i
RANCANG BANGUN MODUL OTOMATIS DENGAN CLOSED-LOOP AMPLIFIER PADA BOARD UTAMA DAN
CADANGAN UNTUK LAMPU JALAN
Nur Kasan
Jurusan Teknik Elektro Universitas Muhammadiyah Malang e-mail : [email protected]
ABSTRAK
Penerapan saklar otomatis di wilayah kota telah banyak aplikasinya dibandingkan dengan lokasi pedesaan. 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, termasuk juga yang menggunakan rangkaian timer juga dapat menyimpang dari setting waktu yang di program dari sebelumnya. Termasuk setting waktu yang menggunakan komponen mikrokontroler yang dapat diprogram memerlukan seseorang yang lebih banyak tahu pengetahuan listrik dan elektronika.
Beberapa rangkaian dengan disain yang ada dipasaran lebih banyak menggunakan transistor bipolar 1 transistor berfungsi sebagai driver relay langsung, menggunakan 2 transistor berfungsi sebagai penguat sinyal input & driver relay, menggunakan 3 transistor berfungsi 2 transistor sebagai penguat&1 transistor sebagai diver relay; disamping itu baru tahun 2017 ada modul menggunakan penguat op-amp (open loop)&1 transistor sebagai driver relay.
Dengan mempertimbangkan kondisi diatas, peneliti telah merancang penguat op-amp (close loop) dan merealisasikan modul kontrol lampu penerangan jalan dengan board utama dan board-board cadangan dengan sistem komparator open loop (tanpa feedback), beberapa hasil dari simulasi dan terapan dilapangan tentunya masih ada kekurangannya, khususnya komponen yang digunakan op-amp sebagai komparator (pembanding) harus bekerja dalam kondisi saturasi (dissipasi dayanya maksimal) disamping setting tegangan acuan (referensi) hanya pada salah satu inputnya saja yaitu (+) input atau (-) inputnya. Prinsip kerjanya bilamana board utama mengalami trouble/rusak, maka board cadangan yang akan bekerja, begitu pula selanjutnya bilamana board cadangan 1 mengalami trouble, maka board cadangan 2 akan bekerja; hal ini bila modul dioperasikan secara otomatis (saklar posisi A).
Bilamana semua board utama dan board cadangan trouble/rusak, pengguna bisa mengoperasikan secara manual (posisi M).
Rancang bangun modul ini dengan rancangan diferensial amplifier (close loop) yang bekerja membandingkan 2 masukan (tegangan referensi input dan tegangan input dari sensor cahaya LDR), kemudian selisih kedua inputan dikuatkan dengan penguatan (gain) tertentu sesuai yg dikehendaki sebagai tegangan input driver relay pada modul utama maupun modul cadangan. Kepekaan rancangan ini bisa diatur dari tegan refrensi (-) input dan besarnya pengutan (gain)nya, Sedangkan gerbang logika digunakan sebagai pemilih driver modul utama atau modul cadangan yang harus bekerja. Perancangan ini telah mempertimbangkan tersedianya semua komponen yang dirancang tersedia di pasaran tidak harus grade I atau II, malahan bisa grade III dan kebawah dengan harga sangat terjangkau dan diharapkan dapat dimanfaatkan oleh masyarakat terutama sebagai kontrol lampu penerangan jalan dengan mempertimbangkan komponen mudah didapatkan di daerah lokal. Hasil perancangan telah diuji dengan data type LDR tertentu untuk mendapatkan perubahan nilai hambatan pada kondisi pagi.
siang, sore dan malam, apakah beban lampu akan tetap menyala atau mati; dalam bentuk simulasi menggunakan Electronic Circuits Design Software yang selanjutnya direalisasikan secara nyata dan diuji lalu diterapkan di lapangan khususnya untuk kegiatan Pengabdian Masyarakat.
Kata kunci : buck-up, otomat, module, diferensial
ii 1. Pendahuluan
Penggunaan dan tersedianya energy listrik di Indonesia belum merata pada daerah-daerah yang tersebar diseluruh wilayah Negara kita. Ketersediaan dan penghematan beaya energi listrik untuk saat ini untuk memenuhi kebutuhan masyarakat Indonesia hampir setiap saat didengar, dengan kemampuan negara yang menyerahkan pasokan tenaga listrik terutama dari PLN, itupun sering mengalami kekurangan tenaga listrik.
Sumber tenaga listrik merupakan hal yang sangat mahal bagi masyarakat yang lokasi tempat tinggalnya yang tidak memungkinkan dijangkau oleh jala-jala PLN 220 V ataupun bila dipertimbangkan menggunakan genetator ac yang dirasa kurang efisien, disamping memerlukan beaya perawatan yang sangat tinggi untuk keperluan operasional maupun bila terjadi kerusakan pada generator tersebut; spart-partnya juga memerlukan beaya yang tinggi itu dikarenakan lokasi yang sangat jauh & terpencil.
Masyarakat di pedesaan masih sangat memerlukan pengembangan home industri di wilayahnya, demi meningkatkan daya saing dan nilai tambah di pasaran hasil barang yang telah diproduksinya.
Salah satu yang dapat dibantu oleh bidang teknik elektro untuk pengembangan teknologi tepat guna di masyarakat untuk penerangan jalan di pedesaan.
Keperluan sumber tenaga listrik untuk pedesaan terutama pengembangan home industri agar lebih maju diperlukan penerangan lingkungan yang baik, diantaranya pengembangan modul kontrol lampu penerangan jalan di pedesaan yang dapat dioperasikan secara otomatis dan manual.
2. Metode Penelitian
2.1. Diagram blok sistem yang dirancang dan prinsip kerja
Gambar 2.1 Diagram blok sistem peralatan yang dirancang
Lampu Penerangan Jalan ((LPJ) Rangkaian
divider voltage (+) input
Board kontrol back-up 1 Gerbang
logika pemilih board
Board kontrol back-up 2 Board kontrol utama/master Rangkaian
Penguat differensial Tegangan
referensi (-) input
Sensor cahaya
(LDR)
iii
Bila cahaya matahari mengenai komponen LDR (sensor cahaya) maka nilai hambatan LDR akan berubah (makin kecil intensitasnya cahaya makin besar nilai hambatannya), sehingga nilai tegangan output rangkaian voltage devider sebagai input (+) rangkaian diferessial amplifier akan dibandingkan dengan besarnya tegangan (-) inputnya yang sudah disetting sesuai dengan intensitas/kecerahan cahaya matahari yang dikehendaki.
Gerbang logika pemilih board utama akan memilih board utama/master yang akan bekerja, output board kontrol utama akan dideteksi oleh Gerbang logika pemilih board. Bilamana board utama rusak/trouble, maka Gerbang logika akan memindahkan ke board kontrol back- up 1, begitu pula selanjutnya bila bilamana bord back-up 1 rusak/trouble, maka board back-up 2 yang akan bekerja untuk menghubungkan atau memutus sumber tegangan listrik 220 V ke lampu penerangan jalan.
2.2. Rangkaian Diferensial Amplifier
Dalam perancangan ini digunakan IC 741 dengan pertimbangan Low power consumption dan tegangan supply maksimum 5 volt & dissipasi dayanya kecil, mudah didapatkan di pasaran dimana 1 chip mempunyai 8 pin yang terdiri atas 1 op-amp. Penguatan loop tertutup (gain) ± 10 kali yang dikehendaki untuk mendapatkan tegangan output kondisi logika 1 sebesar 3,9 volt untuk driver transistor supaya dalam kondisi saturasi.
Gambar 2.2 Rangkaian Diffrensial Amplifier untuk kontrol driver Relay
Pada inverting (-) input digunakan sebagai setting/referensi digunakan rangkaian resistor sebagai voltage devider untuk 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:
) (
) (
) (
4 5 3
6
SET LDR SET
LDR input
input
CL
V V
R V R
R V V R
V A
Vout
K kali K R
R R
A
CLR 10
1 10
4 5 3
6
iv
Sedangkan diode silicon 1N4001 digunakan sebagai batas tegangan input minimum untuk driver relay transistor FCS9013 dengan Ic(max) = 500 mA, yaitu Tegangan input driver (Vin) sebesar :
) 3 , 3 7 , 0 4 ) ( )
( sat Vak diode Volt Vout
Vin
2.3. Rangkaian Driver Transistor
Rangkaian ini digunakan relay dengan tegangan supply 12 volt, impedansi relay 200 Ω arus output 10 A, sedangkan Vce (sat) transistor sebesar 0,6 volt (type FCS 9013) denga Ic maksimum sebesar 500 mA, ßmin=60, ßmax=300,
Gambar 2.3 Rangkaian driver relay Sedangkan Ic yang diperlukan untuk rangkan relay sebesar :
200 6 , 0 12 )
(
Rrelay sat Vce Ic Vcc
Ic = 0,057 A = 57 mA Besarnya Ic = h
fe.Ib
mA
Ib 0 , 95
60 57
Ib = 0,95 mA.
Sehingga :
A V Ib
Vbe Rb Vin
00095 , 0
) 7 , 0 3 , 3
(
Rb = 8,21 KΩ (nilai Rb maksimum yang direncanakan untuk ß
rata=180).
sedangkan untuk ß
min= 60, didapatkan Rb sebesar 2,71 KΩ.
v
Dalam aplikasi dipilih diantaranya, disesuikan dengan nilai yang tersedia dipasaran digunakan Rb = 3,9 KΩ
2.4. Rangkaian board kontrol otomatis lampu penerangan
Pada rangkaian lengkap modul kontrol board utama dan 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 bekerja OFF
Gambar 2.4 Rangkaian kontrol otomatis lampu penerangan 220V ac dengan pembanding (closed loop amplifier)
2.5. Rangkaian kontrol gerbang logika Pemilih Board.
Gambar 2.5 Rangkaian input data dari board utama dan cadangan (board I d dan II) dari driver relay ke beban lampu
Tabel kebenaran yang akan dikehendaki untuk board Utama, board cadangan (Board I dan II). Bilamana tegangan LDR (kondisi gelap) lebih besar dari tegangan referensi dikategorikan logika high ”1” sedangkan bilamana tegangan LDR (kondisi lebih cerah/terang) lebih kecil dari tegangan referensi dikategorikan logika low ”0”.
Untuk kondisi relay OFF ke beban lampu dalam kondisi terbuka (kontak tidak terhubung) transistor driver cut-off dikategorikan logika high ”1” .
Pada perancangan rangkaian ini diketahui Tahanan kumparan relay RL = 200 Ω, Vcc= 12 V,
R5 = 4,7 KΩ, Vout yang dikehendaki 3,67 Volt (logika 1), sehingga R5 dapat dicari sebesar:
vi Dalam kondisi transistor cut-0ff:
R Vcc R
RL Vout R
5 4 5
12
5 7
. 4 2 , 0 67 5 ,
3 K K R
R
0,734K + 17,25 K + 3,67.R5 = 12. R5 12.R5 – 3,67.R5 = 17,955
8,33. R5 = 17,955 R5 = 2,15 KΩ.
Dalam kondisi transistor saturasi:
Vce = 0,2 Volt, sehingga Vout bernilai < 0,2 volt dikategorikan berlogika low “0”.
Dalam aplikasi pada rangkaian ini digunakan resistor R5 sebesar 2,2 KΩ.
2.5.1. Rangkaian pemilih board cadangan (board 2) bila board utama&board cadangan 1I tidak bekerja/trouble
Tabel 2.1 Tabel kebenaran rangkaian kontrol pemilih board cadangan (board II) bila board utama&board I tidak bekerja/trouble :
INPUT Output
A B C Y
0 0 0 0
0 0 1 0
0 1 0 0
0 1 1 0
1 0 0 0
1 0 1 0
1 1 0 0
1 1 1 1
Keterangan : C: kondisi output board back-up I ( “1” kondisi trouble (kontak terbuka) dan “0” kondisi terhubung (kontak tertutup).
\Tabel 2.2 kebenaran K-map:
Dari table diatas dengan SOP (Sum Of Product) didapatkan : F (A,B,C)= A.B.C Realisasi
dari gerbang NAND gate 3 input:
vii
Gambar 2.6 Realisasi gerbang NAND gate kontrol pemilih board utama dan board cadangan 1 & 2
Dari perancangan rangkaian pemilih board ini yang dapat direalisasikan menggunakan hanya 1 chip IC TTL (terdiri 3 gerbang NAND gate 3 input) dengan penggunaan 1 gerbang saja, sedangkan 2 gerbang lainnya dapat digunakan untuk pengembangan protype model kontrol lainnya.
3. Hasil dan Pembahasan
3.1. Data Hasil Pengujian perancangan Rangkaian Pemilih Board
Tabel 3.1 Data hasil pengujian rangkaian kontrol dengan board utama dan board cadangan untuk lampu penerangan yang dirancang
No Pelaksanaan pengujian
Nilai hambatan LDR (KΩ)
Tegangan output LDR (V)
Tegangan input data (V)
Kondisi Board driver relay
Kondisi Lampu Input
A
Input B
Input C
Utama Board I
Board II
1. Pukul 05.00 12,6 1,843 1,945 0 0 ON OFF OFF Nyala
2. Pukul 09.00 0,7 0,309 0,882 0 0 OFF OFF OFF Padam
3. Pukul 12.00 0,31 0,146 3,754 0 0 OFF OFF OFF Padam
4. Pukul 15.00 0,525 0,239 3,754 0 0 OFF OFF OFF Padam
5. Pukul 17.30 16,4 1,977 1,846 0 0 ON OFF OFF Nyala
Tabel 3.2 Data hasil pengujian rangkaian kontrol dengan board utama mengalami trouble/masalah
No Pelaksanaan pengujian
Nilai hambatan LDR (KΩ)
Tegangan output LDR (V)
Tegangan input data (V)
Kondisi Board driver relay
Kondisi Lampu Input
A
Input B
Input C
Utama Board I
Board II
1. Pukul 05.00 12,6 1,843 3,680 0.072 0 OFF ON OFF Nyala
2. Pukul 09.00 0,7 0,309 3,754 0 0 OFF OFF OFF Padam
3. Pukul 12.00 0,31 0,146 3,754 0 0 OFF OFF OFF Padam
4. Pukul 15.00 0,525 0,239 0,315 0 0 OFF OFF OFF Padam
5. Pukul 17.30 16,4 1,977 3,670 0,072 0 OFF ON OFF Nyala
viii
Tabel 3.3 Data hasil pengujian rangkaian kontrol dengan board utama & board cadangan I mengalami trouble
No Pelaksanaan pengujian
Nilai hambatan LDR (KΩ)
Tegangan output LDR (V)
Tegangan input data (V)
Kondisi Board driver relay
Kondisi Lampu
InputA
Input B
Input C
Utama Board I
Board II
