MODUL 4

    HALAMAN UTAMA

 

[KEMBALI KE MENU SEBELUMNYA]

MODUL 4

Gerbang Logika

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]

    Dalam kehidupan modern, kebutuhan akan sistem otomatis semakin meningkat seiring berkembangnya teknologi elektronika yang mampu mendukung aktivitas manusia secara lebih praktis, efisien, dan aman. Salah satu kebutuhan tersebut terdapat pada penggunaan garasi rumah maupun bangunan lain yang memerlukan mekanisme buka–tutup pintu. Pada sebagian besar rumah, pintu garasi masih dioperasikan secara manual, yaitu dengan menarik atau mendorong pintu secara langsung. Cara ini seringkali tidak efisien, terutama ketika pengguna sedang membawa kendaraan, sedang terburu-buru, atau ketika kondisi cuaca tidak mendukung seperti hujan dan malam hari.

Penggunaan sistem manual juga kerap menimbulkan berbagai permasalahan, seperti pintu garasi yang tidak tertutup rapat karena lupa menutupnya, potensi risiko keamanan akibat garasi yang dibiarkan terbuka, serta ketidaknyamanan pengguna yang harus berulang kali turun dari kendaraan hanya untuk membuka atau menutup pintu garasi. Pada beberapa kasus, penggunaan saklar manual untuk mengaktifkan motor penggerak juga dapat menimbulkan masalah berupa kesalahan pengoperasian atau beban berlebih apabila saklar tidak dimatikan tepat waktu.

Untuk mengatasi permasalahan tersebut, diperlukan suatu sistem otomatis yang mampu mengoperasikan pintu garasi secara mandiri berdasarkan kondisi lingkungan. Salah satu solusi yang dapat diterapkan adalah penggunaan sistem garasi otomatis berbasis sensor cahaya (LDR) dan sensor infrared (IR) yang dirancang untuk mendeteksi keberadaan kendaraan maupun tingkat pencahayaan tertentu. Sensor infrared digunakan untuk mendeteksi objek atau kendaraan yang mendekat melalui pantulan sinar inframerah, sedangkan sensor LDR digunakan untuk membaca intensitas cahaya yang dapat dijadikan pemicu otomatisasi pada kondisi tertentu, misalnya ketika keadaan menjadi gelap atau terang.

Pada sistem ini, sensor menghasilkan sinyal analog yang kemudian diproses melalui rangkaian pembanding menggunakan komparator LM393 atau operational amplifier TL082. Ketika nilai tegangan dari sensor melewati ambang batas tertentu, op-amp memberikan sinyal kontrol ke transistor sebagai penguat arus. Selanjutnya, transistor akan mengaktifkan relay yang berfungsi menghubungkan daya ke motor DC sehingga pintu garasi dapat bergerak membuka maupun menutup. Untuk menjaga keselamatan dan mencegah kerusakan mekanik, digunakan pula limit switch sebagai pembatas gerakan motor agar berhenti otomatis ketika pintu mencapai batas maksimal buka atau tutup.

Sistem garasi otomatis ini dirancang tanpa mikrokontroler, melainkan hanya menggunakan rangkaian komponen analog seperti op-amp, transistor, relay, sensor, dan motor DC. Pendekatan ini membuat sistem lebih hemat biaya, mudah dirakit, mudah dipahami, serta tidak bergantung pada pemrograman digital. Meskipun sederhana, sistem analog ini tetap mampu memberikan respon yang cepat, akurat, dan reliabel dalam mengontrol gerakan pintu garasi sesuai kondisi yang terdeteksi oleh sensor.

Melalui pengembangan sistem garasi otomatis berbasis sensor infrared dan LDR ini, diharapkan dapat tercipta solusi yang praktis dan efisien untuk meningkatkan kenyamanan serta keamanan pengguna. Selain itu, proyek ini juga menjadi wadah pembelajaran bagi mahasiswa dalam memahami cara kerja komponen elektronika, pengolahan sinyal analog, dan integrasi rangkaian otomatisasi sederhana yang dapat diaplikasikan pada berbagai kebutuhan rumah tangga maupun industri.

2. Tujuan[Kembali]

1. Merancang sistem garasi otomatis yang dapat membuka dan menutup pintu secara mandiri menggunakan sensor infrared dan sensor LDR.

2. Mengembangkan rangkaian pengendali berbasis op-amp, transistor, dan relay untuk mengatur kerja motor DC secara otomatis sesuai kondisi yang terdeteksi sensor.

3. Menghasilkan sistem otomatisasi garasi yang efisien, aman, dan praktis sehingga dapat meningkatkan kenyamanan pengguna 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. Sensor Infrared (IR)

Sensor infrared digunakan untuk mendeteksi keberadaan objek melalui pantulan sinar inframerah. Sensor ini menjadi pemicu utama untuk membuka atau menutup pintu garasi secara otomatis.

---

2. Sensor LDR (Light Dependent Resistor)

Sensor LDR mendeteksi perubahan intensitas cahaya. Resistansinya menurun saat cahaya terang dan meningkat saat gelap sehingga dapat dijadikan pemicu otomatisasi.

---

3. LED Putih

LED berfungsi sebagai indikator visual, misalnya menandakan sistem aktif, mendeteksi input sensor, atau status pintu garasi.

---

4. Kabel Jumper (Male to Male dan Female to Male)

Digunakan sebagai konektor tambahan untuk menghubungkan modul sensor, op-amp, relay, dan motor DC dalam satu rangkaian.

---

5. Konverter DC to DC

Konverter ini digunakan untuk menurunkan atau menstabilkan tegangan keluaran agar sesuai kebutuhan sistem, misalnya dari 12V ke 5V.

---

6. Transistor D882

Transistor ini digunakan sebagai saklar elektronik untuk mengontrol arus besar ke motor atau relay menggunakan arus kecil dari op-amp.

---

7. Operational Amplifier TL082

Op-amp TL082 berfungsi sebagai pembanding tegangan (komparator) untuk memproses sinyal dari sensor dan menentukan kondisi buka/tutup garasi.

---

8. Relay 5V

Relay digunakan sebagai saklar otomatis berdaya besar untuk menghubungkan motor DC dengan sumber tegangan sesuai sinyal dari transistor.

---

9. Limit Switch

Limit switch digunakan untuk menentukan batas gerakan pintu garasi, mencegah motor bergerak berlebihan, dan mematikan sistem pada posisi buka/tutup maksimum.

---

10. Resistor 220 Ohm

Resistor digunakan sebagai pembatas arus untuk LED atau bagian rangkaian lainnya agar tidak menerima arus berlebih.

---

11. Comparator LM393

LM393 membandingkan tegangan sensor dengan nilai referensi untuk menghasilkan sinyal digital HIGH atau LOW sebagai input ke pengendali.

---

12. Motor DC 5V

Motor DC berfungsi sebagai aktuator utama untuk membuka dan menutup pintu garasi dengan mengubah energi listrik menjadi energi gerak.

---

13. Push Button DPDT

Push button DPDT digunakan sebagai kendali manual alternatif untuk membalik polaritas motor (maju/mundur) saat pengujian.

---

14. Power Supply 12 Volt

Digunakan sebagai sumber daya utama untuk motor dan relay yang membutuhkan arus lebih besar dibandingkan komponen sensor.

4. Dasar Teori [Kembali]

A. Sensor LDR dengan Konfigurasi Op-Amp Non-Inverting

                                    

1. Prinsip Kerja Sensor LDR

Sensor LDR (Light Dependent Resistor) bekerja berdasarkan perubahan resistansi akibat cahaya. Resistansinya menurun ketika cahaya kuat, dan meningkat ketika kondisi gelap.

Gaya penulisan pedomanmu sudah sangat cocok, tetapi tidak sama persis, jadi teori di bawah boleh kamu pakai langsung.

Hubungan Cahaya – Resistansi – Tegangan

• Intensitas cahaya ↑ → R_LDR ↓ → Tegangan pembagi menurun
• Intensitas cahaya ↓ → R_LDR ↑ → Tegangan pembagi naik

Tegangan ini masuk ke op-amp non-inverting sebagai sinyal input.

2. Konfigurasi Op-Amp Non-Inverting

Prinsip Kerja Konfigurasi:

• Input dari LDR masuk ke pin non-inverting (+).
• Output op-amp memberikan penguatan positif tanpa membalik fasa.
• Ketika tegangan input > tegangan referensi, output naik ke V_sat+.
• Ketika tegangan input < tegangan referensi, output turun ke V_sat−.

Konfigurasi ini dipilih karena:

• sinyal LDR kecil → diperkuat,
• responsnya cepat,
• cocok untuk deteksi cahaya otomatis.

3. Penerapan pada Sistem Garasi Otomatis

Sensor LDR digunakan untuk menghidupkan lampu garasi saat gelap.

Alurnya:

1. Intensitas cahaya menurun → R_LDR naik → V_LDR meningkat.
2. V_LDR > V_ref → op-amp output HIGH.
3. Output HIGH mengaktifkan transistor → lampu menyala.
4. Saat terang → V_LDR < V_ref → output LOW → lampu mati.

4. Grafik Karakteristik LDR

Grafik hubungan Intensitas Cahaya vs Resistansi
Grafik hubungan Intensitas Cahaya vs Tegangan Output

• Sumbu X = Lux (cahaya)
• Sumbu Y = Resistansi (Ω)
• Kurva miring ke bawah → semakin terang resistansi makin kecil.
• Kurva meningkat → tegangan naik saat gelap, turun saat terang.

5. Tabel Spesifikasi Umum LDR

B. Sensor IR Digital dengan Konfigurasi Op-Amp Buffer (Voltage Follower)

                                            

1. Prinsip Kerja Sensor IR Digital

Sensor infrared (IR) bekerja dengan memanfaatkan radiasi cahaya inframerah yang berada di luar spektrum cahaya tampak. Pada modul sensor IR tipe pemantulan (reflective sensor), terdapat dua bagian utama:

1. Pemancar (IR LED) yang memancarkan cahaya inframerah.
2. Penerima (fotodioda atau fototransistor) yang mendeteksi pantulan cahaya dari objek di depannya.

Jika di depan sensor terdapat objek (misalnya bodi mobil), maka sebagian cahaya IR akan dipantulkan kembali ke arah penerima. Intensitas pantulan ini mengubah arus yang mengalir pada fotodioda/fototransistor sehingga tegangan output sensor ikut berubah.

Secara umum:

• Tidak ada objek → pantulan sangat kecil → arus fotodioda kecil → tegangan output berada pada kondisi tertentu (misalnya LOW).
• Ada objek → pantulan besar → arus fotodioda naik → tegangan output berubah ke kondisi lain (misalnya HIGH).

2. Fungsi Op-Amp sebagai Buffer / Voltage Follower

Konfigurasi buffer (voltage follower) digunakan karena:

• tidak memberi penguatan (gain = 1),
• tetapi memberi impedansi input tinggi dan impedansi output rendah,
• sehingga sinyal digital dari sensor IR menjadi stabil dan tidak terpengaruh beban.

Persamaan:

V_out = V_in

Fungsi dalam sistem:

• mencegah noise,
• memastikan sinyal IR diteruskan ke transistor/relay dengan kuat,
• membuat pembacaan logika IR lebih stabil.

3. Alur Kerja pada Sistem Garasi

1. Mobil mendekat → IR memantulkan cahaya → sensor output HIGH.
2. Sinyal masuk ke op-amp buffer → sinyal Stabil HIGH.
3. Output buffer → transistor → relay → motor DC bergerak menutup pintu.
4. Ketika mobil keluar → IR LOW → pintu dapat membuka kembali (jika diatur demikian).

4. Grafik Output Digital Sensor IR

C. Transistor D882

                                                                  

    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.

• Emitor (E) memiliki fungsi untuk menghasilkan elektron atau muatan negatif.
• Kolektor (C) berperan sebagai saluran bagi muatan negatif untuk keluar dari dalam transistor.
• 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.

• 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.
• 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. Relay & Motor DC sebagai Aktuator Pintu Garasi

                                                            
                                                            

1. Pengertian Relay

Relay adalah saklar elektromagnetik yang dapat dikendalikan secara listrik. Relay memungkinkan rangkaian tegangan rendah (misalnya output op-amp atau transistor) untuk mengontrol rangkaian tegangan lebih tinggi (misalnya motor DC).

Relay bekerja menggunakan kumparan (coil) yang akan menghasilkan medan magnet ketika dialiri arus. Medan magnet ini menarik tuas logam (armature) sehingga mengubah posisi kontak saklar (NO/NC).

---

2. Struktur Dasar Relay

Secara umum relay memiliki elemen-elemen berikut:

• Coil (kumparan) → menghasilkan medan magnet.
• Armature (tuas) → tertarik saat coil aktif.
• Kontak NO (Normally Open) → terbuka saat relay OFF, menutup saat ON.
• Kontak NC (Normally Closed) → tertutup saat relay OFF, terbuka saat ON.
• Common (COM) → titik peralihan kontak NO/NC.

3. Prinsip Kerja Relay pada Sistem Pintu Garasi

Pada rangkaian garasi otomatis, relay digunakan untuk:

1. Menghidupkan dan mematikan motor DC sesuai perintah sensor.
2. Mengubah arah putaran motor (jika menggunakan sistem DPDT atau relay ganda).
3. Mengisolasi rangkaian kendali tegangan rendah dengan rangkaian aktuator tegangan tinggi.

Alur kerjanya:

• Output op-amp (buffer / non-inverting) → mengaktifkan transistor.
• Transistor mengalirkan arus ke kumparan relay → relay ON.
• Kontak NO menutup → motor DC terhubung ke supply → pintu bergerak.

Ketika tidak ada sinyal sensor:

• Transistor OFF
• Relay OFF
• Motor berhenti

---

4. Pengertian Motor DC

Motor DC adalah aktuator elektromekanis yang mengubah energi listrik menjadi energi gerak putar. Motor DC digunakan dalam sistem garasi karena:

• torsi cukup besar,
• mudah dikendalikan arah putaran,
• bekerja stabil pada tegangan rendah (5–12 V),
• dapat bergerak maju (open) dan mundur (close).

---

5. Prinsip Kerja Motor DC

Motor DC bekerja berdasarkan gaya Lorentz, yaitu gaya yang timbul saat arus listrik mengalir dalam medan magnet.

Tahapan kerjanya:

1. Arus mengalir ke kumparan rotor.
2. Medan magnet terbentuk dan berinteraksi dengan magnet stator.
3. Interaksi ini menghasilkan torsi → rotor berputar.
4. Komutator menjaga arah arus agar terus menghasilkan torsi.

---

6. Mengubah Arah Putaran Motor (Open / Close)

Motor DC dapat dibalik arah putarannya dengan membalik polaritas tegangan:

• Polaritas A → B (positif) → motor berputar arah buka
• Polaritas B → A (positif) → motor berputar arah tutup

Ada dua cara umum dalam rangkaian garasi otomatis:

1. Menggunakan relay DPDT

• COM → motor
• NO/NC → supply dan ground
• Ketika relay berubah posisi, polaritas motor otomatis berbalik

2. Menggunakan dua relay SPDT

• Relay 1 menentukan arah putaran
• Relay 2 menentukan ON/OFF

---

7. Integrasi Relay + Motor DC dalam Sistem Garasi Otomatis

Diagram alur:

1. Sensor IR mendeteksi mobil → output HIGH
2. Op-amp buffer menstabilkan sinyal
3. Transistor D882 aktif (saklar on)
4. Transistor memberikan arus ke coil relay
5. Relay ON → kontak NO menutup
6. Motor DC terhubung ke 12V → pintu bergerak
7. Ketika mencapai batas, limit switch memutus motor
8. Motor berhenti