Modul 4 Sistem Digital

Modul 4

[KEMBALI KE MENU SEBELUMNYA]

DAFTAR ISI

1. Pendahuluan

2. Tujuan

3. Alat dan Bahan

4. Dasar Teori

5. Percobaan

Percobaan ...

1. A. Prosedur
2. B. Hardware
3. C. Rangkaian Simulasi dan Prinsip Kerja
4. D. Flowcart
5. F. Video Demo
6. G. Download File

MODUL 4

1. Pendahuluan [Kembali]

Dalam industri penyimpanan makanan beku (frozen food), pengendalian suhu merupakan hal yang sangat penting untuk menjaga kualitas dan keamanan produk. Produk makanan seperti daging, ikan, dan makanan olahan harus disimpan pada suhu rendah agar tidak cepat rusak. Jika suhu naik, proses pembusukan akan lebih cepat terjadi, menghasilkan gas amonia (NH₃) yang berbau tajam dan menandakan adanya penurunan kualitas makanan.

Permasalahan utama yang sering muncul adalah tidak adanya sistem otomatis yang dapat mendeteksi perubahan suhu dan keberadaan gas amonia secara bersamaan. Keterlambatan dalam penanganan dapat menyebabkan kerusakan bahan makanan dalam jumlah besar. Untuk mengatasi hal tersebut, dirancanglah alat pengatur suhu otomatis berbasis sensor LM35 dan sensor gas MQ-4. Ketika suhu naik atau terdeteksi gas amonia, alat ini akan secara otomatis mengaktifkan kipas pendingin agar suhu kembali normal dan menghambat pembusukan yang pada akhirnya menenkan kadar gas amonia pada ruangan.

Sistem ini menggunakan beberapa komponen utama seperti LM35 untuk deteksi suhu, MQ-4 untuk deteksi gas, LM324 sebagai pembanding tegangan, gerbang logika OR sebagai pengendali logika, transistor 2N2222 sebagai saklar elektronik, serta relay dan kipas DC sebagai aktuator. Dengan sistem ini, proses penyimpanan frozen food menjadi lebih aman, efisien, dan otomatis.

2. Tujuan [Kembali]

1. Merancang dan membuat sistem otomatis untuk mengontrol suhu ruang penyimpanan makanan beku.

2. Mendeteksi keberadaan gas amonia akibat pembusukan makanan menggunakan sensor MQ-4.

3. Mengaktifkan kipas pendingin secara otomatis ketika suhu atau kadar gas melebihi batas normal.

4. Menerapkan prinsip kerja rangkaian komparator, gerbang logika, dan relay dalam sistem pengendalian suhu dan gas.

5. Mengetahui cara kerja sistem kontrol otomatis berbasis sensor dalam aplikasi dunia nyata.

3. Alat dan Bahan[Kembali]

1. Beardboard

 

2. Sensor suhu LM35

 

3. Sensor gas MQ - 2

 

4. Gerbang OR

5. IC LM393

 

6. Transitor BD139 

 

7. Relay

8. IC7490

 

9. IC 4511

 

10. Potensiometer

 

11. Resistor

 

12. Jumper

 

13. Dioda

 

14. Kipas

 

15. Adapter

 

4. Dasar Teori [Kembali]

1. Sensor Suhu LM35

Sensor LM35 merupakan sensor suhu tipe analog yang berfungsi untuk mengubah besaran fisik suhu menjadi besaran listrik berupa tegangan analog. LM35 termasuk dalam keluarga sensor suhu presisi yang dikalibrasi langsung dalam derajat Celcius. Sensor ini memiliki keunggulan dibandingkan termistor atau termokopel karena tidak memerlukan kalibrasi eksternal, bersifat linier, dan memiliki sensitivitas tetap sebesar 10 mV/°C.

 

Secara matematis, hubungan antara suhu dan tegangan keluaran LM35 dinyatakan dengan persamaan:

$$V_{out}=10\times T(\mathrm{°}C)\text{(mV)}$$

Sebagai contoh, jika suhu terukur adalah 30°C, maka tegangan keluarannya sebesar:

$$V_{out}=10\times 30=300\text{mV}=0,3\text{V}$$

LM35 bekerja dengan catu daya antara 4V–30V DC dan memiliki tingkat kesalahan maksimum ±0,5°C pada suhu kamar. Sensor ini dipasang pada bagian dalam ruang frozen food untuk memantau kondisi suhu aktual. Ketika suhu naik di atas batas normal, tegangan keluarannya meningkat sehingga dapat dibandingkan dengan tegangan referensi dari potensiometer untuk menghasilkan sinyal logika tertentu.

Pin pada LM35 adalah sebagai berikut

 

 

2. Sensor gas MQ-4 

Sensor gas MQ-4 berfungsi untuk mendeteksi keberadaan gas metana (CH₄) dan gas amonia (NH₃). Prinsip kerja sensor ini berdasarkan pada perubahan resistansi bahan semikonduktor (umumnya SnO₂) akibat reaksi kimia dengan gas yang terdeteksi. Saat molekul gas amonia hadir di sekitar sensor, terjadi reaksi oksidasi-reduksi pada permukaan sensor yang menyebabkan perubahan konduktivitas.

 

Sensor MQ-4 memiliki dua bagian utama:

1. Elemen pemanas (heater coil) yang menjaga suhu sensor pada kondisi optimal (sekitar 200–300°C).

2. Elemen deteksi (SnO₂) yang resistansinya berubah terhadap konsentrasi gas.

Hubungan antara resistansi sensor ($R_s$) dan konsentrasi gas dalam satuan ppm (part per million) adalah:

dengan:

• $R_s$ = resistansi sensor terhadap gas tertentu

• $R_o$ = resistansi sensor dalam udara bersih

• $A$, $B$ = konstanta kalibrasi yang ditentukan oleh pabrikan

Semakin tinggi konsentrasi gas amonia, semakin kecil nilai Rs dan tegangan keluaran sensor akan meningkat. Sinyal analog ini kemudian dibandingkan dengan tegangan ambang (threshold) melalui komparator LM324 untuk menentukan apakah kadar gas sudah berbahaya. 

Pin pada MQ 2 adalah

 

3. IC LM393 (Op-Amp / Komparator)

IC LM393 merupakan dual comparator yang berarti memiliki dua komparator independen di dalam satu kemasan. Komparator berfungsi untuk membandingkan dua tegangan input, yaitu tegangan dari sensor suhu (Vin+) dan tegangan referensi (Vin−). Output komparator akan berubah status logika berdasarkan hasil perbandingan kedua tegangan tersebut.

 

Jika tegangan dari sensor lebih tinggi dari tegangan referensi, maka output komparator akan berlogika rendah (Low) karena LM393 menggunakan open-collector output. Sebaliknya, jika tegangan sensor lebih rendah dari tegangan referensi, maka output akan berlogika tinggi (High) melalui resistor pull-up eksternal.

Secara umum, prinsip kerja LM393 mengikuti hukum:

$$V_{out} = \begin{cases} Low, & \text{jika } V_{in(+)} > V_{in(-)} \\ High, & \text{jika } V_{in(+)} < V_{in(-)} \end{cases}$$

Kelebihan LM393  antara lain:

• Memiliki kecepatan respon yang lebih tinggi dalam mendeteksi perubahan tegangan.

• Mengonsumsi daya yang lebih rendah.

• Dapat langsung digunakan sebagai pembanding digital karena output open-collector bisa dikombinasikan dengan logika TTL atau CMOS.

Dengan menggunakan LM393, rangkaian menjadi lebih akurat dalam menentukan batas suhu kapan kipas atau pendingin harus aktif, sebab perubahan kecil pada sinyal sensor dapat langsung direspons.

4. Gerbang Logika OR

$$\mathrm{Y\; =\; A\; +\; B}$$

Gerbang logika OR digunakan untuk menggabungkan dua kondisi masukan, yaitu sinyal dari komparator suhu dan komparator gas. Fungsi logika OR akan menghasilkan keluaran logika 1 jika salah satu atau kedua input bernilai 1. Dengan demikian, sistem tidak hanya bereaksi terhadap kenaikan suhu, tetapi juga terhadap keberadaan gas amonia.

Tabel kebenaran gerbang OR:

Persamaan logika:

Artinya, kipas akan aktif jika A = 1 (suhu tinggi) atau B = 1 (gas terdeteksi).

5. Transistor BD139

 

Transistor BD139 merupakan transistor NPN daya menengah (medium power transistor) yang banyak digunakan dalam berbagai aplikasi elektronika, terutama sebagai penguat arus (current amplifier) dan saklar (switching device). Transistor ini dirancang khusus untuk aplikasi di mana diperlukan arus kolektor yang cukup besar namun masih dalam kategori rangkaian sinyal kecil dan menengah, seperti penggerak motor DC, pengendali relay, penguat audio, serta sistem pengendalian suhu otomatis.

Dalam konteks rangkaian pengendali suhu berbasis LM35 dan LM393, transistor BD139 memiliki peran sangat penting sebagai driver kipas. Fungsi utamanya adalah menguatkan sinyal logika berarus kecil dari IC LM393 agar dapat menggerakkan beban dengan arus lebih besar, seperti motor DC kipas pendingin. Dengan demikian, BD139 berperan sebagai penghubung antara bagian kontrol (IC LM393) dan bagian aktuator (kipas DC).

Berikut spesifikasi umum transistor BD139:

• Tegangan kolektor–emitor maksimum (Vceo) : 80V
• Tegangan kolektor–basis maksimum (Vcbo) : 100V
• Tegangan emitor–basis maksimum (Vebo) : 5V
• Arus kolektor maksimum (Ic) : 1,5A
• Daya disipasi maksimum (Ptot) : 12,5W
• Frekuensi transisi (ft) : 190 MHz
• Penguatan arus DC (hFE) : 25–160 (tergantung arus dan suhu kerja)

Nilai penguatan arus (hFE) menunjukkan perbandingan antara arus kolektor (Ic) dengan arus basis (Ib) yang mengontrolnya, dengan rumus:

$$h_{FE} = \frac{I_C}{I_B}$$

Dari persamaan tersebut, dapat diketahui bahwa arus kecil pada basis (Ib) dapat menghasilkan arus yang jauh lebih besar pada kolektor (Ic). Inilah dasar dari fungsi penguatan arus pada transistor.

Transistor BD139 dikemas dalam bentuk TO-126 dengan tiga kaki utama, yaitu:

• Basis (B) → menerima sinyal kendali dari IC LM393 melalui resistor basis (biasanya 10 kΩ–47 kΩ) untuk membatasi arus basis agar tidak melebihi batas aman.
• Kolektor (C) → dihubungkan ke salah satu sisi beban (kipas DC atau relay).
• Emitor (E) → dihubungkan langsung ke ground (0V).

Ketika transistor bekerja sebagai saklar, tiga daerah kerja penting perlu diperhatikan:

• Daerah Cut-off: transistor dalam keadaan mati (tidak ada arus basis, Ib = 0), sehingga arus kolektor (Ic) juga 0.
• Daerah Aktif: transistor bekerja sebagai penguat arus; arus kolektor berbanding lurus dengan arus basis (Ic = β × Ib).
• Daerah Saturasi: transistor dalam keadaan jenuh (fully ON); arus maksimum mengalir dari kolektor ke emitor, resistansi kolektor–emitor sangat kecil (RCE ≈ 0 Ω).

Pada sistem pengendali suhu otomatis, BD139 bekerja berdasarkan sinyal logika yang dihasilkan oleh IC LM393 (komparator).

• Ketika suhu melebihi ambang batas, tegangan keluaran sensor LM35 naik sehingga tegangan input positif LM393 lebih besar daripada tegangan referensi. Akibatnya, output LM393 menjadi Low (mendekati 0V) karena sifat open collector-nya.
• Arus basis kemudian mengalir dari output LM393 menuju basis BD139 melalui resistor pembatas. Arus kecil ini menyebabkan BD139 masuk ke kondisi saturasi, sehingga arus besar dapat mengalir dari kolektor ke emitor. Arus ini digunakan untuk menyalakan kipas DC atau mengaktifkan relay pendingin.
• Ketika suhu turun di bawah ambang batas, tegangan dari LM35 menjadi lebih rendah daripada tegangan referensi potensiometer. Output LM393 berubah menjadi High (5V) sehingga arus basis BD139 terputus. Transistor pun masuk ke kondisi cut-off, arus kolektor berhenti mengalir, dan kipas otomatis mati.

Proses ini terjadi secara otomatis dan terus-menerus, menjaga kestabilan suhu pada nilai yang diinginkan.

Arus kolektor (Ic) yang mengalir melalui kipas DC bergantung pada arus basis (Ib) dan penguatan arus transistor (β atau hFE). Secara umum dapat ditulis:

$$I_C = h_{FE} \times I_B$$

Jika kipas DC memerlukan arus sebesar 500 mA dan BD139 memiliki hFE = 100, maka arus basis minimum yang dibutuhkan adalah:

$$I_B = \frac{I_C}{h_{FE}} = \frac{500mA}{100} = 5mA$$

Untuk mengatur arus basis tersebut, digunakan resistor basis (Rb) dengan nilai:

$$R_B = \frac{V_{out(LM393)} - V_{BE}}{I_B}$$

Dengan asumsi

Vout(LM393)​ = 5V dan VBE ​= 0.7V:

$$R_B = \frac{5V - 0.7V}{5mA} = 860Ω$$

Secara praktis, dipilih nilai 1 kΩ–10 kΩ agar arus basis tetap aman namun transistor dapat aktif penuh ketika suhu melebihi batas.

6. IC7490 (Counter) dan IC 7448 (BCD to 7-Segment Decoder)

IC IC7490 merupakan penghitung biner (binary ripple counter) 4-bit yang digunakan untuk menghasilkan urutan logika biner 0000–1111 (0–15). IC ini memiliki dua masukan clock (CKA dan CKB) serta empat keluaran (QA, QB, QC, QD).

 

IC 7448 berfungsi sebagai pengonversi kode biner (BCD) menjadi tampilan angka pada seven segment display. Setiap kombinasi biner pada input (A, B, C, D) akan diubah menjadi pola pencahayaan pada segmen LED (a–g) untuk menampilkan angka desimal.

 

Hubungan antara input BCD dan output seven segment diatur oleh tabel dekoder internal IC 7448. IC ini juga dilengkapi dengan pin latch dan blanking untuk mengontrol tampilan secara efisien.

Fungsi kedua IC ini dalam sistem adalah memberikan informasi visual, yaitu menghitung berapa kali terjadi kenaikan suhu yang ditampilkan lewat seven segment.

8. Potensiometer

Potensiometer digunakan sebagai pembagi tegangan untuk menentukan nilai referensi (reference voltage) pada input inverting (-) dari op-amp LM324. Nilai referensi ini berfungsi sebagai ambang batas suhu atau kadar gas. Jika tegangan keluaran sensor melebihi nilai referensi, maka sistem akan menghasilkan sinyal aktif (HIGH).

 

Persamaan dasar pembagi tegangan:

$$V_{out} = V_{in} \times \frac{R_2}{R_1 + R_2}$$

Dengan mengubah posisi putaran potensiometer, pengguna dapat menyesuaikan batas sensitivitas sistem.