MODUL 1 Potensiometer dan tahanan geser dan jembatan wheatsone

Modul 4

[KEMBALI KE MENU SEBELUMNYA]

MODUL 4

Kontrol Tangki Air

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]

    Air merupakan sumber daya alam yang sangat penting dan tidak dapat dipisahkan dari kehidupan manusia. Hampir seluruh aktivitas manusia, baik dalam bidang rumah tangga, industri, pertanian, maupun kegiatan sehari-hari lainnya, bergantung pada ketersediaan air bersih yang cukup. Oleh karena itu, pengelolaan air secara efisien dan teratur menjadi hal yang sangat penting agar penggunaannya dapat berlangsung secara berkelanjutan tanpa menimbulkan pemborosan.

    Dalam praktiknya, penggunaan tangki air sudah menjadi hal yang umum sebagai media penyimpanan dan distribusi air. Namun, pada sebagian besar sistem yang masih bersifat manual, pengisian dan pengosongan air dilakukan dengan cara menghidupkan atau mematikan pompa secara langsung. Hal ini sering menimbulkan permasalahan seperti meluapnya air akibat keterlambatan mematikan pompa, kekurangan air karena lupa menyalakannya, pemborosan energi listrik, serta potensi kerusakan pada pompa akibat bekerja secara berlebihan. Selain itu, pada beberapa aplikasi tertentu seperti penampungan air untuk proses industri atau keperluan rumah tangga, suhu air juga dapat memengaruhi fungsi atau kenyamanan penggunaan, namun seringkali tidak dipantau dengan baik.

    Untuk mengatasi permasalahan tersebut, dibutuhkan sistem kontrol tangki air otomatis yang dapat bekerja secara real-time dalam memantau dan mengatur kondisi air di dalam tangki. Sistem ini dirancang agar mampu mendeteksi ketinggian air dan suhu air secara otomatis menggunakan sensor yang terintegrasi dengan rangkaian pengendali. Pada proyek ini, digunakan sensor water level untuk mengukur ketinggian air di dalam tangki, serta sensor suhu thermistor NTC 3950 untuk mendeteksi suhu air. Kedua sensor ini memberikan sinyal yang akan diproses oleh operational amplifier (op-amp) sebagai pembanding tegangan.

    Ketika sensor water level mendeteksi bahwa air berada di bawah batas minimum, op-amp akan memberikan sinyal ke transistor untuk mengaktifkan relay, yang selanjutnya menyalakan pompa air agar tangki kembali terisi. Sebaliknya, jika air telah mencapai batas maksimum, op-amp akan memutus sinyal tersebut sehingga relay mematikan pompa secara otomatis. Demikian pula, sensor suhu NTC 3950 digunakan untuk memantau suhu air, di mana perubahan suhu akan menyebabkan perubahan resistansi pada sensor. Nilai ini akan dibandingkan oleh op-amp untuk mengontrol elemen pendingin atau pemanas (jika ada), sehingga suhu air tetap stabil sesuai kebutuhan.

    Sistem ini tidak menggunakan mikrokontroler, melainkan dirancang berbasis komponen analog sederhana seperti op-amp, transistor, dan relay. Dengan demikian, rangkaian menjadi lebih hemat biaya, mudah dirakit, serta tidak membutuhkan pemrograman digital. Walaupun sederhana, sistem ini tetap mampu memberikan hasil yang efisien, responsif, dan reliabel dalam menjaga kestabilan suplai serta suhu air di dalam tangki.

    Melalui pengembangan sistem kontrol tangki air otomatis berbasis op-amp, sensor water level, dan thermistor NTC 3950 ini, diharapkan dapat memberikan solusi praktis terhadap masalah pemborosan air dan energi yang sering terjadi pada sistem manual. Selain itu, proyek ini juga menjadi bentuk penerapan teknologi otomatisasi sederhana yang dapat mendukung pengembangan konsep smart home, di mana sistem rumah tangga mampu bekerja secara mandiri, efisien, dan terintegrasi untuk meningkatkan kenyamanan serta efisiensi penggunaan sumber daya.

2. Tujuan[Kembali]

1. Merancang sistem kontrol otomatis yang dapat mengatur proses pengisian dan pengosongan air pada tangki menggunakan sensor water level.
2. Mengembangkan sistem pengaturan suhu air otomatis dengan memanfaatkan sensor termostat agar suhu tetap stabil.
3. Menghasilkan aplikasi kontrol tangki air yang efisien dalam penggunaan air dan energi serta mendukung penerapan teknologi smart home.

3. Alat dan Bahan [Kembali]

A. Alat

    1. Breadboard

    2. Kotak Plastik

    3. Power Supply 5V

    4. Adapter 12V

    5. Jumper

B. Bahan

    1.Water Level Sensor 

    2. Thermistor NTC 3950 (Sensor Suhu)

    3. 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

 4. Transistor 2SD882

    Transistor D882  , juga dikenal sebagai 2SD882, adalah transistor sambungan bipolar (BJT) NPN berdaya sedang yang umum digunakan dalam aplikasi amplifikasi dan switching untuk keperluan umum. Transistor ini dirancang dengan teknologi planar, menawarkan kinerja yang andal dan kemampuan penanganan arus yang moderat. Transistor ini memiliki tiga lapisan material semikonduktor dengan tiga terminal—emitor, basis, dan kolektor. Transistor ini memberikan amplifikasi arus yang efisien dengan rentang penguatan antara 60 dan 400, sehingga cocok untuk sirkuit berdaya rendah. Selain itu, D882 dapat dipasang pada heatsink melalui lubang sekrup pada paket SOT-32-nya, sehingga meningkatkan pembuangan panasnya selama operasi.

Spesifikasi:

Karakteristik:

    5. 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:

    6. 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

Contoh :

Gelang ke 1 : Coklat = 1
Gelang ke 2 : Hitam = 0
Gelang ke 3 : Hijau   = 5 nol dibelakang angka gelang ke-2; atau kalikan 105
Gelang ke 4 : Perak  = Toleransi 10%
Maka nilai resistor tersebut adalah 10 * 10^5 = 1.000.000 Ohm atau 1 MOhm dengan toleransi 10%.

    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.

    8. Pompa 5 V

    Pompa air adalah alat atau perangkat mekanik yang digunakan untuk memindahkan air dari satu tempat ke tempat lain dengan cara memberikan energi mekanik pada fluida tersebut, sehingga air dapat mengalir dari daerah bertekanan rendah ke daerah bertekanan tinggi. Pompa air bekerja dengan prinsip mengubah energi mekanik menjadi energi tekanan dan kecepatan pada fluida (air) sehingga air dapat mengalir dari tempat yang lebih rendah ke tempat yang lebih tinggi atau dari tekanan rendah ke tekanan tinggi.

Cara Kerja:

• Daya aktif, Saat pompa terhubung ke listrik, motor mulai berputar.
• Putaran impeller, Poros motor memutar impeller untuk menghasilkan gaya sentrifugal.
• Tekanan rendah terbentuk, Gaya sentrifugal menarik air dari sumber melalui pipa hisap.
• Air terdorong keluar, Air bertekanan tinggi keluar lewat pipa keluaran menuju tangki atau saluran.
• Kontrol otomatis, Sensor atau pelampung mengatur pompa agar menyala dan mati sesuai level air.

    9. Pemanas Air

    Pemanas air adalah bagian utama dari sistem pemanas yang berfungsi untuk mengubah energi listrik atau energi lain menjadi energi panas sehingga dapat menaikkan suhu air. Komponen ini biasanya berupa elemen pemanas (heating element) yang bekerja berdasarkan prinsip konversi energi listrik menjadi panas melalui efek Joule, yaitu ketika arus listrik mengalir melalui bahan penghantar yang memiliki hambatan tertentu, maka energi listrik berubah menjadi panas.

Cara Kerja:

• Aktivasi daya listrik, Arus listrik dialirkan menuju elemen pemanas untuk memulai proses pemanasan.
• Konversi energi, Elemen pemanas mengubah energi listrik menjadi panas melalui efek Joule.
• Transfer panas, Panas dari elemen berpindah ke air hingga suhu meningkat.
• Pemantauan suhu, Sensor suhu mendeteksi perubahan suhu air secara terus-menerus.
• Pengendalian otomatis, Sistem kontrol memutus atau mengalirkan kembali listrik sesuai batas suhu yang ditetapkan.
• Stabilisasi suhu, Proses berulang ini menjaga suhu air tetap konstan sesuai kebutuhan.

    10. 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.

    11. 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.

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.

    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. Thermistor NTC 3950 (Sensor Suhu)

    Thermistor NTC 3950 adalah sensor suhu berbasis komponen semikonduktor yang memiliki nilai resistansi listrik yang menurun seiring meningkatnya suhu. Istilah NTC (Negative Temperature Coefficient) berarti koefisien suhu negatif, yaitu ketika suhu naik, hambatan listriknya turun. Sensor ini memiliki karakteristik sensitivitas tinggi, respon cepat, dan akurasi baik, sehingga banyak digunakan dalam sistem pengendalian suhu seperti inkubator, pemanas air, printer 3D, dan perangkat pendingin. Angka 3950 menunjukkan konstanta beta (β) yang menggambarkan hubungan antara resistansi dan suhu, dengan nilai khas 3950 K yang menunjukkan kestabilan dan presisi tinggi dalam rentang suhu -40°C hingga 125°C.

Cara Kerja:

• Saat suhu berubah, material semikonduktor pada thermistor merespons perubahan tersebut.
• Ketika suhu naik, resistansi menurun; saat suhu turun, resistansi meningkat.
• Perubahan resistansi diubah menjadi sinyal tegangan oleh rangkaian pembaca.
• Mikrokontroler membaca sinyal dan mengonversinya menjadi nilai suhu.
• Data suhu digunakan untuk pemantauan atau pengendalian sistem otomatis.

Spesifikasi Thermistor NTC 3950 (Sensor Suhu)

• Jenis sensor: NTC (Negative Temperature Coefficient) thermistor
• Nilai resistansi nominal: 10 kΩ pada suhu 25°C
• Konstanta Beta (β): 3950 K
• Rentang suhu operasi: -40°C hingga +125°C
• Toleransi resistansi: ±1% hingga ±5% (tergantung tipe)
• Tegangan kerja: 3,3 V – 5 V DC (tergantung rangkaian pembaca)
• Bahan pelindung sensor: Stainless steel tahan air
• Panjang kabel: Umumnya 1 meter (bisa bervariasi)
• Tipe keluaran: Analog (berupa perubahan resistansi terhadap suhu)

Karakteristik Thermistor NTC 3950 

• Koefisien suhu negatif – Nilai resistansi menurun ketika suhu meningkat.
• Sensitivitas tinggi – Mampu mendeteksi perubahan suhu kecil dengan cepat.
• Respon cepat – Perubahan resistansi terjadi hampir seketika saat suhu berubah.
• Akurasi baik – Memiliki konstanta Beta 3950 yang menunjukkan kestabilan pengukuran suhu.
• Rentang suhu lebar – Dapat bekerja pada kisaran suhu -40°C hingga +125°C.
• Tahan air dan korosi – Dilengkapi pelindung stainless steel agar aman digunakan di lingkungan lembap.
• Keluaran analog – Menghasilkan perubahan resistansi yang dapat dikonversi menjadi sinyal tegangan.
• Mudah diintegrasikan – Kompatibel dengan berbagai sistem mikrokontroler seperti Arduino atau ESP32.

    C. 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

    D. 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

    

  Prosedur percobaan

  [KEMBALI KE MENU SEBELUMNYA]

PROSEDUR PERCOBAAN

A. Persiapan Alat dan Komponen

    Sebelum memulai perakitan, pastikan seluruh komponen berikut tersedia:

1. Water Level (Sensor Ketinggian Air) 
2. LM35 (Sensor Suhu)
3. IC Op-Amp 741
4. Transistor 2SD882
5. Relay 
6. Potensiometer 1kΩ
7. Resistor 
8. Kapasitor
9. Heater
10. Pompa Air
11. Baterai atau Power Supply 5V, 9V, dan 12V DC
12. Kabel Jumper dan Breadboard 
13. Multimeter untuk Pengukuran Pegangan

B. Tahapan Perakitan Rangkaian WATER (Sensor Ketinggian Air)

    1. Sensor Water Level (WATER)

        Diletakkan vertikal di dalam tangki untuk mendeteksi tinggi air.

• Pin Vcc → +5V
• Pin GND → Ground
• Pin Output → Input non-inverting (+) IC 741Detektor (pin 3)

    2. Potensiometer 1k

• Hubungkan ke +5V dan ground
• Terminal tengah (wiper) → Input inverting (−) IC 741 Detektor (pin 2)
• Berfungsi sebagai pengatur tegangan referensi (Vref)

    3. Op-Amp LM741 (Detektor Non-Inverting)

• Pin 7 → +5V
• Pin 4 → Ground
• Pin 3 (+) → Output sensor
• Pin 2 (−) → Potensiometer 1k
• Pin 6 → Resistor basis transistor (RE5 10kΩ)

    4. Transistor NPN (2SD882)

• Basis → Output op-amp (melalui resistor 10kΩ)
• Emitor → Ground
• Kolektor → Salah satu sisi koil relay 

    5. Relay 

• Salah satu sisi koil → Kolektor transistor
• Sisi lain koil → +12V
• Kontak relay dihubungkan ke pompa air (B6) sebagai beban

    6. Kapasitor (1000µF)

• Dipasang paralel antara +5V dan ground
• Berfungsi menstabilkan tegangan sensor

C. Tahapan Perakitan Rangkaian LM35 (Sensor Suhu)

    1. Pemasangan Sensor LM35

• Pin Vcc → +5V
• Pin GND → Ground
• Pin Vout → Input non-inverting (+) op-amp U3 dan inverting (−) op-amp U6
• Berfungsi mengubah suhu menjadi sinyal tegangan (10 mV/°C)

    2. Potensiometer (RV1 & RV2)

• RV1 → dihubungkan ke +5V dan ground, wiper ke input inverting (−) detektor untuk set point suhu tinggi (>42°C)
• RV2 → dihubungkan ke +5V dan ground, wiper ke input non-inverting (+) detektor untuk set point suhu rendah (<40°C)

    3. Op-Amp LM741 (Detektor)

• U3 bekerja sebagai detektor non-inverting (suhu tinggi)
• U6 bekerja sebagai detektor inverting (suhu rendah)
• Pin 7 → +5V, Pin 4 → Ground
• Output (pin 6) → Basis transistor (melalui resistor pembatas arus)

    4. Transistor NPN (Q3 & Q6 – 2SD882)

• Basis → Output op-amp (via resistor 10kΩ)
• Emitor → Ground
• Kolektor → Koil relay
• Aktif jika VBE ≥ 0,7V

    5. Relay (RL1 dan RL6)

• Salah satu sisi koil → Kolektor transistor
• Sisi lain → +12V
• RL1 mengendalikan kipas pendingin, RL6 mengendalikan heater

    6. Beban Output

• Kipas Pendingin (B1) terhubung ke kontak RL1 → aktif saat suhu > 42°C
• Heater (B2) terhubung ke kontak RL6 → aktif saat suhu < 40°C

D. Pemeriksaan Awal

• Periksa kembali seluruh sambungan, polaritas komponen, dan nilai resistor.
• Pastikan semua jalur ground tersambung dengan baik antara sensor, op-amp, dan transistor.
• Nyalakan catu daya dan ukur tegangan output dari WATER dan LM35 dengan multimeter.
• Jika tegangan output sensor berubah sesuai kondisi, perhatikan apakah relay aktif dan pompa serta heater menyala.

E. Pengujian Sistem

    1. Pengujian Sensor Water Level (WATER)

• Siapkan air dan pastikan probe sensor terpasang.
• Teteskan air secara perlahan hingga menyentuh probe sensor.
• Amati perubahan tegangan output sensor saat air menyentu probe sensor serta perubahan status relay/pompa.
• Catat tegangan output dan level air saat indikator aktif (pompa menyala menandakan level air ≥ 80%).

    2. Pengujian Sensor Suhu (LM35)

• Hubungkan sensor LM35 ke rangkaian sesuai skematik (Vcc = +5V, GND, dan Vout ke input op-amp).
• Gunakan sumber panas seperti korek api dari jarak aman untuk menaikkan suhu di sekitar LM35.
• Amati perubahan tegangan output LM35 dan kondisi relay/kipas/heater saat suhu berubah.
• Catat nilai suhu (Vout × 100°C/V) pada saat relay atau indikator aktif.

    3. Pengujian Gabungan

• Lakukan uji simultan dengan peningkatan suhu dan keberadaan air.
• Amati kecepatan respons sistem dan keandalan kerja relay.

  Hardware

  

 [KEMBALI KE MENU SEBELUMNYA]

HARDWARE

  Rangkaian simulasi dan prinsip kerja

[KEMBALI KE MENU SEBELUMNYA]

RANGKAIAN SIMULASI DAN PRINSIP KERJA 

    Rangkaian kontrol tangki air otomatis berfungsi untuk menjaga ketinggian air tetap stabil tanpa perlu pengawasan manual. Sistem ini bekerja berdasarkan sinyal dari sensor level air yang mendeteksi tinggi permukaan air di dalam tangki. Sinyal dari sensor diolah oleh rangkaian pembanding berbasis op-amp, kemudian mengendalikan transistor dan relay untuk mengatur hidup atau matinya pompa air. Dengan cara ini, pompa menyala saat air sedikit dan otomatis berhenti saat tangki penuh, mencegah pemborosan listrik serta meluapnya air.

    Rangkaian kontrol suhu pada tangki berfungsi untuk memantau dan menjaga suhu air agar tetap dalam batas aman. Sensor Thermistor NTC 3950 digunakan karena resistansinya menurun saat suhu meningkat. Perubahan resistansi ini diubah menjadi sinyal tegangan melalui rangkaian pembagi tegangan, lalu dibandingkan oleh op-amp detektor untuk menentukan kondisi suhu. Ketika suhu melebihi batas yang telah ditentukan, komparator akan menghasilkan output HIGH yang mengaktifkan motor sebagai pendingin. Dengan sistem ini, suhu air dapat dikontrol secara otomatis tanpa perlu pemantauan langsung, sehingga menjaga keamanan dan efisiensi sistem tangki

Secara keseluruhan, rangkaian ini terbagi menjadi tiga bagian utama:

1. Kontrol Indikator Ketinggian Air di Tangki (Sensor Water Level dan Detektor Non-Inverting)
2. Deteksi Suhu Tangki Tinggi dan Indikator Pendingin (Sensor Thermistor NTC dan Detektor Non-Inverting)
3. Deteksi Suhu Tangki Rendah dan Indikator Pemanas (Sensor Thermistor NTC dan Detektor Inverting)

1. Kontrol Indikator Ketinggian Air di Tangki (Sensor Water Level dan Detektor Non-Inverting)

Prinsip Kerja

    Sensor water level (WATER) berfungsi untuk mendeteksi ketinggian air melalui sifat konduktivitas listrik dari air. Sensor ini diletakkan di dalam tangki air. Saat permukaan air belum mencapai 80%, sensor memberikan tegangan rendah (sekitar 0 V) yang diproses oleh rangkaian detektor non-inverting berbasis op-amp LM741. Karena tegangan input dari sensor (Vin) lebih kecil dari tegangan referensi (Vref), maka output op-amp berada pada kondisi rendah (0 V), sehingga transistor NPN 2N2222 (Q10) mati dan relay RL12 tidak ketarik sehingga pompa air mati. Saat air naik melebihi batas 80%, tegangan sensor meningkat melampaui Vref, menyebabkan output op-amp menjadi tinggi (+12 V), sehingga transistor menjadi aktif karena melebihi tegangan 0,6 Volt, lalu relay akan terhubung menyebabkan rangkaian tertutup, dan pompa air akan menyala dan mengalirkan air ke wadah lain dari tangki. Dengan mekanisme ini, sistem mampu mengatur level air secara otomatis, efisien, dan mencegah pemborosan energi.

2. Deteksi Suhu Tangki Tinggi dan Indikator Pendingin (Sensor Thermistor NTC dan Detektor Non-Inverting)

Prinsip Kerja

    Sensor suhu diletakkan di dalam tangki tempat penyimpanan air. Sensor suhu LM35 berfungsi mengubah besaran suhu menjadi tegangan dengan sensitivitas 10 mV per °C. Ketika suhu air melebihi 42°C, tegangan keluaran dari LM35 meningkat dan menjadi lebih besar dari tegangan referensi pada op-amp LM741 yang dikonfigurasi sebagai detektor non-inverting. Akibatnya, output op-amp berubah menjadi positif (+12 V), sehingga transistor NPN Q3 aktif dan mengalirkan arus ke relay yang menyalakan kipas pendingin. Saat kipas menyala, suhu air perlahan menurun hingga kembali ke batas normal. Begitu suhu turun di bawah 42°C, tegangan sensor kembali di bawah Vref, output op-amp menjadi rendah, transistor non-aktif, relay terputus, dan kipas otomatis mati. Proses ini memungkinkan sistem menjaga suhu air tetap stabil tanpa perlu kontrol manual.

3. Deteksi Suhu Tangki Rendah dan Indikator Pemanas (Sensor Thermistor NTC dan Detektor Inverting)

Prinsip Kerja

    Sensor suhu ditelakkan di dalam tangki tempat penyimpanan air. Sensor suhu LM35 menghasilkan tegangan keluaran sebesar 10 mV per °C yang sebanding dengan suhu air. Saat suhu turun di bawah 40°C, tegangan dari LM35 menjadi lebih kecil dari tegangan referensi pada op-amp LM741 yang dikonfigurasi sebagai detektor inverting. Kondisi ini membuat output op-amp menjadi positif (+12 V), sehingga transistor NPN Q6 aktif dan menghubungkan arus ke relay yang menyalakan elemen pemanas (heater). Ketika heater aktif, suhu air meningkat hingga mencapai batas aman. Setelah suhu melebihi 40°C, tegangan sensor naik melampaui nilai referensi, menyebabkan output op-amp kembali rendah, transistor non-aktif, relay terputus, dan heater otomatis mati. Dengan mekanisme ini, sistem mampu menjaga suhu air tetap berada pada rentang 40–42°C secara otomatis dan stabil.

  Flowchart

 [KEMBALI KE MENU SEBELUMNYA]

FLOWCHART

1. Mulai (Start)

Sistem aktif dan siap bekerja untuk mendeteksi dua parameter utama: suhu air dan ketinggian air dalam tangki.

2. Sensor Suhu Mendeteksi Suhu Air dalam Tangki

Sensor LM35 membaca suhu air dan mengubahnya menjadi tegangan listrik sebesar 10 mV per °C. Tegangan ini menjadi input bagi op-amp untuk dibandingkan dengan tegangan referensi (Vref).

3. Kondisi Suhu Air

Jika suhu antara 40–42°C, sistem menganggap kondisi stabil, tidak ada tindakan (pendingin atau pemanas) yang aktif.

    1) Saat Suhu > 42°C (Kondisi Panas)

• Output dari detektor non-inverting menjadi lebih besar dari Vref (Vi > Vref).
• Transistor masuk kondisi aktif karena VBE > 0,6 V, sehingga relay menutup (close).
• Arus mengalir ke kipas pendingin, dan indikator pendingin menyala.
• Tujuannya untuk menurunkan suhu hingga kembali ke rentang aman 40–42°C.

    2) Saat Suhu < 40°C (Kondisi Dingin)

• Output dari detektor inverting menjadi lebih besar dari Vref (Vi < Vref).
• Transistor aktif (VBE > 0,6 V) sehingga relay close dan menghubungkan heater (pemanas).
• Indikator pemanas menyala, menandakan sistem sedang memanaskan air agar suhu naik kembali ke batas aman.

4. Sensor Water Level Mendeteksi Ketinggian Air

Setelah pengendalian suhu, sistem lanjut memantau volume air dalam tangki.

• Sensor water level mendeteksi konduktivitas air untuk menentukan apakah air sudah melebihi 80% atau belum.

5. Kondisi Ketinggian Air

• Jika air belum mencapai 80%, maka Vi < Vref pada detektor non-inverting → relay open, pompa menyala untuk mengisi air.
• Jika air sudah di atas 80%, maka Vi > Vref → relay close, pompa mati untuk mencegah tangki meluap.

8. Selesai (End)

Setelah suhu dan level air terdeteksi, sistem akan terus bekerja secara otomatis dan berulang, menjaga agar suhu air tetap 40–42°C dan volume air tidak kurang atau berlebih.

 

VIDEO DEMO

  [KEMBALI KE MENU SEBELUMNYA]

DOWNLOAD FILE

Download File Rangkaian Proteus [klik disini] 

Download Video Simulasi [Klik disni]

Download File PPT [klik disini]

Download Datasheet Water Level Sensor [klik disini]

Download Datasheet LM35 [klik disini]

Download Datasheet Resistor [klik disini]

Download Datasheet Kapasitor [klik disini] 

Download Datasheet Op-Amp 741 [klik disini]

Download Datasheet Transistor NPN [klik disini] 

Download Datasheet Relay [klik disini]

Download Datasheet Motor [klik disini]

Download Datasheet Heater [klik disini]

Download Datasheet LED [klik disini]

Download Datasheet Power Supply [klik disini]

Download Datasheet Batterai [klik disini]