LA Modul 4

HALAMAN UTAMA

[KEMBALI KE MENU SEBELUMNYA]

MODUL 4

Kontrol Polusi Udara dalam Ruangan Perokok

DAFTAR ISI

Percobaan ...

1. Pendahuluan[Kembali]

Kualitas udara merupakan faktor penting yang sangat memengaruhi kesehatan manusia dan kenyamanan lingkungan. Dalam aktivitas sehari-hari, terutama pada ruang tertutup, keberadaan udara bersih menjadi kebutuhan utama agar penghuni dapat beraktivitas dengan aman dan nyaman. Salah satu sumber pencemar udara dalam ruangan yang paling umum adalah asap rokok. Asap rokok mengandung berbagai zat berbahaya seperti nikotin, karbon monoksida, dan partikel halus (PM2.5) yang dapat mengganggu pernapasan, mencemari ruangan, serta menurunkan kualitas udara secara signifikan. Oleh karena itu, diperlukan suatu sistem pengendalian polusi udara yang mampu bekerja secara efisien untuk menjaga kondisi ruangan tetap bersih dan layak huni.

Pada banyak lingkungan, terutama ruang keluarga, ruang tunggu, atau area khusus perokok, pengendalian polusi udara masih dilakukan secara manual, seperti membuka jendela atau menyalakan kipas angin. Cara ini sering tidak efektif karena tidak mampu mendeteksi tingkat polusi secara langsung dan tidak memberikan respons otomatis saat kualitas udara menurun. Akibatnya, polusi dapat menumpuk tanpa disadari, menimbulkan ketidaknyamanan, membahayakan kesehatan penghuni, serta menyebabkan penggunaan alat ventilasi atau pembersih udara menjadi tidak efisien.

Untuk mengatasi permasalahan tersebut, dibutuhkan sistem kontrol polusi ruangan yang bekerja secara otomatis dan real-time dalam memantau kualitas udara. Sistem ini dirancang untuk mendeteksi tingkat polutan seperti asap rokok menggunakan sensor gas atau sensor kualitas udara (Kami menggunakan MQ-2 dan sensor suhu LM 35). Sensor ini akan menghasilkan sinyal yang menunjukkan konsentrasi polutan di dalam ruangan. Sinyal tersebut kemudian diproses oleh rangkaian pengendali berbasis komponen seperti operational amplifier (op-amp) dan transistor.

Ketika sensor mendeteksi bahwa konsentrasi asap rokok sudah melewati ambang batas tertentu, op-amp akan mengaktifkan transistor yang mengontrol relay untuk menyalakan kipas penyedot dan indikator LED sebagai penanda kipas sudah menyala. Dengan demikian, sirkulasi udara dapat diperbaiki secara otomatis dan polusi dapat dikurangi dengan cepat. Sebaliknya, ketika kualitas udara kembali normal, op-amp akan memutus sinyal sehingga sistem ventilasi berhenti bekerja. Penggunaan komponen analog sederhana seperti op-amp, transistor, dan relay membuat sistem ini lebih hemat biaya, mudah dirakit, dan tidak memerlukan mikrokontroler atau pemrograman yang kompleks.

Melalui pengembangan sistem kontrol polusi ruangan otomatis berbasis sensor gas dan op-amp ini, diharapkan dapat menghadirkan solusi yang efektif untuk mengurangi dampak negatif asap rokok di ruangan tertutup. Sistem ini mampu bekerja secara mandiri, efisien, dan responsif, sehingga dapat mendukung konsep kenyamanan lingkungan serta meningkatkan kualitas udara dalam ruang yang sering terpapar asap rokok. Selain itu, proyek ini juga menjadi implementasi teknologi otomasi sederhana yang dapat diterapkan pada berbagai jenis ruangan untuk menciptakan lingkungan yang lebih bersih dan sehat.

2. Tujuan[Kembali]

Merancang sistem kontrol polusi untuk ruangan perokok yang dapat mendeteksi dan mengurangi polutan seperti asap rokok dalam ruangan dengan menggunakan sensor gas MQ-2 dan sensor suhu LM35
Mengembangkan sistem pengendalian ventilasi otomatis berbasis op-amp yang dapat menyalakan dan mematikan kipas penyedot atau filtrasi udara sesuai ambang polusi.
Menghasilkan aplikasi kontrol kualitas udara ruangan yang efisien, hemat energi, dan mendukung penerapan konsep smart home untuk menjaga udara tetap bersih dan nyaman.

3. Alat dan Bahan [Kembali]

Alat

a. Breadboard

b. Kotak Plastik

c. Power Supply 5V

d. Adapter 12V

e. Jumper

Bahan

a. Sensor Suhu (LM35)

b. Sensor Gas (MQ-2)

c. Operational Amplifier tipe TL082

TL082 adalah IC op-amp dual (dua op-amp di satu paket, biasanya DIP-8 / SO-8) dengan input JFET berimpedansi tinggi. Dirancang untuk aplikasi audio, filter aktif, penguat tegangan rendah noise, dan pengkondisian sinyal. Tidak seperti LM393 (komparator dengan output open-collector), TL082 adalah op-amp klasik dengan keluaran push-pull (dapat meng-source dan sink arus) sehingga cocok untuk penguatan sinyal analog dan konfigurasi umpan-balik (feedback).

Pinout

Output 1 — keluaran op-amp A
Inverting Input 1 (−) — input pembalik op-amp A
Non-inverting Input 1 (+) — input non-pembalik op-amp A
V− (Vee / Negative Supply) — sambungkan ke rail negatif (biasanya −V atau GND pada single-supply)
Non-inverting Input 2 (+) — input non-pembalik op-amp B
Inverting Input 2 (−) — input pembalik op-amp B
Output 2 — keluaran op-amp B
V+ (Vcc / Positive Supply) — sambungkan ke rail positif

Catatan: Susunan pin sesuai standar dual-opamp umum (mirip keluarga TL07x/TL08x).

Cara kerja / karakteristik fungsional

Op-amp linear: TL082 menguatkan selisih tegangan antara input non-inverting (+) dan inverting (−) dan dipakai dalam konfigurasi umpan-balik (inverting, non-inverting, integrator, filter aktif, dsb.).
Input JFET: Menyediakan impedansi input tinggi (berguna untuk sensor tegangan kecil atau sumber sinyal yang bersifat high-impedance).
Keluaran push-pull: Dapat menghasilkan level tegangan menuju rails, namun bukan rail-to-rail — artinya output dan input tidak bisa mencapai tegangan catu sepenuhnya (perlu memperhatikan headroom).
Bukan comparator: Walau bisa dipakai sebagai pembanding, op-amp analog seperti TL082 tidak ideal untuk switching cepat atau kondisi saturasi berkepanjangan (lebih baik gunakan komparator khusus seperti LM393 untuk fungsi pembandingan digital/cepat).

Catu daya

TL082 biasa digunakan dengan catu ganda (mis. ±12 V, ±15 V) untuk performa terbaik. Bisa juga digunakan single-supply, tetapi perhatikan batas common-mode input dan kemampuan keluaran (input/output tidak mencapai rail). Selalu cek datasheet untuk rentang tegangan catu yang spesifik dan batas absolut.

Perilaku input/output penting

Common-mode input: Ada batasan—input tidak dapat mendekati rail penuh; perhatikan rentang common-mode saat merancang rangkaian (jangan harap input berfungsi pada tegangan sangat dekat V+ atau V−).
Offset & bias: Memiliki offset dan arus bias tertentu (lebih baik periksa nilai datasheet bila desain presisi diperlukan).
Stabilitas & kompensasi: TL082 umumnya kompensasi internal untuk penguatan loop unity, tetapi desain filter/penyusun gain tinggi perlu memperhatikan kestabilan (kompensasi atau kompensator mungkin diperlukan untuk konfigurasi tertentu).

d. Transistor NPN d882

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:

e. 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).

f. 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%.

g. 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.

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.

h. LED-Red

LED (Dioda Pemancar Cahaya) adalah komponen semikonduktor yang memancarkan cahaya ketika dialiri arus maju (forward bias). LED digunakan secara luas sebagai indikator, pencahayaan, dan tampilan.
Prinsip Kerja:
Ketika arus mengalir dari anoda (+) ke katoda (–), elektron dan hole bertemu di persambungan p–n dan menghasilkan energi dalam bentuk foton (cahaya).
LED hanya menyala jika diberi tegangan maju (bias forward) dan padam jika dibias terbalik (reverse bias).

Karakteristik:

Tegangan kerja: 1,8V – 3,3V (tergantung warna)
Arus kerja: 10–20 mA
Diperlukan resistor pembatas arus agar LED tidak rusak.

Kegunaan:

Sebagai indikator on/off rangkaian
Tampilan output pada sistem digital
Display angka atau huruf (7-segment LED)
Pencahayaan dan dekorasi

i. Fan 5V

j.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:

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.
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.
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. Sensor LM35

Sensor suhu LM35 adalah komponen elektronika yang memiliki fungsi untuk mengubah besaran suhu menjadi besaran listrik dalam bentuk tegangan. LM35 memiliki keakuratan tinggi dan kemudahan perancangan jika dibandingkan dengan sensor suhu yang lain, LM35 juga mempunyai keluaran impedansi yang rendah dan linieritas yang tinggi sehingga dapat dengan mudah dihubungkan dengan rangkaian kendali khusus serta tidak memerlukan penyetelan lanjutan.

Meskipun tegangan sensor ini dapat mencapai 30 volt akan tetapi yang diberikan ke sensor adalah sebesar 5 volt, sehingga dapat digunakan dengan catu daya tunggal dengan ketentuan bahwa LM35 hanya membutuhkan arus sebesar 60 µA hal ini berarti LM35 mempunyai kemampuan menghasilkan panas (self-heating) dari sensor yang dapat menyebabkan kesalahan pembacaan yang rendah yaitu kurang dari 0,5 ºC pada suhu 25 ºC.

Karakteristik Sensor LM35 :

Memiliki sensitivitas suhu, dengan faktor skala linier antara tegangan dan suhu 10 mVolt/ºC, sehingga dapat dikalibrasi langsung dalam celcius.
Memiliki ketepatan atau akurasi kalibrasi yaitu 0,5ºC pada suhu 25 º.
Memiliki jangkauan maksimal operasi suhu antara -55 ºC sampai +150 ºC.
Bekerja pada tegangan 4 sampai 30 volt.
Memiliki arus rendah yaitu kurang dari 60 µA.
Memiliki pemanasan sendiri yang rendah (low-heating) yaitu kurang dari 0,1 ºC pada udara diam.
Memiliki impedansi keluaran yang rendah yaitu 0,1 W untuk beban 1 mA.
Memiliki ketidaklinieran hanya sekitar ± ¼ ºC.

Keistimewaan dari IC LM 35 :

Kalibrasi dalam satuan derajat celcius.
Lineritas +10 mV/ º C.
Arus yang mengalir kurang dari 60 μA
Dioperasikan pada catu daya 4 V – 30 V.
Range +2 º C – 150 º C.
Akurasi 0,5 º C pada suhu ruang.
Suhu lingkungan di deteksi menggunakan bagian IC yang peka terhadap suhu

Jika dilihat pada grafik, Ketika suhu semakin meningkat maka tegangan yang dihasilkan pun semakin besar, dimana setiap perubahan 1º C akan menghasilkan perubahan tegangan output sebesar 10mV.

b. Sensor Gas (MQ-2)

Sensor MQ2 adalah sensor gas yang sensitif terhadap berberpa zat yang berbahaya seperti gas LPG, propana, metana, karbon monoksida, alkohol, dan asap mulai dari 200 dan 10.000 ppm. MQ2 dikenal sebagai chemiresistor karena pendeteksinya bergantung pada perubahan resistansi penginderaan bahan saat terkena gas.

Konfigurasi Pin:

Spesifikasi :

Grafik respon MQ2 sensor:

c. Fixed Bias Transistor

Fixed bias pada transistor BJT adalah metode yang sangat sederhana di mana tegangan basis transistor ditetapkan oleh sumber tegangan eksternal melalui sebuah resistor basis (RB). Konfigurasi dasar rangkaian ini melibatkan tegangan suplai (VCC), resistor kolektor (RC), dan resistor basis yang terhubung ke sumber tegangan bias (VBB). Kelebihan dari metode ini adalah kesederhanaannya, namun kelemahannya adalah stabilitas yang rendah. Fixed bias sangat sensitif terhadap variasi parameter transistor seperti β (gain) dan perubahan suhu, sehingga titik kerja transistor dapat mudah bergeser.

Gambar Rangkaian Fixed Bias

Rumus Untuk Rangkaian Fixed Bias

d. Komparator Non-Inverting

Rangkaian komparator non inverting dengan tegangan input Vi berupa gelombang segitiga dan tegangan referensi Vref ¹ 0 Volt baik positif maupun negatif adalah seperti gambar 9

Gambar 9 Rangkaian komparator non inverting

Untuk menghitung berapa tegangan ambang VUT atau VLT maka lakukan pemisalan kondisi tegangan output VO sama dengan +Vsat atau –Vsat.

Misalkan tegangan output VO = +Vsat seperti gambar 101 maka dapat dihitung tegangan ambang atas VLT

Gambar 10 Rangkaian komparator non inverting saat VO = +Vsat

Misalkan tegangan output VO = -Vsat seperti gambar 102 maka dapat dihitung tegangan ambang bawah VUT

Gambar 11 Rangkaian komparator non inverting saat V0= -Vsat

Bentuk gelombang tegangan output VO dengan Vref - adalah seperti pada gambar 12 dan karakteristik I-O seperti pada gambar 13

Gambar 12 Bentuk gelombang tegangan output dengan Vref = bertegangan negatif

Gambar 13 Kurva karakteristik I-O dengan Vref = bertegangan negatif

Sehingga:

e. Voltage Follower / Voltage Buffer

Voltage Buffer

Rangkaian voltage buffer berfungsi untuk mengisolasi sinyal input dari beban, menggunakan tahap penguat dengan penguatan tegangan satu (unity gain), tanpa pembalikan fasa atau polaritas, dan bertindak sebagai rangkaian ideal dengan impedansi input sangat tinggi serta impedansi output sangat rendah. Dalam konfigurasi ini, tegangan keluar (vo) sama dengan tegangan masuk (vi), yaitu

Gambar diatas menunjukkan bahwa satu sinyal input dapat dibagi ke dua output yang terpisah. Keuntungan dari konfigurasi ini adalah beban pada salah satu output tidak memengaruhi output lainnya, karena masing-masing output telah dibuffer (diisolasi). Dengan kata lain, setiap output bekerja secara independen, sehingga tidak saling mengganggu meskipun terhubung ke beban yang berbeda.