MODUL 4 RANGKAIAN SIMULASI DAN PRINSIP KERJA PRAKTIKUM ELEKTRONIKA

  [KEMBALI KE MENU SEBELUMNYA]

 

RANGKAIAN SIMULASI DAN PRINSIP KERJA

Rangkaian kontrol aquaponik otomatis ini dirancang untuk menjaga kondisi lingkungan tanaman seledri dan ikan lele tanpa pengawasan manual. Sistem mengandalkan dua sensor utama, yaitu sensor soil moisture digital untuk mendeteksi kondisi kelembaban tanah, dan sensor suhu LM35 untuk memonitor temperatur air kolam. Kedua sensor ini diolah melalui rangkaian op-amp dan transistor agar dapat mengendalikan LED, buzzer, dan pompa secara otomatis sesuai kondisi lingkungan.

Rangkaian kontrol kelembaban tanah berfungsi untuk memastikan media tanam seledri tetap berada dalam kondisi lembab. Sensor soil yang digunakan merupakan jenis digital, sehingga keluarannya sudah berupa sinyal HIGH atau LOW sesuai kondisi tanah. Namun, untuk memastikan sinyal tetap stabil dan tidak berubah akibat beban rangkaian, keluaran sensor ini dilewatkan melalui sebuah rangkaian voltage follower berbasis op-amp. Voltage follower berfungsi sebagai buffer agar sinyal digital tidak terpengaruh oleh rangkaian setelahnya. Output buffer kemudian digunakan untuk menentukan apakah pompa harus hidup atau mati. Jika sensor memberikan sinyal LOW (tanah kering), maka pompa air akan aktif untuk membasahi tanah. Sebaliknya, jika sinyal HIGH (tanah basah), pompa tetap mati sehingga penggunaan air lebih efisien.

Rangkaian kontrol suhu air kolam bertugas menjaga kestabilan temperatur agar tetap aman bagi pertumbuhan ikan lele. Sensor LM35 menghasilkan tegangan analog yang sebanding dengan suhu, yaitu 10 mV per derajat Celsius. Tegangan ini kemudian dibandingkan dengan tegangan referensi menggunakan dua rangkaian komparator op-amp untuk mendeteksi dua kondisi: suhu tinggi dan suhu rendah. Pada komparator non-inverting, apabila suhu air melebihi batas yang ditentukan, keluaran op-amp berubah menjadi HIGH dan mengaktifkan buzzer sebagai indikator suhu tinggi. Hal ini membantu memberikan peringatan dini agar kolam segera didinginkan.

Sementara itu, komparator inverting digunakan untuk mendeteksi kondisi suhu rendah. Ketika suhu air turun di bawah batas yang telah ditentukan, komparator menghasilkan output yang kemudian mengaktifkan LED putih sebagai indikator suhu rendah. Dengan indikator ini, pengguna dapat mengetahui bahwa suhu air sudah berada di bawah batas minimal dan membutuhkan tindakan pemanasan atau penyesuaian lingkungan.

Secara keseluruhan, rangkaian sistem aquaponik ini terdiri dari tiga bagian utama:

1. Kontrol Kelembaban Tanah (Sensor Soil Digital + Voltage Follower)
   Bagian ini mendeteksi kondisi tanah kering atau basah dan mengaktifkan pompa air secara otomatis tanpa komparator tambahan.

2. Deteksi Suhu Air Tinggi (Sensor LM35 + Komparator Non-Inverting)
   Ketika suhu tinggi, komparator mengaktifkan buzzer sebagai alarm.

3. Deteksi Suhu Air Rendah (Sensor LM35 + Komparator Inverting)
   Ketika suhu rendah, komparator menyalakan LED putih sebagai indikator.

 

1. Kontrol Kelembaban Tanah (Sensor Soil Digital + Voltage Follower)

Prinsip kerja:

Sensor soil moisture berfungsi untuk mendeteksi tingkat kelembapan tanah berdasarkan perubahan konduktivitas listrik pada media tanam. Sensor ini ditempatkan langsung pada tanah tempat tanaman seledri tumbuh. Ketika tanah dalam kondisi basah, konduktivitas meningkat sehingga sensor memberikan sinyal logika tinggi (sekitar +5 V). Sebaliknya, ketika tanah mengering, konduktivitas menurun dan sensor menghasilkan sinyal logika rendah (0 V).

Sinyal digital dari sensor kemudian dilewatkan melalui rangkaian voltage follower berbasis op-amp LM741. Voltage follower digunakan untuk menstabilkan keluaran sensor dan mencegah sensor terbebani oleh rangkaian selanjutnya. Pada rangkaian ini, output op-amp mengikuti besar tegangan input (Vin) tanpa perubahan, tetapi dengan impedansi output yang jauh lebih rendah, sehingga sinyal menjadi lebih kuat dan stabil.

Ketika tanah masih basah, sensor memberikan tegangan tinggi (HIGH). Tegangan ini diteruskan oleh voltage follower dan menjadi Vin > 0,6 V, sehingga transistor NPN pada rangkaian kontrol tetap aktif memutuskan aliran pompa, menyebabkan pompa berada pada kondisi mati karena tidak diperlukan penyiraman. Namun, saat tanah mulai mengering, keluaran sensor berubah menjadi rendah (0 V). Voltage follower akan mengeluarkan tegangan rendah pula, menyebabkan basis transistor berada di bawah tegangan ambang 0,6 V. Dengan demikian transistor menjadi off dan rangkaian driver akan mengaktifkan pompa air melalui relay untuk mulai melakukan penyiraman hingga tanah kembali lembab.

Melalui mekanisme ini, sistem mampu mempertahankan kelembapan tanah secara otomatis dan efisien. Tanah tidak akan terlalu kering maupun terlalu basah, dan energi listrik digunakan hanya ketika diperlukan. Rangkaian voltage follower memastikan pembacaan sensor tetap akurat meskipun terhubung dengan rangkaian kontrol lainnya.

2. Deteksi Suhu Air Tinggi (Sensor LM35 + Komparator Non-Inverting)

Prinsip kerja:

Rangkaian deteksi suhu air tinggi ini berfungsi untuk memberikan peringatan otomatis ketika suhu air dalam tangki melebihi batas aman. Sistem menggunakan sensor suhu LM35, yaitu sensor analog yang menghasilkan tegangan keluaran sebesar 10 mV per 1°C. Dengan karakteristik ini, pada suhu 30°C, sensor menghasilkan tegangan sekitar 0,30 V. Tegangan ini kemudian dibandingkan dengan tegangan referensi (Vref) pada rangkaian komparator non-inverting berbasis op-amp LM358.

Pada saat suhu air di bawah 30°C, tegangan keluaran LM35 (Vin) masih lebih rendah dibandingkan Vref. Kondisi Vin < Vref membuat output op-amp berada pada level rendah (0 V). Dengan output op-amp yang rendah, transistor driver tidak mendapat tegangan basis sehingga tetap OFF, dan buzzer sebagai indikator suhu tinggi juga berada dalam keadaan mati. Pada kondisi ini, sistem mengindikasikan bahwa suhu air masih aman.

Ketika suhu air meningkat hingga melewati 30°C, tegangan keluaran LM35 naik dan menjadi lebih besar dari tegangan referensi. Pada kondisi Vin > Vref, output op-amp berubah menjadi HIGH (+5 V atau +12 V). Tegangan ini diberikan ke basis transistor, sehingga transistor masuk keadaan aktif (ON). Ketika transistor aktif, arus dapat mengalir dari kolektor ke emitor dan buzzer mendapatkan suplai tegangan untuk menyala (aktif). Bunyi buzzer menandakan bahwa suhu air telah mencapai batas tinggi yang berpotensi membahayakan sistem aquaponik.

Melalui mekanisme ini, rangkaian mampu memberikan peringatan suhu tinggi secara otomatis, sehingga menjaga kondisi ekosistem aquaponik tetap aman, baik untuk tanaman seledri maupun ikan lele, tanpa perlu pemantauan langsung.

3. Deteksi Suhu Air Rendah (Sensor LM35 + Komparator Inverting)

Prinsip kerja:

Rangkaian deteksi suhu air rendah ini digunakan untuk memonitor kondisi suhu air pada sistem aquaponik. Tujuannya adalah memberikan indikasi ketika suhu air turun di bawah batas aman, yaitu 27°C, yang dapat berdampak buruk pada kesehatan ikan lele dan pertumbuhan tanaman seledri. Sistem ini bekerja menggunakan sensor suhu LM35 dan rangkaian komparator inverting berbasis op-amp LM358.

Sensor LM35 menghasilkan tegangan analog sebesar 10 mV/°C sehingga pada suhu 27°C, tegangan keluaran sensor adalah sekitar 0,27 V. Tegangan dari LM35 ini kemudian dimasukkan ke input inverting (–) pada op-amp. Sementara itu, tegangan referensi (Vref) pada input non-inverting (+) dihasilkan dari potensiometer yang diatur pada nilai sekitar 0,27 V sebagai batas perbandingan suhu.

Pada kondisi suhu air di bawah 27°C, tegangan keluaran LM35 (Vin) akan lebih kecil dari tegangan referensi (Vin < Vref). Karena rangkaian menggunakan konfigurasi inverting comparator, kondisi Vin < Vref membuat output op-amp berada pada keadaan tinggi (HIGH). Ketika output op-amp menjadi tinggi, tegangan ini diteruskan ke basis transistor NPN sehingga transistor aktif (ON). Dengan aktifnya transistor, arus dapat mengalir menuju LED white sehingga LED akan menyala, menandakan bahwa suhu air berada pada kondisi rendah dan berpotensi mengganggu kestabilan sistem aquaponik.

Sebaliknya, ketika suhu naik melewati 27°C, tegangan keluaran LM35 menjadi lebih besar dari tegangan referensi (Vin > Vref). Pada kondisi ini, output op-amp turun menjadi rendah (LOW) sehingga transistor menjadi non-aktif (OFF). Akibatnya LED white menjadi mati, menandakan bahwa suhu air berada pada kondisi normal atau aman.

Dengan mekanisme ini, rangkaian mampu mendeteksi suhu rendah secara otomatis dan memberikan peringatan visual melalui LED white. Sistem ini membantu menjaga ekosistem aquaponik tetap stabil dengan memastikan suhu air tidak turun di bawah batas aman.