya tersebut (Receiver). Jenis-jenis lain dari optocoupler diantaranya adalah kombinasi LED-LASCR dan juga Lamp-Photoresistor. Pada prinsipya, optocoupler dengan kombinasi LED-Phototransistoradalah optocoupler yang terdiri dari sebuah komponen LED yang memancarkan cahaya infra merah (IR LED) dan sebuah komponen semikonduktor yang peka terhadap cahaya (Phototransistor) sebagai bagian yang digunakan untuk mendeteksi cahaya infra merah yang dipancarkan oleh IR LED.

Gambar 1 : Rangkaian internal Optocoupler

Dari gambar diatas dapat dijelaskan bahwa arus listrik yang mengalir melalui IR LED akan menyebabkan IR LED memancarkan sinyal cahaya infra merahnya. Intensitas cahaya tergantung pada jumlah arus listrik yang mengalir pada IR LED tersebut. Kelebihan cahaya Infra Merah adalah pada ketahannannya yang lebih baik jika dibandingkan dengan cahaya yang tampak. Cahaya Infra Merah tidak dapat dilihat dengan mata telanjang. Cahaya Infra Merah yang dipancarkan tersebut akan dideteksi oleh Phototransistor dan menyebabkan terjadinya hubungan atau Switch ON pada Phototransistor. Prinsip kerja Phototransistor hampir sama dengan Transistor Bipolar biasa, yang membedakan adalah terminal basis (base) phototransistor yang merupakan penerima yang peka terhadap cahaya.

Gambar 2 : Grafik hubungan kecepatan dan waktu pada sensor optocoupler

b.Sensor LM35

Sensor suhu LM35 adalah komponen elektronika yang memiliki fungsi mengubah besaran suhu menjadi besaran listrik dalam bentuk tegangan. LM35 memiliki keakuratan tinggi dan kemudahan perancangan jika dibandingkan dengan sensor suhu yan lain. LM35 mempunyai keluaran impedansi yang rendah dan linieritas yang tinggi sehingga dapat dengan mudah dihubungkan dengan rangkaian kendali khusus serta tidak memerlukan penyetelan lanjutan. Sensor suhu LM35 pada dasarnya mimiliki 3 pin yang berfungsi sebagai sumber supply tegangan DC +5 volt, sebagai pin output hasil penginderaan dalam bentuk perubahan tegangan DC pada Vout dan pin untuk Ground.

Karakteristik Sensor LM35:

a. Memiliki sensitivitas suhu, dengan faktor skala linier antara tegangan dan suhu 10 mVolt/ºC, sehingga dapat dikalibrasi langsung dalam celcius.

b. Memiliki ketepatan atau akurasi kalibrasi yaitu 0,5ºC pada suhu 25 ºC

c. Memiliki jangkauan maksimal operasi suhu antara -55 ºC sampai +150 ºC.

d Bekerja pada tegangan 4 sampai 30 volt.

e. Memiliki arus rendah yaitu kurang dari 60 µA.

f. Memiliki pemanasan sendiri yang rendah (low-heating) yaitu kurang dari 0,1 ºC pada udara diam.

g. Memiliki impedansi keluaran yang rendah yaitu 0,1 W untuk beban 1 mA.

h. Memiliki ketidaklinieran hanya sekitar ± ¼ ºC.

Gmabar 3 : Grafik respon sensor LM35

Keistimewaan dari IC LM 35 adalah : ·

1. Kalibrasi dalam satuan derajat celcius. ·

2. Lineritas +10 mV/ ºC. ·

3. Akurasi 0,5 ºC pada suhu ruang. ·

4. Range +2 ºC – 150 ºC. ·

5. Dioperasikan pada catu daya 4 V – 30 V. ·

6. Arus yang mengalir kurang dari 60 μA

Maka dapat disimpulkan prinsip kerja sensor LM35 sebagai berikut:

- Suhu lingkungan di deteksi menggunakan bagian IC yang peka terhadap suhu

- Suhu lingkungan ini diubah menjadi tegangan listrik oleh rangkaian di dalam IC, dimana perubahan suhu berbanding lurus dengan perubahan tegangan output.

- Pada seri LM35

Vout = 10 mV/°C

Tiap perubahan 1^®C akan menghasilkan perubahan tegangan output sebesar 10mV

c. Resistor

Resistor adalah komponen Elektronika Pasif yang memiliki nilai resistansi atau hambatan tertentu yang berfungsi untuk membatasi dan mengatur arus listrik dalam suatu rangkaian elektronika.

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), ini merupakan nilai toleransi dari resistor.

d. IC Op-Amp

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.

Simbol

Karakteristik IC OpAmp

· 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

Inverting Amplifier

Rumus

NonInverting

Rumus

Komparator

Rumus

Adder

Rumus

Bentuk Gelombang

e. Transistor

Transistor merupakan alat semikonduktor yang dapat digunakan sebagai penguat sinyal, pemutus atau penyambung sinyal, stabilisasi tegangan, dan fungsi lainnya. Transistor memiliki 3 kaki elektroda, yaitu basis, kolektor, dan emitor. Pada rangkaian kali ini digunakan transistor 2SC1162 bertipe NPN. Transistor ini diperumpamakan sebagai saklar, yaitu ketika kaki basis diberi arus, maka arus pada kolektor akan mengalir ke emiter yang disebut dengan kondisi ON. Sedangkan ketika kaki basis tidak diberi arus, maka tidak ada arus mengalir dari kolektor ke emitor yang disebut dengan kondisi OFF. Namun, jika arus yang diberikan pada kaki basis melebihi arus pada kaki kolektor atau arus pada kaki kolektor adalah nol (karena tegangan kaki kolektor sekitar 0,2 - 0,3 V), maka transistor akan mengalami cutoff (saklar tertutup).

Transistor adalah sebuah komponen di dalam elektronika yang diciptakan dari bahan-bahan semikonduktor dan memiliki tiga buah kaki. Masing-masing kaki disebut sebagai basis, kolektor, dan emitor.

Emitor (E) memiliki fungsi untuk menghasilkan elektron atau muatan negatif.

Kolektor (C) berperan sebagai saluran bagi muatan negatif untuk keluar dari dalam transistor.

Basis (B) berguna untuk mengatur arah gerak muatan negatif yang keluar dari transistor melalui kolektor.

Datasheet transistor

Rumus

f. Relay

Relay merupakan komponen elektronika berupa saklar atau swirch elektrik yang dioperasikan secara listrik dan terdiri dari 2 bagian utama yaitu Elektromagnet (coil) dan mekanikal (seperangkat kontak Saklar/Switch). Komponen elektronika ini menggunakan prinsip elektromagnetik untuk menggerakan saklar sehingga dengan arus listrik yang kecil (low power) dapat menghantarkan listrik yang bertegangan lebih tinggi. Berikut adalah simbol dari komponen relay.

Pada dasarnya, Relay terdiri dari 4 komponen dasar yaitu :

1. Electromagnet (Coil)

2. Armature

3. Switch Contact Point (Saklar)

4. Spring

Gambar dari bagian-bagian relay

Kontak Poin (Contact Point) Relay terdiri dari 2 jenis yaitu :

- Normally Close (NC) yaitu kondisi awal sebelum diaktifkan akan selalu berada di posisi CLOSE (tertutup)

- Normally Open (NO) yaitu kondisi awal sebelum diaktifkan akan selalu berada di posisi OPEN (terbuka)

g. LED

LED merupakan sebuah komponen yang menghasilkan cahaya monokromatik ketika diberi tegangan. LED terbuat dari semikonduktor dan perbedaan warna yang dihasilkan disebabkan perbedaan bahan semikonduktor yang digunakan.

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.

LED terdiri dari sebuah chip semikonduktor yang di doping sehingga menciptakan junction P dan N. Yang dimaksud dengan proses doping dalam semikonduktor adalah proses untuk menambahkan ketidakmurnian (impurity) pada semikonduktor yang murni sehingga menghasilkan karakteristik kelistrikan yang diinginkan. 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).

4. Percobaan [Kembali]

4.1 Prosedur Percobaan [Kembali]

Buka aplikasi proteus
Siapkan alat dan bahan pada library proteus, yang dibutuhkan pada rangkaian ini yaitu resistor, led, motor dc, op-amp, transistor, buzzer, voltmeter, relay, sensor lm35, sensor optocoupler dan lain-lain
Rangkai setiap komponen
Ubah spesifikasi setiap komponen sesuai kebutuhan
Simulasikan rangkaian dengan mengatur suhu dibawah 32 derajat celcius hingga buzzer berbunyi dan motor dc bergerak

4.2 Rangkaian Simulasi [Kembali]

a. Rangkaian

b. Prinsip Kerja :

Ketika sensor mendeteksi suhu di bawah 32 derajat celcius, maka akan ada tegangan yang keluar dari sensor dan arus akan mengalir ke kaki inverting op amp dimana fungsinya sebagai detektor inverting. Karena tegangan input di kaki inverting lebih kecil dari tegangan di kaki non inverting, maka output yang dikeluarkan mendekati +Vcc. Kemudian arus mengalir ke R1 lalu ke U1, karena U1 aktif D1 juga aktif. Arus dari baterai menuju ke R7, Q1, R3, dan relay. Arus dari R7 masuk ke pin 5 U1 lalu dikeluarkan melalui pin 4 dan menuju Q1 yang mengakibatkan transistor tersebut aktif sehingga ada arus yang mengalir dari kolektor ke emiter dan ke ground. Arus dari basis Q1 menuju U2 yang menyebabkan U2 aktif dan arus menuju pin 2 lalu ke ground. Arus dari R3 menuju pin 5 U2 lalu dikeluarkan melewati pin 4 dan menuju basis Q2 yang menyebabkan Q2 aktif sehingga arus yang mengalir dari sumber ke relay ke kolektor, ke emitor dan ground. Hal ini mnegakibatkan relay aktif dan rangkaian pun menjadi tertutup yang mnegakibatkan motor dan buzzer aktif. Ketika sensor mendeteksi suhu di 32 derajat celcius ke atas, maka akan ada tegangan yang keluar dari sensor dan arus akan mengalir ke kaki inverting op amp dimana fungsinya sebagai detektor inverting. Karena tegangan input di kaki inverting lebih besar dari tegangan di kaki non inverting, maka output yang dikeluarkan mendekati -Vcc atau mendekati nol. Karena arus output kecil sehingga U1 tidak aktif, mengakibatkan Q1, U2, dan Q2 tidak aktif juga. Jika Q2 tidak aktif, maka arus dari sumber, ke relay, tidak bisa melewati Q2 sehingga relay off dan motor serta buzzer juga off.

4.3 Video Simulasi [Kembali]