Teknik Elektro: Aplikasi Kontrol Kecepatan Motor dengan Sensor Optocoupler dan Sensor LM35

[KEMBALI KE MENU SEBELUMNYA]

DAFTAR ISI

1. Tujuan

2. Alat dan Bahan

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

a. Motor DC

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

b. Voltmeter

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

2.2 Bahan

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

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.

g. Sensor Optoucpler

h. Sensor LM35

LM35 adalah komponen sensor suhu berukuran kecil seperti transistor (TO-92), komponen yang sangat mudah digunakan ini mampu mengukur suhu hingga 100 derajad celcius.

secara prinsip sensor akan melakukan penginderaan pada saat perubahan suhu setiap suhu 1 ºC akan menunjukan tegangan sebesar 10 mV. Pada penempatannya LM35 dapat ditempelkan dengan perekat atau dapat pula disemen pada permukaan akan tetapi suhunya akan sedikit berkurang sekitar 0,01 ºC karena terserap pada suhu permukaan tersebut. Dengan cara seperti ini diharapkan selisih antara suhu udara dan suhu permukaan dapat dideteksi oleh sensor LM35 sama dengan suhu disekitarnya, jika suhu udara disekitarnya jauh lebih tinggi atau jauh lebih rendah dari suhu permukaan, maka LM35 berada pada suhu permukaan dan suhu udara disekitarnya .

Jarak yang jauh diperlukan penghubung yang tidak terpengaruh oleh interferensi dari luar, dengan demikian digunakan kabel selubung yang ditanahkan sehingga dapat bertindak sebagai suatu antenna penerima dan simpangan didalamnya, juga dapat bertindak sebagai perata arus yang mengkoreksi pada kasus yang sedemikian, dengan mengunakan metode bypass kapasitor dari Vin untuk ditanahkan. Berikut ini adalah karakteristik dari sensor LM35:

Memiliki sensitivitas suhu, dengan faktor skala linier antara tegangan dan suhu 10 mVolt/ºC, sehingga dapat dikalibrasi langsung dalam celcius.
Memiliki ketepatan atau akurasi kalibrasi yaitu 0,5ºC pada suhu 25 ºC
Memiliki jangkauan maksimal operasi suhu antara -55 ºC sampai +150 ºC.
Bekerja pada tegangan 4 sampai 30 volt.
Memiliki arus rendah yaitu kurang dari 60 µA.
Memiliki pemanasan sendiri yang rendah (low-heating) yaitu kurang dari 0,1 ºC pada udara diam.
Memiliki impedansi keluaran yang rendah yaitu 0,1 W untuk beban 1 mA.
Memiliki ketidaklinieran hanya sekitar ± ¼ ºC.

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.

4. 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

5. Rangkaian Simulasi [Kembali]

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.

6. Video [Kembali]

7. Download File [Kembali]

Datasheet Optocoupler

Datasheet Transistor BC548

Datasheet LED

Datasheet Buzzer