M4 ELEKTRONIKA

[KEMBALI KE MENU SEBELUMNYA]

MODUL 4

Kontrol Air Kolam Ikan Lele

DAFTAR ISI

1. Pendahuluan

2. Tujuan

3. Alat dan Bahan

4. Dasar Teori

5. Percobaan

Percobaan ...

1. Prosedur Percobaan
2. Hardware
3. Rangkaian Simulasi dan Prinsip Kerja
4. Flowchart
5. Video Demo
6. Download File

1. Pendahuluan[Kembali]

    Budidaya ikan lele merupakan salah satu kegiatan perikanan yang banyak dilakukan masyarakat karena memiliki nilai ekonomi tinggi dan teknik pemeliharaan yang relatif mudah. Namun, pengelolaan kolam ikan lele membutuhkan perhatian khusus, terutama dalam menjaga kestabilan volume air. Perubahan cuaca, khususnya curah hujan yang tinggi, seringkali menyebabkan air kolam meluap dan mengakibatkan ikan keluar dari kolam atau kualitas air menurun. Kondisi ini dapat menurunkan tingkat kelangsungan hidup ikan dan menyebabkan kerugian bagi pembudidaya.

    Perkembangan teknologi otomasi memberikan peluang besar dalam mempermudah pengelolaan kolam ikan. Salah satu solusi yang dapat diterapkan adalah sistem kontrol air berbasis sensor hujan. Sensor hujan berfungsi mendeteksi keberadaan dan intensitas hujan secara langsung, sehingga sistem dapat mengatur pompa air dan katup pembuangan secara otomatis. Dengan demikian, volume air kolam dapat tetap stabil meskipun terjadi perubahan cuaca.

2. Tujuan[Kembali]

• Untuk mengetahui bagaimana merancang sistem kontrol otomatis yang dapat mengatur proses pengisian air kolam ikan lele menggunakan sensor air level
• Untuk mengetahui bagaimana sistem dapat mendeteksi kondisi air sudah penuh dan memberikan indikasi melalui LED hijau serta mematikan motor pompa secara otomatis melalui water level sensor
• Untuk mengetahui bagaimana menerapkan sensor hujan untuk mendeteksi kondisi air melimpah akibat curah hujan tinggi sehingga dapat memberikan peringatan melalui buzzer

3. Alat dan Bahan [Kembali]

A. Alat

    1. Breadboard

    2. Kotak Plastik

    3. Power Supply 5V

  4. Jumper

 5. Adapter 12V

    

B. Bahan

    1.Water Level Sensor 

    Water sensor digunakan untuk mendeteksi keberadaan atau ketinggian air pada suatu permukaan. Ketika air menyentuh jalur konduktif pada sensor, nilai resistansi akan berubah dan menghasilkan sinyal analog atau digital. Perubahan ini dapat digunakan sebagai pemicu otomatisasi, seperti sistem peringatan banjir, pendeteksi kebocoran air, atau kontrol pompa.

 

2. Rain Sensor

    Rain Sensor (Sensor Hujan) adalah perangkat elektronik yang berfungsi utama untuk mendeteksi adanya tetesan air hujan atau air yang mengenai permukaannya. Setelah mendeteksi, ia akan mengirimkan sinyal listrik ke mikrokontroler untuk memicu suatu tindakan.

Specifications 

•  Adopts high quality of RF-04 double sided material. 
• Area: 5cm x 4cm nickel plate on side, 
• Anti-oxidation, anti-conductivity, with long use time; 
• Comparator output signal clean waveform is good, driving ability, over 15mA; 
• Potentiometer adjust the sensitivity; 
• Working voltage 5V; 
• Output format: Digital switching output (0 and 1) and analog voltage output AO; 
• With bolt holes for easy installation; 
• Small board PCB size: 3.2cm x 1.4cm; 
• Uses a wide voltage LM393 comparator 

Pin Configuration 

1. VCC: 5V DC 

2. GND: ground 

3. DO: high/low output 

4. AO: analog output

    2. Operational Amplifier tipe 393

    LM393 adalah IC pembanding tegangan yang banyak digunakan, tersedia dalam paket Dip 8-pin, SO-8, dan lainnya. LM393 berisi dua penguat operasional pembanding presisi tinggi independen yang dapat ditenagai dari satu atau dua catu daya.

    Rentang tegangan suplai yang lebar memungkinkannya digunakan dalam berbagai aplikasi. Chip ini membutuhkan arus operasi yang rendah, yang sangat cocok untuk peralatan portabel dan bertenaga baterai, dan sistem logika penggerak keluarannya dapat digunakan dalam sirkuit digital. LM393 memiliki arus keluaran maksimum 20 mA, cukup untuk menggerakkan transistor dan sistem logika.

Pin 1: Output 1, pin keluaran penguat operasional 1

Pin 2: Input pembalik 1, pin input pembalik dari op amp 1

Pin 3: Input non-pembalik 1, pin input non-pembalik op amp 1

Pin 4: GND, Ground Ini adalah pin ground IC dan perlu dihubungkan ke terminal negatif (-) dari tegangan suplai

Pin 5: Input pembalik 2, pin input non-pembalik dari op amp 2

Pin 6: Input non-pembalik 2, pin input pembalik op amp 2

Pin 7: Output 2, ini adalah pin output dari op amp 2

Cara kerja LM393

• Perbandingan Tegangan: IC ini membandingkan tegangan pada pin input non-inverting (+) dan input inverting (−).
• Output LOW: Ketika tegangan pada input non-inverting (+) lebih tinggi daripada tegangan pada input inverting (−), output akan menjadi LOW, yang berarti terhubung langsung ke ground (0V).
• Output HIGH: Ketika tegangan pada input inverting (−) lebih tinggi daripada tegangan pada input non-inverting (+), output akan menjadi HIGH.
• Open-Collector Output: LM393 memiliki output bertipe open-collector, yang berarti IC ini hanya dapat menarik sinyal ke ground (LOW) dan tidak dapat mendorongnya ke tegangan positif (HIGH).
• Resistor Pull-up: Untuk mendapatkan level logika HIGH yang valid, output open-collector harus dihubungkan dengan resistor pull-up ke tegangan catu daya positif.Pin 8: Pusat Kontrol Virtual Ini adalah pin positif dari IC dan perlu dihubungkan ke terminal positif (+) dari tegangan suplai

 3. Transistor 2N2222

    Transistor 2N2222 adalah komponen elektronik bertipe NPN yang berperan sebagai sakelar penguat arus dalam sistem Anda, berfungsi untuk menjembatani dan mengaktifkan komponen berdaya tinggi seperti Relay atau pompa secara aman berdasarkan sinyal kontrol arus rendah yang dikeluarkan oleh mikrokontroler.

Spesifikasi:

    4. Potensiometer

   Potensiometer (POT) adalah salah satu jenis Resistor yang Nilai Resistansinya dapat diatur sesuai dengan kebutuhan Rangkaian Elektronika ataupun kebutuhan pemakainya. Potensiometer merupakan Keluarga Resistor yang tergolong dalam Kategori Variable Resistor. Secara struktur, Potensiometer terdiri dari 3 kaki Terminal dengan sebuah shaft atau tuas yang berfungsi sebagai pengaturnya.

    Sebuah Potensiometer (POT) terdiri dari sebuah elemen resistif yang membentuk jalur (track) dengan terminal di kedua ujungnya. Sedangkan terminal lainnya (biasanya berada di tengah) adalah Penyapu (Wiper) yang dipergunakan untuk menentukan pergerakan pada jalur elemen resistif (Resistive). Pergerakan Penyapu (Wiper) pada Jalur Elemen Resistif inilah yang mengatur naik-turunnya Nilai Resistansi sebuah Potensiometer. Elemen Resistif pada Potensiometer umumnya terbuat dari bahan campuran Metal (logam) dan Keramik ataupun Bahan Karbon (Carbon).

Pin Out:

    5. 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 (V=I R). 

    Jenis Resistor yang digunakan disini adalah Fixed Resistor, dimana merupakan resistor dengan nilai tetap terdiri dari film tipis karbon yang diendapkan subtrat isolator kemudian dipotong berbentuk spiral. Keuntungan jenis fixed resistor ini dapat menghasilkan resistor dengan toleransi yang lebih rendah.

Cara menghitung nilai resistor:

Tabel Warna

6. Dioda

    Dioda adalah komponen elektronik dua terminal yang berfungsi untuk mengalirkan arus listrik hanya dalam satu arah, yaitu dari anoda ke katoda. Dioda terbuat dari bahan semikonduktor, biasanya silikon atau germanium, yang dibentuk dengan persambungan antara tipe P dan tipe N (P-N junction).

    Fungsi utama dioda adalah sebagai penyearah arus (rectifier) dalam rangkaian listrik, mengubah arus bolak-balik (AC) menjadi arus searah (DC). Selain itu, dioda juga digunakan dalam berbagai aplikasi seperti penstabil tegangan, pelindung polaritas terbalik, detektor sinyal, serta rangkaian logika elektronik.

Prinsip Kerja:

    Prinsip kerja dioda didasarkan pada sifat persambungan P-N (P-N junction) yang hanya memungkinkan arus mengalir dalam satu arah. Berikut penjelasannya secara ringkas:

1. Bias Maju (Forward Bias), Ketika terminal positif sumber tegangan dihubungkan ke anoda dan terminal negatif ke katoda, elektron dari sisi N bergerak menuju sisi P, dan arus listrik dapat mengalir melalui dioda.
2. Bias Mundur (Reverse Bias), Jika polaritas sumber tegangan dibalik (positif ke katoda dan negatif ke anoda), elektron tertarik menjauh dari daerah sambungan, sehingga arus hampir tidak mengalir.
3. Daerah Deplesi, Pada sambungan P-N terdapat daerah deplesi, yaitu area tanpa pembawa muatan bebas. Daerah ini menentukan apakah dioda menghantarkan atau menahan arus tergantung pada arah tegangan yang diberikan.

    7. Relay

    Relay adalah sebuah komponen elektronika yang berbentuk sakelar yang dioperasikan dengan listrik, dilengkapi 2 bagian diantaranya elektromagnet (Coil) dan mekanikal (Switch). Dimana komponen tersebut memanfaatkan prinsip elektromagnetik untuk dapat menggerakkan sakelar sehingga dapat menghantarkan arus listrik. Secara umum fungsi relay adalah sebagai komponen yang dapat mengubah arus listrik kecil menjadi aliran yang lebih besar lagi dengan memanfaatkan tenaga elektromagnetisme.a

Cara Kerja:

    Cara kerja relay adalah ketika kumparan elektromagnetik yang ada di dalamnya terdapat sebuah feromagnetis yang mendapatkan aliran listrik. Dengan demikian secara otomatis akan muncul  sebuah medan magnet yang sifatnya sementara namun selalu ada.

    Yang mana magnet tersebut akan menarik tuas armature sehingga dapat merubah posisi dari kontak switch yang awalnya dari NC (Normally Closed) berubah menjadi NO ( Normally Open).

    NO (Normally Open) adalah sebuah kondisi yang mana relay belum mendapatkan adanya tekanan dan tuas berada di posisi normal. Sedangkan NC ( Normally Closed) adalah kondisi dimana relay sudah mendapatkan adanya tegangan dengan posisi tuas menarik dan kontak tertutup.

7. PCB

    PCB (Printed Circuit Board) adalah papan sirkuit cetak yang berfungsi sebagai media atau tempat untuk memasang dan menghubungkan komponen elektronik menggunakan jalur konduktor dari tembaga. Jalur tembaga tersebut berperan menggantikan kabel konvensional sehingga rangkaian menjadi lebih rapi, kuat, dan efisien.

Cara Kerja:

• Arus listrik dari sumber daya dialirkan ke papan PCB melalui jalur input.
• Jalur tembaga pada PCB menghantarkan arus ke seluruh bagian rangkaian.
• Komponen elektronik saling terhubung melalui jalur konduktor sesuai rancangan.
• Arus yang mengalir membuat komponen bekerja sesuai fungsinya.
• Hasil kerja rangkaian menghasilkan keluaran berupa sinyal atau daya listrik.

4. Dasar Teori [Kembali]

 A.Water Level Sensor 

    Secara umum, sensor water level bekerja dengan mendeteksi keberadaan air berdasarkan daya hantar listrik (konduktivitas). Air, terutama air yang mengandung mineral, dapat menghantarkan arus listrik. Ketika air menyentuh elektroda sensor, arus kecil akan mengalir di antara terminal sensor. Arus ini kemudian menghasilkan tegangan keluaran yang dapat diolah untuk menentukan posisi ketinggian air.

    Water sensor atau sensor air adalah sensor yang digunakan untuk mendeteksi keberadaan air melalui perubahan nilai konduktivitas (daya hantar listrik) pada permukaannya. Sensor ini bekerja berdasarkan sifat dasar air yang dapat menghantarkan arus listrik, terutama jika mengandung mineral atau garam.Water sensor atau sensor air adalah sensor yang digunakan untuk mendeteksi keberadaan air melalui perubahan nilai konduktivitas (daya hantar listrik) pada permukaannya. Sensor ini bekerja berdasarkan sifat dasar air yang dapat menghantarkan arus listrik, terutama jika mengandung mineral atau garam.

    Dalam sistem kontrol tangki air, sensor ini biasanya memiliki beberapa titik deteksi (low, medium, dan high).

• Titik low mendeteksi jika air sudah berada di batas bawah, menandakan pompa harus dinyalakan.
• Titik high mendeteksi jika air sudah mencapai batas atas, menandakan pompa harus dimatikan.
• Tegangan dari masing-masing titik sensor dibandingkan dengan nilai referensi oleh op-amp. Ketika perbandingan menunjukkan bahwa air telah mencapai batas tertentu, op-amp akan mengaktifkan atau menonaktifkan 

Spesifikasi Sensor Water Level

• Tegangan kerja 3,3–5 V DC.
• Arus kerja sekitar 10–20 mA.
• Keluaran berupa sinyal analog atau digital.
• Rentang deteksi 0–40 mm atau lebih tergantung tipe.
• Bahan tahan air dan korosi.
• Suhu kerja 0–80°C.
• Akurasi ±2–5 mm.
• Memiliki tiga pin: VCC, GND, dan OUT.
• Dapat digunakan dengan mikrokontroler seperti Arduino atau PLC.

Karakteristik Sensor Water Level

• Mendeteksi dan mengukur ketinggian air dalam wadah atau tangki.
• Bekerja berdasarkan perubahan konduktivitas, tekanan, atau jarak permukaan air.
• Memiliki beberapa jenis seperti pelampung, ultrasonik, kapasitif, dan konduktif.
• Menghasilkan sinyal analog atau digital untuk sistem kontrol.
• Memiliki akurasi dan sensitivitas tinggi terhadap perubahan level air.
• Terbuat dari bahan tahan air dan korosi.
• Digunakan pada sistem otomatis seperti tangki air, inkubator, dan irigasi.

B. Rain Sensor

    Rain Sensor (Sensor Hujan) adalah perangkat elektronik yang berfungsi utama untuk mendeteksi adanya tetesan air hujan atau air yang mengenai permukaannya. Setelah mendeteksi, ia akan mengirimkan sinyal listrik ke mikrokontroler untuk memicu suatu tindakan

 B. Transistor BC547

    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.

1. Emitor (E) memiliki fungsi untuk menghasilkan elektron atau muatan negatif.
2. Kolektor (C) berperan sebagai saluran bagi muatan negatif untuk keluar dari dalam transistor.
3. Basis (B) berguna untuk mengatur arah gerak muatan negatif yang keluar dari transistor melalui kolektor.

Transistor Bipolar terdiri dari dua jenis yaitu Transistor NPN dan Transistor PNP. 

1. Transistor NPN adalah transistor bipolar yang menggunakan arus listrik kecil dan tegangan positif pada terminal Basis untuk mengendalikan aliran arus dan tegangan yang lebih besar dari Kolektor ke Emitor.
2. Transistor PNP adalah transistor bipolar yang menggunakan arus listrik kecil dan tegangan negatif pada terminal Basis untuk mengendalikan aliran arus dan tegangan yang lebih besar dari Emitor ke Kolektor.

Rumus :

Konfigurasi transistor bipolar :

Cara mengukur transistor bipolar

Karakteristik input

    Transistor adalah komponen aktif yang menggunakan aliran electron sebagai prinsip kerjanya didalam bahan. Sebuah transistor memiliki tiga daerah doped yaitu daerah emitter, daerah basis dan daerah disebut kolektor. Transistor ada dua jenis yaitu NPN dan PNP. Transistor memiliki dua sambungan: satu antara emitter dan basis, dan yang lain antara kolektor dan basis. Karena itu, sebuah transistor seperti dua buah dioda yang saling bertolak belakang yaitu dioda emitter-basis, atau disingkat dengan emitter dioda dan dioda kolektor-basis, atau disingkat dengan dioda kolektor.

Bagian emitter-basis dari transistor merupakan dioda, maka apabila dioda emitter-basis dibias maju maka kita mengharapkan akan melihat grafik arus terhadap tegangan dioda biasa. Saat tegangan dioda emitter-basis lebih kecil dari potensial barriernya, maka arus basis (Ib) akan kecil. Ketika tegangan dioda melebihi potensial barriernya, arus basis (Ib) akan naik secara cepat.

Karakteristik output

    Sebuah transistor memiliki empat daerah operasi yang berbeda yaitu daerah aktif, daerah saturasi, daerah cutoff, dan daerah breakdown. Jika transistor digunakan sebagai penguat, transistor bekerja pada daerah aktif. Jika transistor digunakan pada rangkaian digital, transistor biasanya beroperasi pada daerah saturasi dan cutoff. Daerah breakdown biasanya dihindari karena resiko transistor menjadi hancur terlalu besar.

Gelombang I/O Transistor

 C. OP-AMP

    Penguat operasional atau yang dikenal sebagai Op-Amp merupakan suatu rangkaian terintegrasi atau IC yang memiliki fungsi sebagai penguat sinyal, dengan beberapa konfigurasi. Secara ideal Op-Amp memiliki impedansi masukan dan penguatan yang tak berhingga serta impedansi keluaran sama dengan nol. Dalam prakteknya, Op-Amp memiliki impedansi masukan dan penguatan yang besar serta impedansi keluaran yang kecil.

Op-Amp memiliki beberapa karakteristik, di antaranya:

a. Penguat tegangan tak berhingga (AV = ∼)

b. Impedansi input tak berhingga (rin = ∼)

c. Impedansi output nol (ro = 0) d. Bandwidth tak berhingga (BW = ∼)

d. Tegangan offset nol pada tegangan input (Eo = 0 untuk Ein = 0)

Rangkaian dasar Op-Amp

1. Detektor Non-Inverting

    Detektor non-inverting adalah rangkaian penguat operasional (op-amp) yang digunakan untuk mendeteksi dan memperkuat sinyal input tanpa membalik fasa sinyal tersebut. Artinya, polaritas sinyal keluaran tetap sama dengan sinyal masukan, tidak mengalami pembalikan seperti pada konfigurasi inverting.

    Dalam konfigurasi ini, sinyal masukan diberikan ke terminal non-inverting (+) op-amp, sedangkan terminal inverting (–) digunakan sebagai umpan balik (feedback). Rangkaian ini mampu memperkuat sinyal kecil menjadi lebih besar dengan gain positif, sehingga sering digunakan pada sensor, detektor sinyal, dan sistem penguat otomatis.

Gelombang Input dan Output

Fungsi Detektor Non Inverting

   

    Detektor non-inverting berfungsi untuk memperkuat sinyal input tanpa mengubah polaritas atau fasa sinyal tersebut. Rangkaian ini digunakan untuk mendeteksi perubahan tegangan dari sensor atau sumber sinyal lain dengan cepat dan akurat. Karena memiliki impedansi input yang tinggi dan output yang searah dengan input, detektor non-inverting mampu menjaga kestabilan serta keaslian bentuk sinyal. Komponen ini banyak diterapkan dalam sistem sensor dan kontrol otomatis sebagai penguat deteksi yang mengaktifkan aktuator berdasarkan perubahan sinyal masukan.

Prinsip Kerja

    Prinsip kerja detektor non-inverting adalah ketika sinyal input diberikan ke terminal non-inverting (+) pada op-amp, tegangan output akan mengikuti perubahan sinyal input tanpa membalik polaritasnya. Jika tegangan input melebihi tegangan referensi pada terminal inverting (–), maka output akan berubah ke tegangan maksimum positif, dan sebaliknya jika lebih rendah, output menjadi tegangan minimum (negatif). Proses ini memungkinkan detektor mengenali dan memperkuat perubahan sinyal input dengan cepat tanpa pembalikan fasa, sehingga sering digunakan dalam sistem pendeteksi level atau pembanding tegangan.

Kurva Karakteristik I/O

2. Detektor Inverting

    Detektor inverting adalah rangkaian elektronika yang menggunakan konfigurasi op-amp dengan sinyal input dimasukkan ke terminal inverting (–), sedangkan terminal non-inverting (+) dihubungkan ke tegangan referensi. Rangkaian ini berfungsi untuk mendeteksi perubahan sinyal masukan dengan menghasilkan keluaran yang berlawanan fasa (terbalik polaritasnya) terhadap sinyal input. Artinya, ketika tegangan input meningkat, output justru menurun, dan sebaliknya. Detektor inverting banyak digunakan dalam sistem kontrol dan penguat sinyal untuk menghasilkan respon kebalikan dari sinyal masukan.

Prinsip Kerja:

    Prinsip kerja detektor inverting yaitu ketika sinyal input diberikan pada terminal inverting (–) op-amp, maka output akan berubah dengan polaritas berlawanan terhadap sinyal masukan. Jika tegangan input lebih besar dari tegangan referensi pada terminal non-inverting (+), output akan menjadi negatif (−V_sat), sedangkan jika tegangan input lebih kecil, output berubah menjadi positif (+V_sat). Dengan demikian, detektor inverting bekerja dengan membalik fasa sinyal masukan dan menghasilkan keluaran yang menunjukkan kondisi perbandingan antara tegangan input dan referensi.

Bentuk Gelombang Input/Output

Karakteristik I/O