## Pemanfaatan Sensor Fotodioda Berbasis Penguat IC LM358 Sebagai Pendeteksi Jarak Api Pada Saat Kebakaran
Joni Welman Simatupang 1* , Ludfi Ahmad Prastyo 2 , Zano Junior 3 , Fernando 4
1,2,3,4 Program Studi Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Presiden Indonesia * Koresponden email : joniwsmtp@president.ac.id
Diterima: 16 Maret 2023 Disetujui: 1 Mei 2023

## Abstract
Aim of this study is to employ the photodiode sensor equipped by operational amplifier IC LM358 in order to  detect  a  fire  happens  caused  by  a  light  source.  In  the  first,  the  detector  (sensor)  will  receive  the  light emitted to certain wavelengths when the fire happens. The fire sensor is a sensor that has a function just as a flame detector where the fire has a wavelength between 760 nm  – 1100 nm. A physical parameter that was used as a reference to determine the distance from the fire is thermal radiation intensity which is emitted by the fire itself. This sensor uses infrared as a transducer in sensing flame conditions. Therefore, through this research we try to develop a new, an inexpensive, and a simple prototype, which is in the form of a flame distance sensing device-based on photodiode. An infrared filter will be integrated with the photodiode and thermal radiation intensity. This photodiode will be operated in photoconductive mode, where cathode is connected to a positive DC voltage source. Anode will connect with the output terminal and the resistor will function as a voltage divider. Experimental results showed that the photodiode sensor can detect the fire with a maximum distance of 110 cm and voltage of 0.1 V. If the distance is more far from the fire, then just a smaller light intensity and voltage will be detected. This fire detection photodiode sensor prototype has been worked as we expected, where the buzzer and the LED indicator are in a good work as well. Keywords: fire distance, photodiode, LED, operational amplifier, sensor

## Abstrak
Tujuan  dari  penelitian  ini  adalah  pemanfaatan  sensor  fotodioda  yang  dilengkapi  dengan  penguat operasional  IC  LM  358  untuk  mendeteksi  api  yang  berasal  dari  sebuah  sumber.  Pertama-tama,  detector (sensor)  akan  menerima  cahaya  yang  dipancarkan  oleh  api dengan  merespons panjang  gelombang  optik tertentu selama terjadi kebakaran. Sensor api merupakan sensor yang mempunyai fungsi sebagai pendeteksi nyala api, di mana api tersebut memiliki panjang gelombang antara 760 nm – 1100 nm. Besaran fisika yang dapat dijadikan acuan untuk menentukan jarak api adalah intensitas radiasi  panas yang dipancarkan oleh api.  Sensor  ini  menggunakan  inframerah  sebagai  transduser  dalam  mendeteksi  kondisi  nyala  api.  Oleh karena itu, melalui penelitian ini kami berusaha untuk mengembangkan prototipe yang baru, murah, dan sederhana,  berupa  perangkat  pengindraan  jarak  api  yang  terbuat  dari  sensor  fotodioda.  Sebuah  filter inframerah  akan  diintegrasikan  dengan  fotodioda,  dan  intensitas  radiasi  panas.  Fotodioda  ini  akan dioperasikan  dalam  mode  fotokonduktif,  di  mana  sumber  tegangan  positif  DC  terhubung  ke  katoda. Sedangkan anoda terhubung ke terminal keluaran dan resistor bertindak sebagai pembagi tegangan. Hasil pengujian  menunjukkan  bahwa  sistem  sensor  jarak  api  fotodioda  dapat  mendeteksi  api  dengan  jarak maksimal 110 cm dan tegangan 0.1 Volt. Semakin jah jarak api maka semakin kecil intensitas cahaya dan tegangan yang dihasilkan. Sistem sensor fotodioda pendeteksi api yang telah dibuat dapat bekerja sesuai dengan yang diharapkan, di mana buzzer dan indikator LED juga dapat berfungsi dengan baik. Kata Kunci: jarak api, fotodioda, LED, penguat operasional, sensor

## 1. Pendahuluan
Kesalahan-kesalahan  kecil  dapat  menjadi  sebuah  pemicu  bencana  kebakaran  yang  akan menyebabkan banyak korban jiwa dan kerugian materil yang besar. Kebakaran bisa terjadi akibat tidak ada antisipasi  karena  misalnya  kebakaran  yang  sering  terjadi  pada  rumah  karena  lupa  mematikan  kompor sehingga terjadi korsleting listrik yang memunculkan percikan api bahkan menyebabkan kebakaran. Hal tersebut membuktikan perlunya sensor  terkoneksi IoT untuk mendeteksi adanya  perubahan besaran fisik seperti  suhu  (temperatur),  misalnya  yang  ditimbulkan  oleh  api  sehingga  tidak  memperparah  dan menyebabkan  kebakaran  yang  pasti  akan  menimbulkan  banyak  kerugian  dan  korban  jiwa  [1-6].  Sensor yang dapat mendeteksi api salah satunya adalah sensor fotodioda. Fotodioda adalah jenis dioda yang pada saat  terkena  sinar  (cahaya)  akan  mengalami  perubahan  resistansi.  Intensitas  cahaya  yang  diterima
mempengaruhi resistansi dari fotodioda di mana resistansi dari fotodioda akan menjadi semakin kecil ketika ia menerima banyak cahaya [7].
Penelitian ini bertujuan untuk mendeteksi adanya api dengan menggunakan sensor fotodioda yang dilengkapi dengan penguat operasional IC LM358. Penggunaan sensor fotodioda dianggap memiliki respon yang  cepat  terhadap  perubahan  intensitas  cahaya  yang  diterima.  Pada  perancangan  sistem  sensor pengindraan  jarak  api  menggunakan korek  api  sebagai  sumber  cahaya  dan  fotodioda  sebagai  pendeteksi cahaya sehingga pada saat muncul api yang dapat menyebabkan kebakaran, lampu sensor api akan otomatis hidup dan alarm tanda bahaya akan berbunyi.

## 2. Kajian Pustaka

## Sensor Fotodioda
Sensor fotodioda adalah salah satu sensor cahaya jenis fotokonduktif dimana pada saat terkena sinar (cahaya) maka resistansinya akan berubah [7-9]. Sensor fotodioda dapat merespon stimulus berupa cahaya tampak maupun tidak tampak dan mengonversi intensitas cahaya yang terdeteksi menjadi arus [8].

## Potensiometer
Potensiometer  adalah  perangkat  elektronika  sejenis  variabel  resistor  yang  sering  dipakai  sebagai pembagi  tegangan  dimana  nilai  resistansinya  dapat  berubah-ubah.  Potensiometer  pada  sensor  jarak  api memiliki fungsi untuk memperoleh deteksi sensor pada api ketika memutar potensiometer. Potensiometer yang diputar searah jarum jam meningkatkan ambang deteksi [10].
Perhitungan terkait keluaran tegangan merupakan rumus untuk mencari keluaran tegangan (V output ) dari rangkaian pembagi tegangan [11-13]. Adapun rumus keluaran tegangan dinyatakan dengan persamaan sebagai berikut.
V out =  Vin × 𝑅2 𝑅1+𝑅2 ………………………………………………………………………… …................(1)
Persamaan rumus keluaran tersebut pada penelitian ini berguna untuk mendapatkan hasil keluaran tegangan saat dilakukan pengujian sensor jarak api fotodioda dengan perubahan variabel resistor.

## Intensitas radiasi
Hukum  kuadrat  terbalik (inverse-square  law) untuk  intensitas  cahaya  menyatakan  intensitas iluminasi    sebanding  dengan  kuadrat  terbalik  jarak  dari  sumber  cahaya.  Berdasarkan  hasil  penelitian hubungan antara intensitas cahaya dengan jarak pancaran sebagai hukum kebalikan kuadrat adalah dimana jika  jarak  pancaran  yang  digunakan  semakin  jauh  maka  intensitas  cahaya  yang  diperoleh  akan  semakin kecil,  begitu  juga  sebaliknya  jika  semakin  pendek  jarak  pancaran  yang  digunakan  maka  semakin  besar intensitas cahaya yang dihasilkan [14].

## 3. Metode Penelitian
Dalam  tahapan  riset  ini,  kami  akan  membuat  rangkaian  yang  berfungsi  sebagai  sistem  sensor pendeteksi api dilengkapi dengan bagian penguat  operasional (operational amplifier). Tahapan (diagram alir) penelitian yang dilakukan dari perancangan alat sampai terbentuk rangkaian sensor yang dapat bekerja dapat dilihat pada Gambar 1 .
Sensor jarak nyala api dibuat dengan menggunakan fotodioda. Tegangan/arus yang dihasilkan dari fotodioda diturunkan dari panjang gelombang tertentu sehingga nilai tegangan/arus yang dihasilkan lebih spesifik.  Tujuannya  agar noise yang  berasal  dari  cahaya  dengan  panjang  gelombang  lain  memiliki  efek yang kecil. Secara keseluruhan alat ini tersusun atas bagian-bagian penting yang saling berhubungan satu sama lain yaitu perangkat keras dan perangkat lunak (input = masukan, proses, dan output = keluaran) yang dapat dilihat pada Gambar 2 dan Gambar 3 .
Gambar 1 . Diagram alir penelitian Sumber: Peneliti, 2023
Gambar 2 .  Blok Diagram Sensor Jarak Api Fotodioda
Sumber: Peneliti, 2023
Perancangan Alat Rangkaian dapat bekerja Mulai Pembuatan Rangkaian Sensor Fotodioda Jarak Api Selesai Perbaikan Rangkaian Analisis Hasil Penelitian Lampu LED Operasional Amplifier Dioda Zener Transistor Buzzer Power Supply Sensor Deteksi Api
Sumber Cahaya Input Proses Output
Gambar 3. Diagram Skematik Rangkaian Sensor Jarak Api Fotodioda Sumber: Peneliti, 2023
Komponen-komponen sensor jarak api fotodioda secara lengkap dapat dilihat pada Tabel 1 dan Tabel 2 .
Tabel 1 . Komponen Rangkaian Power Supply Nama-nama  Komponen  Power Supply 5v Keterangan AC Input 220 V Input arus bolak balik Travo 5 A Pengubah besaran listrik Dioda 1N4007 (D1-D4) Penyearah arus listrik Kapasitor Milar (C1) 3300 uF Penyaring  dan penghubung Elco (C2)  100 nF Penyimpan arus listrik searah DC IC 7805 M Pengendali rangkaian elektronik DC Input 5 V Input arus searah Sumber: Peneliti, 2023 Tabel 2. Komponen Rangkaian Sensor Jarak Api Fotodioda Nama Komponen Flame Detector Keterangan Fotodioda 5 mm 5 V Pengubah cahaya menjadi arus listrik Op-Amp IC LM358 Penguat sinyal data yang didapat dari pemancar dan diterima oleh penerima Resistor (R1 1M Ω dan R2 1K Ω ) Penghambat aliran listrik Variabel Resistor 100 K Ω Pengubah nilai resistansi Dioda (D1) 5 V Penyearah arus listrik Transistor 5 V Penguat dan regulator tegangan Lampu LED (L1) 5 V Indikator keluaran berupa cahaya Buzzer 5 V Penghasil getaran suara berupa gelombang bunyi Sumber: Peneliti, 2023

## Implementasi dan Prinsip kerja
Sensor  jarak  api  fotodioda  sebagai  pendeteksi  api  dapat  dilihat  pada  blok  diagram Gambar  3 . Komponen  utamanya  adalah  sensor  deteksi  api  yaitu  fotodioda  5  mm  yang  dikombinasikan  dengan operational amplifier (op-amp) IC LM358.  Komponen sirkuit pendukung lainnya yaitu transistor tipe 9012 PNP dan variabel Resistor 100 K Ohm.
Penggunaan transistor 9012  PNP bertujuan sebagai penguat arus serta sebagai proteksi arus lebih pada op-amp. Di samping itu, variabel resistor 100 K Ohm digunakan sebagai pengatur input (intensitas cahaya yang diubah  menjadi  arus  listrik)  yang  akan diterima  op-amp  dari  fotodioda.  Jika  sensor  fotodioda  atau flame sensor mendeteksi adanya api maka buzzer akan berbunyi [15] dan lampu LED akan menyala sebagai indikator bahwa telah terjadi kebakaran.
Diagram alir dari sistem deteksi api berbasis fotodioda ini dapat dilihat pada Gambar 4 berikut:
Gambar 4 . Diagram Alir Sensor Jarak Api Fotodioda Sumber: Peneliti, 2023

## 4. Hasil Pengujian dan Pembahasan
Pengujian  sensor  jarak  api  fotodioda  bertujuan  untuk  mengetahui  kemampuan  sensor  dalam mendeteksi api menggunakan korek api sensor fotodioda seperti pada Gambar 5 .
Gambar 5 . Pengujian Sensor Jarak Api Fotodioda Sumber: Peneliti, 2023
Mulai Baca Sensor Api LED menyala Buzzer hidup Api Jarak Api terdeteksi Selesai Variabel Resistor turun dan naik
Lampu  indikator  dan buzzer akan  hidup  jika  sensor  dapat  bekerja  mendeteksi  api.  Pengujian  ini mengukur jarak api yang dapat terdeteksi oleh sensor jarak api fotodioda yang digambarkan pada Tabel 3 .
Tabel 3 . Hasil Pengujian Sensor Jarak Api Fotodioda Jarak api (cm) Indikator LED Buzzer 10 hidup hidup 20 hidup hidup 30 hidup hidup 40 hidup hidup 50 hidup hidup 60 hidup hidup 70 hidup hidup 80 hidup hidup 90 hidup hidup 100 hidup hidup 110 hidup hidup 120 mati mati
Dari hasil uji pada Tabel 3 menunjukkan jarak sensor mendeteksi api dari sensor jarak api fotodioda dengan  op-amp  IC  LM358  dengan  memberi  tegangan  input  5  VDC.  Hasil  pengujian  pada Tabel  3 menjelaskan bahwa sensor jarak api fotodioda dengan op-amp IC LM358 bekerja pada jarak maksimal 110 cm dengan indikator LED dan buzzer hidup.
Tabel 4 . Pengukuran intensitas cahaya dan tegangan Jarak api (cm) Intensitas (Lux) Tegangan (Volt) 10 65.0 4.2 20 55.8 3.9 30 53.0 3.5 40 29.2 3.0 50 28.9 2.5 60 28.3 2.0 70 27.1 1.5 80 26.0 1.0 90 25.6 0.5 100 25.2 0.3 110 24.1 0.1 120 23.6 0
Dari  hasil  uji  pada Tabel  4 di  atas  menunjukkan  bahwa  jarak  api  yang  diukur  dari  jarak  10  cm menghasilkan intensitas cahaya sebesar 65 lux dan pada jarak 120 cm dihasilkan intensitas cahaya sebesar 23.6 lux dan tegangan sebesar 0 volt. Hasil pengukuran tersebut sesuai dengan hasil penelitian Zelviani dan Albar  [12]  bahwa  hubungan  antara  intensitas  cahaya  dengan  jarak  pancaran  sebagai  hukum  kebalikan kuadrat  adalah  di  mana  jika  jarak  pancaran  yang  digunakan  semakin  jauh  maka  intensitas  cahaya  yang diperoleh  akan  semakin  keci.  Jadi,  hasil  pengukuran  jarak,  semakin  dekat  jarak  dengan  fotodioda  maka konversi cahaya menjadi tegangan listrik dari fotodioda akan besar, berbanding terbalik dengan pengukuran jarak  api  yang  jauh  maka  konversi  cahaya  menjadi  tegangan  listrik  dari  fotodioda  maka  tegangan  yang dihasilkan semakin kecil.
Gambar 6. Pengujian intensitas dan tegangan menggunakan luxmeter dan multimeter Sumber: Peneliti, 2023

## Pengujian Sensor Jarak Api Fotodioda dengan Merubah Variabel  Resistor
Pengujian dengan  perubahan  variabel  resistor  di  mana  tegangan  didapatkan  dari  pengujian  dan perhitungan  matematis  dengan  Vin 5  V  dan adanya  perubahan pada  hambatan  nilai  R1  dan  R2  variabel resistor ditunjukkan pada Tabel 4 . Rumus yang digunakan untuk mencari Vout mengacu pada persamaan (1).  Selanjutnya,  hasil  perhitungan  menunjukkan  hasil  Vout  yang  menjadi  acuan  apakah  sensor  dapat bekerja dengan baik untuk mendeteksi api.
Tabel 5. Pengujian Sensor Jarak Api Fotodioda dengan Perubahan Variabel Resistor
Perubahan  Variabel Resitor Resistor I (K  ) Resistor II (K  ) Vout Indikator LED Buzzer Deteksi Api Diputar ke kiri 0 100 5 V hidup hidup tidak Tengah 25 75 1.25 V hidup hidup dapat Diputar ke kanan 100 0 0 V mati mati tidak Sumber: Peneliti, 2023
Hasil  pengujian  pada Tabel  5 menunjukkan  perubahan  variabel  resistor  mempengaruhi  sensor deteksi api. Sensor deteksi api dapat mendeteksi api saat variabel resistor diatur antara nilai resistor 0  sampai 100  . Jika variabel resistor berada di posisi resistor I = 0 K  maka tegangan dari power supply tidak dapat masuk sehingga api tidak terdeteksi. Hasil perubahan resistor saat diputar ke kanan hingga nilai resistor II = 100 K  maka LED dan buzzer mati, dan api tidak dapat terdeteksi karena sensitivitas sensor maksimal. Oleh karena itu,  nilai resistansi dari R1 diperbesar dengan cara memutar bagian potensiometer, maka  otomatis  nilai  resistansi  dari  R2  akan  berkurang.  Hal  ini  juga  berpengaruh  pada  sensor  untuk mendeteksi api di mana saat nilai R1 dan nilai R2 adalah 0 dan mencapai nilai maksimum, sensor tidak dapat mendeteksi api.

## 5. Kesimpulan
Berdasarkan hasil perancangan dan pengujian sistem sensor jarak api fotodioda dapat disimpulkan bahwa sensor dapat mendeteksi api dengan jarak maksimal 110 cm dan tegangan keluaran 0.1 V; dengan proof of concept bahwa semakin jauh jarak api maka semakin kecil intensitas cahaya dan tegangan keluaran yang dihasilkan. Perancangan sistem sensor fotodioda pendeteksi api yang telah dibuat dapat bekerja sesuai dengan yang diharapkan, di mana buzzer dan indikator LED berfungsi dengan baik. Sistem sensor fotodioda yang dikombinasikan dengan penguat IC LM358 dapat mendeteksi adanya api dan mengirimkan notifikasi.

## 6. Ucapan Terima Kasih
Penulis mengucapkan banyak terima kasih kepada rekan-rekan Kelas Reguler Karyawan angkatan 2019, Program Studi Teknik Elektro Universitas Presiden yang telah bersedia berdiskusi dan memberikan wawasan serta keahlian mereka sehingga kami dalam menyelesaikan penelitian (riset) ini dengan baik.

## 7. Singkatan
8. Daftar Pustaka
[1] S. Saifullana dan J. W. Simatupang, “Sistem Pendeteksi Kebakaran Rumah Terintegrasi Smartphone dan Aplikasi Online,” JREC (Journal of Electrical and Electronics) UNISMA, Bekasi, Vol. 6, Issue 2, 2019, Hal. 91-98.
[2] J. M. S. Waworundeng, "Desain Sistem Deteksi Asap dan Api Berbasis Sensor, Mikrokontroker, dan IoT," Cogito Smart Journal , Vol. 6, No. 1, June 2020, Hal. 117-126.
[3] E.  Setyaningsih,  D.  Prastiyanto,  dan  Suryono,  "Penggunaan Sensor Photodioda  sebagai  Sistem Deteksi  Api  pada  Wahana  Terbang Vertical  Take-Off  Landing (VTOL)," Jurnal  Teknik  Elektro , Vol. 9, No. 2, Juli-Desember 2017, Hal. 53-59.
[4] S. Sujarwono et.al, "Design of a Home Fire Detection System Using Arduino and SMS Gateway," Knowledge MDPI , Vol.1, pp.61-74, Nov 2021.
[5] O.  I.  Khalaf,  G.  M.  Abdulsahib,  N.  A.  K.  Zghair,  "IOT  fire  detection  system  using  sensor  with Arduino," REVISTA AUS 26-1 , August 2019.
[6] V.  Vincent,  J.  V.  Harryanto,  A.  M.  Lubis,  and  J.  W.  Simatupang,  "Kotak  Kendali  Perangkat Elektronik  Nirkabel  untuk  Aplikasi  Smart  Home," InComTech:  Jurnal  Telekomunikasi  dan Komputer , Vol. 10, Issue 2, Agustus 2020, Hal. 67-76.
[7] Nugraha, A. R dan Rahmahdani, A. 2015.  Fabrication And Characterization Of Photodiode Flame Distance
Sensor. Instrumentasi . Vol. 39 No. 1.
https://jurnalinstrumentasi.bsn.go.id/index.php/ji/article/download/65/33.
[8] Yudhanto,  Y.  2019.  Pengantar  Teknologi  Internet  of  Things  (IoT).  Surakarta:  UNS  Press. https://www.google.co.id/books/edition/Pengantar_Teknologi_Internet_of_Things_I/lK33DwAA QBAJ?hl=id&gbpv=1&dq=Sensor+cahaya&pg=PA149&printsec=frontcover .
[9] J.  W.  Simatupang,  Vincent,  and  Shulhan  “ Reverse  Vending  Machine  Using  TCRT5000  and Inductive Proximity Sensors for Bottles and Cans Sorting,” in International Conference on Radar, Antenna, Microwave, Electronics, and Telecommunications (ICRAMET) , 6-7 December 2022, pp.
28-33, DOI: 10.1109/ICRAMET56917.2022.9991220.
[10] Rizal,  M.  2020.  Pengukuran  Teknik:  Dasar  dan  Aplikasi.  Aceh:  Syiah  Kuala  University Press.https://www.google.co.id/books/edition/Pengukuran_Teknik_Dasar_dan_Aplikasi/SbIDEA AAQBAJ?hl=id&gbpv=1&dq=potensiometer+adalah&pg=PA41&printsec=frontcover.
[11] Boylestad, R. L. 2016 . Introductory Circuit Analysis (13th ed.). Pearson Education Limited.
[12] Fuada, S. 2017. Perancangan Sistem Kontrol Pada Prototip Pengering Kerupuk Berbasis IC Digital Menggunakan Software Proteus 7.0. Setrum : Sistem Kendali-Tenaga-ElektronikaTelekomunikasi- Komputer,  6(1),  88–96.  https://doi.org/10.36055/setrum.v6i1.531Tooley,  M.  H.  2015. Electronic circuits: Fundamentals and applications (Fourth edition). Routledge.
[13] Yudhanto,  Y.  2019.  Pengantar  Teknologi  Internet  of  Things  (IoT).  Surakarta:  UNS  Press. https://www.google.co.id/books/edition/Pengantar_Teknologi_Internet_of_Things_I/lK33DwAA QBAJ?hl=id&gbpv=1&dq=Sensor+cahaya&pg=PA149&printsec=frontcover.
[14] Zelviani, S dan Albar, A, 2018. Hubungan Intensitas Cahaya dan Jarak Pancaran sebagai Hukum Kebalikan
Kuadrat, JFT. 5 (1), https://journal.uin-
alauddin.ac.id/index.php/jft/article/view/15927/9463.
[15] J. W. Simatupang and B. R. Prasetya, “Embedded Smart Glove using Ultrasonic and Flame Sensors for Helping Visually Impaired People,” in International Conference on Radar, Antenna, Microwave, Electronics,  and  Telecommunications  (ICRAMET) , 23-24  November  2021,  pp.  115-119, DOI: 10.1109/ICRAMET53537.2021.9650494.
IC LM358 DC Integrated Circuit LM358 Direct Current LED AC Light Emitting Diode Alternate Current