RANCANG BANGUN MODUL KONTROL OTOMATIS DENGAN
KOMPARATOR CLOSED-LOOP AMPLIFIER UNTUK LAMPU
PENERANGAN JALAN
Nur Kasan
Universitas Muhammadiyah Malang
Kontak person: Nur Kasan
e-mail : [email protected]
Abstrak
Pemanfaatan saklar otomatis di perkotaan sudah lebih banyak digunakan dibandingkan dengan lokasi pedesaan, apalagi pada wilayah pelosok. Saklar otomatis yang dikendalikan oleh cahaya matahari dengan komponen utama kontak bimetal, dimana bila terjadi penyimpangan dari setting cahaya secara manual, maka pengaturan padam dan nyala beban lampu akan berubah pula, bilamana kontrol yang menggunakan rangkaian timer juga dapat menyimpang dari setting waktu yang di program untuk aplikasi jangka panjang..Dengan mempertimbangkan kondisi diatas, peneliti telah merancang dan merealisasikan modul kontrol lampu penerangan jalan dengan komprator close loop (dengan feedback), tentunya hasil disain ini lebih stabil dengan toleransi yang dapat dikehendaki, dibandingkan dengan penelitian sebelumnya yang menggunakan kompator open-loop (tanpa feedback). Pengaruh internsitas cahaya matahari sesaat disebabkan oleh awan yang mengenai sensor cahaya LDR akan menyebabkan perubahan kondisi modul yang akan menyalakan beban lampu, meski seharusnya modul kontrol belum waktunya menyalakan beban lampu. Karena perubahan tegangan input dari output sensor LDR sebesar 1 mV saja dapat mempengaruhi operasi dari modul kontrol. Disain rangkaian elektronik yang menggunakan komponen op-amp dirangkai closed-loop dengan menerapkan sebagai amplifier (inverting, non-inverting, differensial) dengan data input suatu LDR type tertentu yang diukur/diuji riil nilai tahanan output (dalam KΩ) pada pagi, siang, sore sampai malam; kemudian hasil data ukur dimasukkan sebagai input rancangan dan uji rangkaian selanjutnya akan disimulasikan dengan Electronic Circuits Design Software. Dari hasil simulasi beberapa rancangan rangkaian close loop amplifier, dipilih diferensial amplifier yang memungkinkan toleransi yang diinginkan masih dalam batas ouput yang dikehendaki dengan mengatur besaran tahanan input dan feedback untuk input driver relay. Didapatkan hasil simulasi pada siang hari, rangkaian diver relay tidak bekerja (kondisi lampu mati) meskipun terjadi perubahan intensitas matahari karena pengaruh awan gelap sesaat pada saat siang hari, asalkan masih dibawah range toleransi yang dikehendaki. Inilah yang membedakan penggunan op-amp dirangkai sebagai komparator (open loop) yang menyebabkan rangkaian driver relay bekerja, sehingga menyebabkan lampu menyala pada siang hari sesaat dengan kondisi berawan (mendung).
Kata kunci :Amplifier, diferensial, close-loop
1. Pendahuluan
Sistem penerangan jalan (mematikan & menghidupkan lampu penerangan jalan atau beban listrik lainnya) saat ini masih banyak yang menggunakan saklar manual untuk mengaktifkan atau mematikan lampu penerangan jalan terutama yang ada di kampung-kampung, khususnya.
Di perkotaan sudah lebih banyak menggunakan saklar otomatis yang dikendalikan oleh cahaya matahari dengan komponen utama sebagai saklar utamanya adalah Komponen kontak bimetal, dimana bila terjadi penyimpangan dari setting cahaya, maka pengaturan padam dan nyala beban lampu akan berubah pula.
Dengan mempertimbangkan kondisi diatas, peneliti telah merancang modul kontrol lampu penerangan jalan, menggunakan komponen aktif op-amp yang dirangkai secaraopen loop(penguatan tandafeedback) dan telah mengimplementasikan di lapangan. Beberapa hal yang menjadi kelemahan dari sistem, diantaranya: pada siang hari lampu penerangan akan hidup sendiri meskipun kondisi siang. Bilamana intensitas cahaya terlalu rendah karena dipengaruhi mendung atau awan akan menyebabkan rangkaian kontrol lampu akan bekerja, sehingga lampu menyala; meskipun hal ini tidak dikehendaki.
Pada aplikasi saat ini komponen kontrol input transistor driver dirangkai secara close loop amplifier (penguatan dengan feedback), kemudian dipilih slah satu differensial amplifier. Beberapa pertimbangan rangkaian diffrensial amplifier; diantaranya besarnya tegangan output tergantung parameter hambatan-hambatan input, hambatan feedback, selisih tegangan input (differensial input) dan kestabilan dari rangkaian close loop, pengaruh suhu kerja komponen op-amp. Disamping ada hal-hal lain diantaranya tersedianya komponen di pasaran lokal dengan harga sangat terjangkau.
Dari pertimbangan diatas, peneliti hendak mewujudkan modul kontrol untuk rangkaian driver yang dirangkai secaraopen loop amplifierdanclose loop amplifiersecara riil dengan aplikasi komponen op-amp sebagai kontrol input transistor driver relayuntuk beban lampu penerangan. Beberapa hal akan didapat kelebihan dan kekurangannya ketika modul kontrol tersebut diimplementasikan di lapangan
.
2. Metode Penelitian
2.1. Diagram blok sistem yang dirancang dan prinsip kerja
Gambar 1. Diagram blok sistem peralatan yang dirancang
Bila cahaya matahari mengenai komponen LDR (sensor cahaya) maka nilai hambatan LDR akan berubah, makin besar intensitasnya makin rendah nilai hambatannya. Rangkaian pembagi tegangan dengan aplikasi tahanan dan LDR akan mengubah menjadi besaran tegangan analog. Output rangkaian pembagi tegangan tersebut sebagai tegangan input (+) rangkaian differensial amplifier untuk diperbesar, sesuai besaran tegangan input yang diperlukan transistor driver dalam kondisi, sehingga kontak relay terhubung yang akan menyebabkan arus listrik dari jala-jala PLN mengalir ke beban lampu penerangan jalan (lampu menyala).
2.2. Rangkaian Sensor cahaya LDR
Pada disain ini sensor yang digunakan dalam mendeteksi intensitas cahaya digunakan LDR (Light Dependent Resistror); dimana dalam pengukuran nilai intensitas cahaya terhadap perubahan nilai tahanan didapatkan, bahwa intensitas cahaya maksimum dalam type LDR yang dipakai ini didapatkan sebesar 2000 candela adalah sekitar 330.
Sensor cahaya
REL AY
Rangkaian Komparator
close loop (dengan feedback)
Lampu Penerangan Jalan
(LPJ) Rangkaian driver transistor
matahari
Rangkaian Komparator open
Gambar 2.Rangkaian pembagi tegangan digunakan LDR sebagai Transducer
Sedangkan intensitas cahaya minimum dalam pengukuran dengan menggunakan salah satu type LDR yang dipakai 0 candela didapatkan nilai tahanan sebesar510 K.
Dalam disain aplikatif dengan mempertimbangkan intensitas cahaya matahari yang tidak terlalu besar ataupun tidak terlalu rendah (antara kondisi terang-gelap atau sore harijam 17.30) dengan nilai resistansi < 20 K; sehingga dalam rancangan ini sebagai kontrol pada rangkaian driver transistor digunakan komponen op-amp type 741 yang terdiri 1 op-amp; bila tegangan pada (+) input lebih besar dari pada tegangan (-) input dengan penguatan sebesar (R4/R1=R3/R2=3,9K/1K) atau sebesar 3,9 kali.
Besarnya hambatan R1 yang dipasang dalam rangkaian devide voltage sebesar :
RLDR = 16.4 K.
Dalam Aplikasi dipakai Resistor dengan nilai sebesar 10 K.
2.3. Rangkaian Diffrensial Amplifier
Dalam perancangan ini digunakan IC 741 dengan pertimbangan Low power consumption dan tegangan supply maksimum ± 18 volt & dissipasi dayanya kecil, mudah didapatkan di pasaran dimana 1 chip mempunyai 8 pin yang terdiri atas 1 op-amp. Penguatan (gain) ± 10 kali yang dikehendaki untuk mendapatkan tegangan output kondisi logika 1 sebesar 3,9 volt untuk driver transistor supaya dalam kondisi saturasi.
Pada inverting (-) input digunakan sebagai setting/referensi digunakan rangkaian resistor sebagai
voltage devideruntuk op-amp, sedangkan non-inverting (+) input digunakan sebagai tegangan input dari output sensor cahaya (LDR).
Besarnya gain yang yang dirancang dari rangkaian diferensial amplifier sebesar:
Sedangkan diode silicon 1N4001 digunakan sebagai batas tegangan input minimum untuk driver relay transistor FCS9013 yaitu sebesar Vak (diode) + Vbe (transistor) = (0,7+0,6) V = 1,3 V.
Gambar 3.Rangkaian Diffrensial Amplifier untuk kontrol driver Relay
2.4. Rangkaian Driver Transistor
Gambar 4. Rangkaian driver relay
Rangkaian ini digunakan relay dengan tegangan supply 12 volt, impedansi relay 200 Ω arus output 10 A, sedangkan Vce (sat) transistor sebesar 0,2 volt (type FCS 9013) denga Ic maksimum sebesar 650 mA, ßmin=60, ßmax=300
Sedangkan Ic yang diperlukan untuk rangkan relay sebesar :
200
2
,
0
12
)
(
Ic = 60 mA
BesarnyaIc= hfe.Ib
6
,
0
100
60
Ib
mAIb = 0,6 mA.
Sehingga :
A
V
Ib
Vbe
Vd
Vin
Rb
0006
,
0
)
7
,
0
7
,
0
9
.
3
(
Rb = 4,16 KΩ
Dalam aplikasi dipilih disesuikan dengan nilai yang tersedia dipasaran digunakan
Rb = 3,9 KΩ
2.5. Rangkaian kontrol otomatis lampu penerangan
Pada rangkaian lengkap modul kontrol elektronik kombinasi bilamana saklar utama pada posisi A, maka rangkaian elektronik bekerja secara otomatis. Sedangkan bila saklar utama pada posisi M,
maka rangkaian bekerja secara manual dan rangkaian kontrol otomatis tidak akan bekerjaOFF
Gambar 5.Rangkaian kontrol otomatis lampu penerangan 220V ac dengan komparator tanpa
feedback (open loop amplifier)
III. Hasil Penelitian dan Pembahasan 3.1. Data Hasil Pengujian di Lapangan
Tabel 3.1. Data hasil pengujian rangkaian kontrol lampu penerangan dengan komparator open loop.
2,772 2,752 close nyala
2 .
Pukul 09.00
0,7 0,327 2,752 open pad
am
0,150 2,752 open pad
am
0,249 2,752 open pad
am
3,086 2,752 clos
e
3,057 2,752 clos
e
2,762 2,752 clos
e
2,752 2,752 open pad
am
2,742 2,752 open pad
am
9,3 2,398 2,752 ope
n
pad am
Hasil Uji simulasi dengan menggunakan Electronics Design Software
Gambar 7. Hasil pengujian didapatkan : Beban lampu mati, driver relay tidak bekerja dilakukan dengan data hasil pengujian LDR sebesar 9,3KΩ pada pukul 08.12 kondisi mendungPosisi A
Gambar 8.Hasil pengujian didapatkan : Beban lampu menyala, driver relay bekerja dilakukan dengan data hasil pengujian LDR sebesar 12,6KΩ pada pukul 05.00Posisi A pada Saklar
Utama.
Gambar 9.Hasil pengujian didapatkan : Beban lampu mati, driver relay tidak bekerja dilakukan dengan data hasil pengujian LDR sebesar 12,4 KΩ pada pukul 12.00 kondisi mendung gelap
Posisi A pada Saklar Utama.
Tabel 3.2. Data hasil pengujian rangkaian kontrol lampu penerangan dengan differensial amplifier sebagai komparator close loop.
N
1,843 1,578 close nyal
a 2
.
Pukul 09.00
0,7 0,309 1,235 open pada
m
0,146 1,235 open pada
m
0,239 1,235 open pada
m
1,977 1,666 close nyal
a
1,965 1,658 close nyal
a
1,839 1,575 close nyal
a
1,834 1,572 close nyal
9 .
Pukul 13.00
mendung gelap
12, 3
1,830 1,569 close nyal
a
1 0.
Pukul 13.30
mendung gelap
11, 7
1,802 1,551 close nyal
a
1 1.
Pukul 14.00
mendung gelap
11, 6
1,798 1,548 open pada
m
. 12.
Pukul 08.12
mendun g
9,3 1,670 1,403 open pada
m
Hasil Uji simulasi dengan menggunakan Electronics Design Software
Gambar 10.Hasil pengujian didapatkan : Beban lampu mati, driver relay tidak bekerja dilakukan dengan data hasil pengujian LDR sebesar 9,3KΩ pada pukul 08.12 kondisi mendung
gelapPosisi Apada Saklar Utama.
Gambar 11.Hasil pengujian didapatkan : Beban lampu mati, driver relay tidak bekerja dilakukan dengan data hasil pengujian LDR sebesar 12,6KΩ pada pukul 05.00Posisi A pada
Gambar 12. Hasil pengujian didapatkan : Beban lampu menyala, driver relay bekerja dilakukan dengan data hasil pengujian LDR sebesar 16 KΩ pada pukul 15.00 kondisi mendung gelapPosisi
A pada Saklar Utama.
IV. Kesimpulan dan Saran. 4.1. Kesimpulan
Dari hasil perancangan dan pengujian dengan menggunakan electronics circuits design software dengan data riil pengukuran nilai hambatan pada LDR lalu disimulasikan, kemudian membandingkan aplikasi op-amp sebagai pembanding masukan pada input-inputnya secara open loop (tanpa sinyal feedback) dan close loop (dengan sinyal feedback) untuk kontrol lampu penerangan jalan didapatkan hal-hal sebagai berikut, antara lain :
1. Komponen op-amp dapat digunakan sebagai komparator (pembanding) untuk kontrol rangkaian driver transistor untuk relay dengan beban ac maupun beban dc.
2. Disain komparator tanpa feedback (open loop amplifier) dapat mengontrol rangkaian driver transistor untuk relay dengan hampir tidak ada toleransinya, hal itulah yang menjadi kelemahan bilamana dalam aplikasi lampu penerangan jalan akan menyala sendiri sesaat hanya karena dipengaruhi mendung pada saat siang hari.
3. Disain komparator dengan feedback (close loop amplifier) dapat mengontrol rangkaian driver transistor untuk relay akan didapatkan toleransi yang besarnya dipengaruhi gain yang dirancang dari rangkaian diferensial amplifier, disamping batasan range sesuai setting tegangan pada (-) input.
4. Makin besar gain rangkaian differensial yang dikehendaki, makin besar pula toleransi batasan kondisi nyala lampu penerangan. Makin besar tegangan referensi (-) input makin kecil tegangan ouput rangkaian differensial, sehingga akan mengkodisikan lampu menyala dalam kondisi lebih gelap dari kondisi normal.
5. Besarnya gain (penguatan) pada rangkaian differensial yang digunakan sebagai komparator dapat diubah sesuai dengan keperluan, dengan cara mengubah nilai hambatan feedbacknya (R5 dan R6).
6. Kapasitas arus output relay dapat diperbesar dengan cara menambah rangkaian driver dengan kapasitas relay yang sama, sehingga kapasitas beban maksimal outputnya bisa bertambah sesuai beban lampu yang dipakai.
4.2. Saran.
Adapun beberpa saran yang diharapkan oleh peneliti untuk pembaca antara lain :
1. Penggunaan komponen aktif op-amp dan transistor dapat digunakan dari jenis lain, meskipun dari pabrik yang berbeda.
2. Setting tegangan referensi (-) input dari op-amp, mohon dilakukan bilamana kontrol kondisi menyala dan mati tidak sesui dengan gelap dan terangnya sinar matahari yang menyinari lingkungan sekitarnya.
3. Pada penggantian komponen sensor cahaya LDR yang digunakan dalam disain ini hendaknya dipilih sensor cahaya yang mempunyai type dan jenis dari pabrik yang sama, karena setting kepekaan cahaya tidak lebih besar menyimpang dari LDR sebelumnya.
Referensi :
[1]. Clyd N. herrict; Instrument and Measurement for Electronics, Mc Graw-Hill 1972.
[2]. Cooper, william david, Instrumentasi elektronika dan Teknik Pengukuran Jakarta, Erlangga, 1999.
[3]. Hayt Neudeck : Electronic Circuits Analysis and Design, Houghton Mifflin Company, 1976.
[4]. Malvino, albert paul, Prinsip dan penerapan digital, Erlangga, Jakarta, 1981. [5]. Millman, Microelectronic : Digital and Analog Circuits and Systems, Mc-Graw hill. [6]. Joseph J. Carr, Element of Electronic Instrumenttation and Measurement, Resto 1979.
[7]. Khasan, “Rancang Bangun modul otomatis dan Hybrid untuk Kontrol Lampu Penerangan Jalan di Pedesaan”. Puskareka 2010.
[8]. Khasan, “Perancangan Sistem Rangkaian Elektronik Terintegrasi pada Pembangkit Listrik Tenaga surya, Angin, Air dan Jala-jala PLN/GENSET untuk Skala Kecil”, Puskareka 2011.
[10]. Khasan, “Perancangan Modul Rangkaian Elektronik Terpadu Untuk Lampu Penerangan Jalan”. Penelitian Berorientasi Produk (PBP) 2012.
[11]. Khasan, “Perancangan Modul Kontrol Elektronik Otomatis tanpa menggunakan trafo step-Down dengan Kapasitas nominal beban 2000 VA”. Penelitian Berorientasi Produk (PBP) 2013.
[12]. Alona, Muhammad Subhan A.”Simulasi Sistem Kendali Lampu Otomatis”. Universitas Gunadharma 2014, UG jurnal; volume : 8, No:2.
