RANCANG BANGUN MODUL KONTROL OTOMATIS DENGAN KOMPARATOR CLOSED-LOOP AMPLIFIER UNTUK LAMPU PENERANGAN JALAN

  

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 : nurkhasan@yahoo.co.id

  

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 K ) pada pagi, siang, sore sampai malam; kemudian hasil data ukur

  Ω

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 secara open loop (penguatan tanda feedback) 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 sebelumnya telah direalisasikan suatu rangkaian kontrol lampu penerangan jalan, dengan open loop amplifier (penguatan tanpa feedback) sebagai pengontrol input driver transistor untuk relay.

  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 secara open loop amplifier dan close loop amplifier secara riil dengan aplikasi komponen op- amp sebagai kontrol input transistor driver relay untuk 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 Sensor

cahaya

Rangkaian Rangkaian

  Komparator open Komparator

loop (tanpa close loop

feedback) (dengan

feedback) Rangkaian

driver transistor

matahari

  REL

AY

Lampu

  Penerangan Jalan (LPJ) 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 .

  IV - 2 SENTRA 2017

  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 sebesar  510 K. Dalam disain aplikatif dengan mempertimbangkan intensitas cahaya matahari yang tidak terlalu besar ataupun tidak terlalu rendah (antara kondisi terang-gelap atau sore hari  jam 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 : R LDR = 16.4 K.

  V CC = 5 V.

  R _LDR Vo xV

   CC R R _{1  LDR}

  16 ,

  4

  2

  5  16 ,

  4 R _{1 }

  82 = 2 R ^{1 + 32,8}

  2 R ^{1 = 82 – 32,8} R ¹ = 10,12 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 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:

  

R R

_{6 5} ( ) ( ) ( )

  Vout A

  V V

  V V

  V V  CL input  input  LDR  SET  LDR  SET

   

R R

_{3 4} R R _{6 5}

  10 K A _{CL    } 10 kali R R _{3 4}

1 K

  IV - 4 SENTRA 2017

  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 , ( 12 ) 

    

  Rrelay Vce sat Vcc Ic

  Ic = 60 mA

  Rb = 4,16 KΩ

  f eedback (closed loop amplifier)

  Gambar 6. Rangkaian kontrol otomatis lampu penerangan 220V ac dengan komparator

  Gambar 5. Rangkaian kontrol otomatis lampu penerangan 220V ac dengan komparator tanpa

feedback (open loop amplifier)

  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

  Pada rangkaian lengkap modul kontrol elektronik kombinasi bilamana saklar utama pada posisi

  Rb = 3,9 KΩ

  Dalam aplikasi dipilih disesuikan dengan nilai yang tersedia dipasaran digunakan

     

  Besarnya Ic = h fe .Ib

  9 . 3 (  

  0006 , ) 7 , 7 ,

  V Ib Vbe Vd Vin Rb

  A

  Sehingga :

  Ib mA Ib = 0,6 mA.

  6 , 100 60  

2.5. Rangkaian kontrol otomatis lampu penerangan

III. Hasil Penelitian dan Pembahasan

3.1. Data Hasil Pengujian di Lapangan

  12.00 mendung gelap

  Pukul

  15.00 mendung gelap 16, 3,057 2,752 clos e

  nyal a

  7 .

  Pukul

  09.00 mendung gelap

  12,

  5 2,762 2,752 clos e

  nyal a

  8 .

  Pukul

  4 2,752 2,752 open pad

  12,

  nyal a

  am

  9 .

  Pukul

  13.00 mendung gelap

  12,

  3 2,742 2,752 open pad

  am

  1 0. Pukul

  08.12 mendun g 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 mendung

   Posisi A

pada Saklar Utama.

  6 .

  IV - 6 SENTRA 2017

Tabel 3.1. Data hasil pengujian rangkaian kontrol lampu penerangan dengan komparator open loop.

  09.00 0,7 0,327 2,752 open pad

  N o Pelaksan aan pengujian

  Nil ai hambatan LDR (KΩ )

  Tegan gan (+) input op-amp

  VLDR (V) Tegan gan (-) input op-amp (V)

  Kon disi kontak Relay

  Kon disi beban lampu listrik

  1 .

  Pukul

  05.00 12,

  6 2,772 2,752 close nyala

  2 .

  Pukul

  am

  17.30 16,

  3 .

  Pukul

  12.00 0,3

  1 0,150 2,752 open pad

  am

  4 .

  Pukul

  15.00 0,5

  25 0,249 2,752 open pad

  am

  5 .

  Pukul

  4 3,086 2,752 clos e

  Gambar 8. Hasil pengujian didapatkan : Beban lampu menyala, driver relay bekerja dilakukan

  a

  25 0,239 1,235 open pada

  m

  5 .

  Pukul

  17.30 16,

  4 1,977 1,666 close nyal

  a

  6 .

  Pukul

  15.00 mendung gelap 16, 1,965 1,658 close nyal

  7 .

  Pukul

  Pukul

  09.00 mendung gelap

  12,

  5 1,839 1,575 close

  nyal a

  8 .

  Pukul

  12.00 mendung gelap

  12,

  4 1,834 1,572 close

  15.00 0,5

  4 .

  dengan data hasil pengujian LDR sebesar 12,6KΩ pada pukul 05.00  Posisi A pada Saklar Utama.

  Pukul

  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 o Pelaksan aan pengujian

  Nil ai hambata n LDR

  (KΩ )

Tegan

gan (+) input op-amp

  VLDR (V) Tegan gan (-) input op-amp (V)

  Kon disi kontak Relay Kon disi beban lampu listrik

  1 .

  05.00 12,

  m

  6 1,843 1,578 close nyal

  a

  2 .

  Pukul

  09.00 0,7 0,309 1,235 open pada

  m

  3 .

  Pukul

  12.00 0,3

  1 0,146 1,235 open pada

  nyal a

  9 Pukul 12, 1,830 1,569 close nyal .

  13.00

  3

  a

  mendung gelap

  1 Pukul 11, 1,802 1,551 close nyal 0.

  13.30

  7

  a

  mendung gelap

  1 Pukul 11, 1,798 1,548 open pada 1.

  14.00

  6

  m

  mendung gelap

  . Pukul 9,3 1,670 1,403 open pada 12.

  08.12 m mendun g 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 gelap  Posisi 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 05.00 Posisi A pada

  

Saklar Utama.

  IV - 8 SENTRA 2017

  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 gelap  Posisi

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.

  4. Pemilihan komponen sensor cahaya LDR yang digunakan dalam disain ini hendaknya dipilih sensor cahaya yang mempunyai type dan jenis dari pabrik yang berbeda, karena setting kepekaan cahaya tidak banyak 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. [13]. Budi Mulyawan, H. Didik Notosudjono, Evyta Wismiana,” Perancangan Sistem Penerangan Jalan Umum Menggunakan Photovoltaik di dusun Gunung Batu Desa Tangkil Kecamatan Caringin Kabupaten Bogor”. Teknik Elektro Universitas Pakuan Bogor 2016.

  IV - 10 SENTRA 2017