MODUL 4

Dispenser Otomatis




1. Pendahuluan[Kembali]

    Teknologi otomatisasi kini memegang peranan besar dalam meningkatkan kenyamanan serta efisiensi aktivitas harian. Salah satu contoh penerapannya adalah pada dispenser air otomatis. Pada dispenser manual, pengguna harus menyentuh tuas sehingga kurang higienis, dan tidak ada pemberitahuan ketika air di galon hampir habis, sehingga sering membuat pengguna kehabisan air tanpa disadari.

Untuk mengatasi masalah tersebut, dibuatlah sebuah sistem dispenser otomatis yang memanfaatkan dua jenis sensor, yaitu sensor infrared digital dan sensor water level berbasis analog. Sensor infrared berfungsi mendeteksi keberadaan gelas di area keluaran air. Saat gelas terdeteksi, sensor memberikan sinyal logika tinggi yang langsung mengaktifkan pompa atau solenoid sehingga air mengalir tanpa perlu sentuhan. Respons sensor infrared ini cepat dan cukup stabil dalam menangkap objek.

Di sisi lain, sensor water level bekerja dengan rangkaian analog untuk memantau tinggi permukaan air dalam galon. Sensor menghasilkan tegangan analog yang mewakili ketinggian air. Tegangan ini diproses oleh komparator seperti LM393 atau op-amp TL082 untuk menentukan apakah level air sudah berada di bawah ambang batas tertentu. Ketika air menipis, keluaran komparator otomatis menyalakan LED dan buzzer sebagai tanda bahwa galon perlu segera diganti atau diisi ulang.

Output digital dari sensor infrared langsung digunakan untuk mengendalikan transistor atau driver yang menyalakan pompa air. Sementara itu, hasil pengukuran sensor level air yang bersifat analog diproses oleh komparator untuk memicu alarm visual dan audio. Gabungan kedua sensor ini menghasilkan sistem yang mudah digunakan, tetap ekonomis, dan tidak memerlukan mikrokontroler.

Pendekatan dua sensor dengan karakter sinyal berbeda — digital untuk mendeteksi gelas dan analog untuk memantau volume air — membuat sistem bekerja lebih efisien dan responsif. Penggunaan komparator LM393 dan TL082 pun menyederhanakan pengolahan sinyal analog, sekaligus meningkatkan akurasi serta kestabilan sistem.

Dengan rancangan ini, dispenser otomatis menjadi lebih higienis, mudah digunakan, dan memberikan informasi kondisi air secara real-time. Pengguna dapat mengambil air tanpa menyentuh alat dan mendapatkan peringatan ketika air hampir habis. Selain itu, sistem ini juga dapat menjadi sarana pembelajaran mengenai integrasi sensor analog dan digital dalam otomasi sederhana.

2. Tujuan[Kembali]

1. Merancang sebuah sistem dispenser otomatis yang mampu mengeluarkan air secara otomatis dengan mendeteksi keberadaan gelas melalui sensor infrared digital.

2. Membangun rangkaian pengendali yang menggunakan komparator LM393 atau op-amp TL082, ditambah transistor dan relay, untuk mengoperasikan pompa air serta mengaktifkan indikator LED dan buzzer sebagai penanda saat level air berada di batas rendah, semuanya bekerja secara otomatis berdasarkan sinyal sensor.

3. Menghasilkan perangkat dispenser otomatis yang lebih higienis, praktis, dan informatif, sehingga dapat meningkatkan kenyamanan pengguna, mengurangi pemborosan air, serta melindungi komponen perangkat dari kerusakan ketika galon kehabisan air.

3. Alat dan Bahan [Kembali]

A. Alat
    1. Solder 

    2. Adaptor 12V

    3. Tang

    4. Obeng

    5. Tespen

    6. Tenol

    7. Mini Drill 12V



B. Bahan

1. Sensor Infrared (IR)
2. Water Sensor
3. LED
4. Kabel Jumper (Male to Male dan Female to Male)
5. Konverter DC to DC
6. Transistor D882


7. Operational Amplifier TL082


8. Relay 5V


9. Galon 19L

10. Resistor


11. Comparator LM393

12. PCB Prototype


13. Terminal PCB

14. Baut & Mur

15. Selang Putih


16. Konektor


17. Buzzer


18. Kabel Jumper


19. Potensiometer


20. Pompa 12V


21. Kardus


22. Lakban Hitam


23. Double Tape


4. Dasar Teori [Kembali]

A. Sensor IR Digital dengan Konfigurasi Operational Amplifier (Voltage Follower)

 

1. Prinsip Kerja Sensor IR (Infrared)
    Sensor infrared (IR) pada dispenser otomatis bekerja dengan mendeteksi keberadaan gelas melalui cahaya inframerah yang dipantulkan, kemudian memperkuat sinyal keluarannya menggunakan rangkaian penyangga (voltage buffer). Umumnya, sensor ini menggunakan modul pemancar–penerima tipe reflektif yang terdiri dari dua komponen utama:

  • Pemancar (IR LED) yang mengirimkan cahaya inframerah ke area tempat gelas ditempatkan.

  • Penerima (fotodioda atau fototransistor) yang menangkap kembali cahaya inframerah yang dipantulkan oleh permukaan gelas.

Ketika belum ada gelas, hampir tidak ada cahaya yang kembali ke penerima. Akibatnya, arus pada fotodioda atau fototransistor sangat kecil dan tegangan output berada pada keadaan dasar (misalnya logika LOW), menandakan pompa tidak boleh bekerja.

Namun saat gelas diletakkan di depan sensor, cahaya inframerah dipantulkan ke arah penerima sehingga arusnya meningkat. Perubahan ini membuat tegangan output beralih ke kondisi lain (misalnya HIGH) sebagai tanda bahwa gelas berhasil terdeteksi.

Output dari sensor IR ini biasanya diteruskan ke voltage buffer, seperti op-amp yang dikonfigurasi sebagai follower atau transistor penguat. Peran buffer adalah:

  • menjaga kestabilan tegangan sinyal sensor,

  • mencegah rangkaian selanjutnya menarik arus langsung dari sensor,

  • memastikan sinyal tetap bersih dan tidak mudah terganggu noise.

Setelah sinyal diperkuat dan distabilkan, tegangan tersebut dikirimkan ke rangkaian pengendali (seperti driver relay atau mikrokontroler). Jika sinyal HIGH terdeteksi, kontrol akan menyalakan pompa atau solenoid valve sehingga air otomatis mengalir ke dalam gelas.

Singkatnya :

  • Tidak ada gelas → pantulan IR minim → output LOW → pompa tidak aktif.

  • Ada gelas → pantulan IR besar → output HIGH → diperkuat buffer → pompa aktif, air mengalir otomatis menuju gelas.

2. Fungsi Operational Amplifier sebagai Buffer / Voltage Follower

    Pada rangkaian dispenser otomatis berbasis sensor infrared (IR), sinyal keluaran dari sensor umumnya memiliki arus yang sangat kecil dan mudah turun tegangannya ketika harus menggerakkan rangkaian lanjutan seperti driver relay, transistor, atau input mikrokontroler. Untuk mencegah penurunan performa sinyal tersebut, digunakanlah operational amplifier (Op-Amp) dalam konfigurasi voltage follower atau buffer amplifier.

Dalam konfigurasi follower, output Op-Amp dihubungkan kembali ke input inverting (–), sementara sinyal dari sensor IR masuk ke input non-inverting (+). Dengan pengaturan ini, Op-Amp mempertahankan tegangan keluaran agar sama dengan tegangan masukan, tetapi menyediakan kemampuan arus yang jauh lebih besar sehingga sinyal menjadi lebih kuat.

Pada prototype dengan suplai 12 V, Op-Amp bekerja dalam rentang tegangan tersebut dan mampu memberikan sinyal output yang stabil, sesuai dengan kebutuhan level logika pada rangkaian kontrol berikutnya.

Peran utama Op-Amp sebagai buffer dalam sistem dispenser ini meliputi:

1. Menstabilkan tegangan keluaran sensor

Dengan adanya buffer, sinyal dari sensor IR tidak langsung menarik beban rangkaian kontrol. Hal ini menjaga tegangan deteksi tetap konsisten, baik dalam kondisi HIGH maupun LOW.

2. Memperbesar kemampuan arus

Sensor IR hanya menghasilkan arus kecil. Buffer memungkinkan sinyal tersebut memiliki “tenaga” yang cukup untuk menggerakkan tahap selanjutnya, termasuk transistor driver, relay, atau solenoid.

3. Menghindari gangguan balik dari beban

Tanpa buffer, beban seperti kumparan relay dapat memunculkan noise yang dapat kembali masuk ke sensor dan mengacaukan pembacaan. Fungsi isolasi impedansi pada Op-Amp mencegah hal ini.

4. Memperhalus sinyal IR yang berubah-ubah

Karena cahaya pantulan dapat bervariasi, output sensor kadang tidak stabil. Konfigurasi follower membantu menghasilkan sinyal yang lebih bersih dan tidak mudah drop, sehingga mendeteksi keberadaan gelas menjadi lebih konsisten.

Secara keseluruhan, penggunaan Op-Amp sebagai voltage follower memastikan sinyal “gelas terdeteksi” (HIGH) tetap kuat, stabil, dan aman untuk mengaktifkan driver pompa atau solenoid yang bekerja pada tegangan 12 V.

B. Water Sensor Analog dengan Konfigurasi Operational Amplifier Non-Inverting


1. Prinsip Kerja Water Sensor

    Sensor water analog bekerja berdasarkan perubahan resistansi ketika air menyentuh probe logam yang terdapat pada sensor. Semakin tinggi permukaan air, semakin banyak bagian probe yang terendam, sehingga resistansinya menurun dan menghasilkan tegangan output analog yang lebih besar.

Pada sistem dispenser galon:

  • Ketika air masih tinggi, banyak probe yang terendam → resistansi kecil → tegangan keluaran sensor tinggi (HIGH analog).
  • Ketika air menipis, hanya sedikit probe yang terendam → resistansi besar → tegangan keluaran sensor turun (LOW analog).

    Nilai tegangan inilah yang menjadi indikator seberapa banyak air galon yang tersisa. Output analog sensor kemudian masuk ke rangkaian komparator (LM393) untuk diproses menjadi sinyal digital HIGH/LOW.

2. Fungsi LM393 sebagai Detektor Non-Inverting

    LM393 berfungsi sebagai komparator yang membandingkan tegangan dari sensor water level dengan tegangan referensi yang disetel melalui potensiometer.

Pada konfigurasi non-inverting, pengkabelannya adalah:

  • Input non-inverting (+) menerima tegangan dari sensor water level.

  • Input inverting (–) mendapatkan tegangan referensi dari potensiometer.

Hasil perbandingan kedua tegangan tersebut membuat output LM393 berada pada kondisi HIGH atau LOW.

Cara kerja komparator:

  • Jika tegangan sensor lebih tinggi daripada tegangan referensi (menandakan air masih cukup):
    → Output LM393 berada pada kondisi LOW, sehingga LED dan buzzer tidak aktif.

  • Jika tegangan sensor turun di bawah tegangan referensi (air mulai habis):
    → Output LM393 berubah menjadi HIGH
    → Sistem memberikan peringatan bahwa level air sudah rendah.

Keunggulan penggunaan LM393 dalam rangkaian ini:

  • Mengubah sinyal analog dari sensor menjadi sinyal digital (0/1), sehingga lebih mudah untuk mengaktifkan buzzer, LED, atau driver pompa.

  • Potensiometer memungkinkan penyetelan batas deteksi air (threshold) secara fleksibel.

  • Output open-collector pada LM393 membuatnya aman terhubung ke rangkaian 5V dari DC-DC converter tanpa risiko kerusakan.

Dalam konfigurasi sistem:

  • Adaptor 12V digunakan untuk mensuplai pompa.

  • Tegangan diturunkan menjadi 5V untuk LM393, buzzer, LED, serta sensor water level

3. Alur Kerja pada Sistem Dispenser Otomatis
  1. Air masih banyak → probe sensor terendam → tegangan sensor tinggi.
  2. Tegangan sensor masuk ke LM393 (non-inverting) → dibandingkan dengan tegangan referensi potensiometer.
  3. Jika tegangan sensor lebih tinggi dari threshold → output LM393 LOW → buzzer mati, LED merah mati.
  4. Air mulai habis → probe makin tidak terendam → tegangan sensor turun.
  5. Ketika tegangan sensor turun melewati nilai referensi → LM393 output HIGH.
  6. Output HIGH → mengaktifkan buzzer + LED merah → menandakan air galon sudah pada ambang batas bawah.
  7. Jika digunakan pompa 12V, sistem dapat dihentikan otomatis (opsional) agar pompa tidak bekerja tanpa air.

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 

         

    Relay adalah saklar listrik yang dikendalikan secara elektronik. Di dalam relay terdapat kumparan elektromagnet yang akan menarik atau melepas kontak mekanik ketika dialiri arus listrik. Kontak inilah yang digunakan untuk menghubungkan atau memutus arus tegangan tinggi/muatan besar (misalnya pompa 12V), sementara rangkaian kontrol hanya menggunakan arus kecil (misalnya sinyal dari Op-Amp atau LM393). Relay berfungsi sebagai penghubung antara rangkaian logika (5V) dengan beban yang lebih besar (pompa 12V).

    Relay pada dispenser (umumnya relay 5V atau 12V) memiliki beberapa bagian penting:

a. Coil / Kumparan

  • Bagian yang menghasilkan gaya magnet ketika diberi arus.
  • Ketika coil aktif, kontak mekanik di dalam relay berpindah posisi.

b. Kontak Mekanik

Terdiri dari:

  • COM (Common) → titik pusat penghubung.
  • NO (Normally Open) → posisi awal terbuka, baru terhubung ketika coil aktif.
  • NC (Normally Closed) → posisi awal tertutup, akan terbuka ketika coil aktif.

Untuk dispenser otomatis, biasanya menggunakan jalur COM–NO untuk menyalakan pompa ketika sensor mendeteksi gelas.

c. Armature

  • Logam bergerak yang tertarik oleh magnet ketika coil dialiri arus.
  • Fungsinya memindahkan kontak dari NO ke COM.

d. Spring (Pegas)

  • Mengembalikan armature ke posisi awal saat coil tidak aktif.

e. Flyback Diode (pada modul relay)

  • Melindungi rangkaian kontrol dari lonjakan tegangan induksi ketika coil dimatikan.

f. Driver Transistor (pada modul relay)

  • Memperkuat arus, karena sinyal dari sensor/Op-Amp tidak cukup untuk menggerakkan coil langsung.

    Pada dispenser otomatis, relay dipakai untuk mengaktifkan pompa air 12V ketika sensor IR mendeteksi gelas. Berikut alur lengkapnya:

Ketika Gelas Terdeteksi (Sensor IR → HIGH)

  1. Sensor IR memantulkan cahaya → output HIGH.
  2. Sinyal HIGH masuk ke Op-Amp buffer → sinyal stabil dan kuat.
  3. Output buffer → masuk ke transistor driver / modul relay.
  4. Transistor mengalirkan arus ke coil relay → coil aktif.
  5. Medan magnet menarik armature → kontak NO dan COM terhubung.
  6. Tegangan 12V mengalir ke pompa.
  7. Pompa menyala → air keluar otomatis ke gelas.

 Ketika Gelas Tidak Ada (IR → LOW)

  1. Sensor IR LOW → buffer LOW.
  2. Transistor driver mati → coil relay tidak aktif.
  3. Armature kembali ke posisi awal oleh pegas.
  4. Kontak NO kembali terbuka.
  5. Aliran 12V ke pompa terputus.
  6. Pompa mati → air berhenti mengalir.




Comments

Post a Comment

Popular posts from this blog

Image
Bahan Presentasi Untuk Mata Kuliah Elektronika 2025 Disusun Oleh: Muhammad Naufal Devendra NIM : 2410952055 Dosen Pengampu : Dr. Darwison, M.T. Rizki Wahyu Pratama, S.T, M.T. Referensi : a. Darwison, 2010, ”TEORI, SIMULASI DAN APLIKASI ELEKTRONIKA ”, Jilid 1, ISBN: 978-602-9081-10-7, CV Ferila, Padang b. Darwison, 2010, ”TEORI, SIMULASI DAN APLIKASI ELEKTRONIKA ”,Jilid 2,  ISBN: 978-602-9081-10-8, CV Ferila, Padang c. Robert L. Boylestad and Louis Nashelsky, Electronic Devices and Circuit Theory, Pearson, 2013 d. Jimmie J. Cathey, Theory and Problems of Electronic Device and Circuit, McGraw Hill, 2002. e. Keith Brindley, Starting Electronics, Newness 3rd Edition, 2005 f. Ian R. Sinclair and John Dunton, Practical Electronics Handbook, Newness, 2007. g. John M. Hughes, Practical Electronics: Components and Techniques, O’Reilly Media, 2016.      
Read more