## RANCANG BANGUN SISTEM KONTROL BOX UV SEBAGAI MEDIA STERILISASI MENGGUNAKAN SENSOR FOTODIODA

## DEVELOPMENT OF UV-BOX CONTROL SYTEM PROTOTYPE FOR STERILIZATION MEDIA USING PHOTODIODE SENSOR

## Laila Katriani*, Denny Darmawan dan Ahmad Awaluddin Noer
Jurusan Pendidikan Fisika, FMIPA, Universitas Negeri Yogyakarta
*email: laila_katriani@uny.ac.id
diterima 4 Desember 2014, disetujui 3 Maret 2015

## Abstrak
Penelitian  ini  bertujuan  untuk  merancang  bangun  sistem  kontrol boks  UV  sebagai  media  sterilisasi  menggunakan sensor  fotodioda.  Penelitian  dimulai  pada  bulan  Juni    s/d  November  2014.  Penelitian  dilakukan  di  Laboratorium Elektronika dan Instrumentasi Jurusan Pendidikan Fisika Universitas Negeri Yogyakarta. Rancang bangun sistem kontrol boks  UV  ini  terdiri  dari  dua  tahapan  yaitu,  perancangan  perangkat  keras  (hardware)  dan  perancangan  perangkat  lunak (software).  Perancangan  perangkat  keras  terdiri  dari  perancangan  catu  daya,  perancangan  sensor,  perancangan komparator,  dan  buzzer.  Berdasarkan  hasil  pengujian  yang  telah  dilakukan  diperoleh  tegangan  catu  daya  sebesar  4,86 volt,  tegangan  acuan  sebesar  3,76  volt,  tegangan  keluaran  komparator  ketika  low  sebesar  0,12  volt,  tegangan  keluaran komparator ketika high sebesar 3,0 volt.
Kata kunci: UV-Box, Media Sterilisasi, Fotodioda

## Abstract
This  research  aims  to  design  a UV  box  control  system  as  sterilization  media using  photodiode  sensor.  The  study began  in  June  until  November  2014.  The  study  was  conducted  at  the  Laboratory  of  Electronics  and  Instrumentation, Department  of  Physics  Education,  State  University  of  Yogyakarta.  The  design of  the  UV  box  control  system  consists  of two stages, namely, the design of the hardware and software design. Hardware design consists of a power supply design, sensor  design,    comparator  design,  and  a  buzzer.  Based  on  the  results  of  tests  that  have  been  done  shows  the  power supply voltage of 4.86 volts, the reference voltage of 3.76 volts, the comparator output voltage when low of 0.12 volts, the comparator output voltage when high of 3.0 volts.
Keywords: UV-Box, Sterilization Media, photodiode

## Pendahuluan
Perkembangan teknologi bidang instrumentasi  elektronika  terus  dikembangkan guna membantu
manusia dalam memvisualisasikan  besaran  analog  yang  ada menjadi besaran digital. Salah satu perkembangan ilmu  instrumentasi  elektronika  adalah  dengan memanfaatkan  sistem  kontrol  untuk  memberikan pengawasan kepada sebuah sistem [1].
Kemudahan  dari  sistem  kontrol  ini  banyak digunakan  pada  bidang  kesehatan,    laboratorium penelitian  dan  juga  untuk  industri,  terutama industri  makanan  yang  mengutamakan  higenitas mesin-mesin  produksi  dan  peralatan  cleaning. Saat ini untuk mencegah peralatan terkontaminasi bakteri  alat  tersebut  disimpan  di  boks  UV sehingga  terjaga  higenitasnya,  tetapi  jika  lampu
UV  off,  maka  tidak  dapat  diketahui  secara  cepat karena  boks  UV  kedap  cahya  atau  tidak transparan,  sedangkan  on-offnya  lampu  UV sangat mempengaruhi higenitas alat dan mengakibatkan  produk  akan  terkontaminasi bakteri. Ketika lampu UV mengalami keadaan off, maka bisa dipastikan mikroba akan cepat tumbuh pada  alat  yang  disterilkan,  hal  ini  sangat berbahaya. Oleh sebab itu pentingnya sebuah alat untuk  memastikan  lampu  UV  tetap  hidup.  Maka perlu  kiranya  dibuat  sistem  kontrol  lampu  UV ketika  mengalami  keadaan  off  dengan  cara memberikan  peringatan  dengan  membunyikan buzzer.  Sehingga  tindakan  terhadap  alat  yang disterilisasi cepat dilakukan. Berikut ini
ditunjukkan  diagram  blok  sistem  kontrol  boks UV.

## Gambar 1.  Diagram blok sistem kontrol boks UV
Salah  satu  penelitian  yang  memanfaatkan lampu  UV  adalah  penelitian  yang  dilakukan  oleh mahasiswa pasca sarjana Universitas Diponegoro,
saudari Arisanti (2004) yaitu, Efektifitas
Sterilisasi  Menggunakan  Sinar  Ultraviolet  (UV) Terhadap  Penurunan  Angka  Kuman  Udara  di Ruang  Operasi  IBS  RSUD  Tugurejo  Semarang. Dipasaran  sudah  ada  ditemukan  boks  sterilisasi, namun boks sterilisasi kedap cahaya yang banyak dibutuhkan  di  industri  tidak  dilengkapi  dengan sistem  pengontrolan  dan  harganya  relatif  mahal. [2]

## Cahaya Sebagai Gelombang Elektromagnetik
Gelombang elektromagnetik meliputi gelombang  radio,  sinar-x,  sinar  gamma  dan gelombang  mikro.  Cahaya  juga  merupakan gelombang  elektromagnetik  (EM)  yang  memiliki spektrum  warna  yang  berbeda  satu  sama  lain. Setiap warna dalam spektrum mempunyai energi, frekuensi  dan  panjang  gelombang  yang  berbeda. Hubungan spektrum optis dan energi dapat dilihat pada  Persamaan  1  dan  Gambar  3  Energi  photon (Ep)  setiap  warna  dalam  spektrum  cahaya nilainya adalah:
.................................................(1)
dengan  E  adalah  energi  photon  (eV),    h  adalah konstanta  Planck’s  (6,63  x  10 -34 J-s),  c  adalah kecepatan  cahaya    (2,998  x  10 8 m/s), λ adalah panjang  gelombang  (m)  dan  f    adalah  frekuensi (Hz).
Frekuensi foton bergantung pada energi yang dilepas  atau  diterima  saat  elektron  berpindah tingkat  energinya.  Spektrum  gelombang  optis diperlihatkan  pada  Gambar  3,  spektrum  warna cahaya  terdiri  dari  ultra  violet  dengan  panjang gelombang  200  sampai  400  nanometer  (nm), visible adalah spektrum warna cahaya yang dapat dilihat oleh mata dengan panjang gelombang 400 sampai  800  nm  yaitu  warna  violet,  hijau  dan merah, sedangkan spektrum warna infrared mulai
dari  800  sampai  1600  nm  adalah  warna  cahaya dengan frekuensi terpendek. [3]

## Gambar 2.  Spektrum gelombang EM

## Sensor Fotodioda
Sensor  Fotodioda  merupakan  komponen semikonduktor  sejenis  dioda  yang  berfungsi untuk mendeteksi cahaya. Komponen semikonduktor ini mampu merespon cahaya yang diterimanya  dalam  bentuk  perubahan  resistansi. Perubahan  resistansi  fotodioda  akan  sebanding dengan perubahan intensitas cahaya yang diterimanya.
Prinsip kerja dari fotodioda bertolak belakang  dengan  LED.  Tegangan  bias  mundur dan cahaya yang dipaparkan pada fotodioda akan mengakibatkan timbulnya pasangan elektron-hole di  kedua  sisi  sambungan.  Ketika  ada  cahaya, elektron  akan  pindah  ke  jalur  konduksi  sehingga menyebabkan  elektron  mengalir  ke  arah  positif sumber  tegangan  sedangkan  hole  mengalir  ke arah negatif sumber tegangan sehingga arus akan mengalir  di  dalam  rangkaian.  Besarnya  pasangan elektron-hole  yang  dihasilkan  tergantung  dari besarnya  intensitas  cahaya  yang  dikenakan  pada fotodioda.

## Gambar 3. Simbol fotodioda dan tegangan bias mundur [4]
Fotodioda  biasanya  mampu  mendeteksi cahaya  inframerah,  cahaya  tampak,  ultraviolet sampai dengan sinar-X.
Cahaya lampu
UV
Rangkaian sensor fotodioda Rangkaia n Kompar ator 2 400 800 Ultraviolet              Visible               Infrared Photon energy, eV 200 1600 4 1 Wavelength, nm V io le t G re e n R e d
Komparator Komparator adalah sebuah rangkaian penguat yang memiliki dua buah input. Tegangan output  yang  dihasilkannnya  sebanding  dengan selisih  antara  dua  tegangan  inputnya.  Gain komparator  kurang  lebih  adalah  200.000  [5]. Rangkaian komparator dapat dilihat pada Gambar 4.

## Gambar 4. Rangkaian komparator
Dalam  penelitian  ini,  komparator  digunakan untuk  membandingkan    tegangan  acuan  (V ref ) dengan  tegangan  lain  yang  dimasukkan  pada input  non  inverting  (V in ).  Sebagaimana  prinsip komparator  seperti  pada  Gambar  2.3  di  atas, apabila  tegangan  input  lebih  besar  daripada tegangan  acuan  (V ref ),  maka  output  yang dihasilkan  adalah  high  (logika  1).  Apabila  input (V in )  lebih  kecil  dari  tegangan  acuan  (V ref )  maka output  yang  dihasilkan  adalah  low  (logika  0). Contoh grafik tegangan input-output dapat dilihat pada Gambar 5.
Gambar 5. Contoh grafik tegangan input-output komparator [6]

## Metode Penelitian
Rancangan  Sistem  Kontrol  Boks  UV.  Untuk menerapkan  sistem  kontrol  lampu  UV  di  dalam boks  UV  sebagai  media  sterilisasi  dibuat  sebuah boks UV berdinding mika putih dengan ukuran 60 x  40  x  40  cm.  Didalamnya  ditempatkan  sensor Fotodioda,  lampu  UV  dan  diluar  ditempatkan sistem  rangkaian  terhubung  buzzer.  Untuk tampilan  rancang  bangun  sistem  pengontrol  boks UV dapat dilihat pada Gambar 6.

## Gambar 6. Rancangan boks UV
Rangkaian Sistem Sensor Fotodioda.
Pengontrolan  boks  UV  sebagai  media  sterilisasi menggunakan  rangkaian  pembagi  tegangan  dan komparator  dengan  fotodioda  sebagai  sensor, seperti pada Gambar 7.

## Gambar 7. Rangkaian skematik sensor fotodioda
.
Prinsip  kerja  alat.  Pada  alat  sistem  kontrol ini dibutuhkan sebuah komparator untuk mengontrol keadaan dari lampu UV pada kondisi off.  Ketika  lampu  UV  berada  dalam  keadaan  off, maka  sensor  fotodioda  tidak  mengindera  cahaya atau mendapatkan halangan, sehingga menyebabkan  keluaran  dari  komparator  adalah high dan ditandai dengan buzzer akan menyala.

## Hasil dan Pembahasan

## Desain
Dalam  penelitian  ini  telah  dibangun  sistem kontrol boks UV sebagai media sterilisasi dengan ukuran      60  x  40  x  40  cm  (Gambar  8).  Sistem kontrol  lampu  UV  memanfaatkan  prinsip  kerja dari  komparator  yaitu  membandingkan    tegangan acuan  (V ref )  dari  setting  potensiometer  dengan tegangan  keluaran  dari  sensor  fotodioda  yang dimasukkan pada input non inverting (V in ).
60 cm 40 cm 40 cm Sensor Fotodioda Lampu UV
0 5 10 15 20 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 V o ( V ) x (cm)

## Gambar 8. Boks UV
Sebagaimana  prinsip  kerja  komparator, apabila  tegangan  input  lebih  besar  daripada tegangan  acuan  (V ref ),  maka  output  yang dihasilkan  adalah  high  (logika  1)  buzzer  off. Apabila  input  (V in )  lebih  kecil  dari  tegangan acuan  (V ref )  maka  output  yang  dihasilkan  adalah low  (logika  0)  buzzer  on.  Berdasarkan  hasil pengujian yang telah dilakukan diperoleh tegangan  catu  daya  sebesar  4,86  volt,  tegangan acuan  sebesar  3,76  volt,  tegangan  keluaran komparator ketika low sebesar 0,12 volt, tegangan keluaran komparator ketika high sebesar 3,0 volt. Cara  kerja  alat  ditunjukkan  dalam  bentuk  skema pada Gambar 9.

## Gambar 9. Skema Cara Kerja Alat

## Karakteristik sensor fotodioda
Pengukuran  karakteristik  sensor  fotodioda menggunakan rangkaian pembagi tegangan dengan nilai R nya sebesar 15 kOhm. Pengukuran tegangan keluaran dari sensor fotodioda diperoleh dengan  memvariasikan  jarak  sampai  20  cm menggunakan  arduino  yang  sudah  diprogram untuk  mengukur  tegangan.  Dari  hasil  ini  nampak bahwa  sensor  fotodioda  yang  duganakan  bisa merespon cahaya lampu UV.
Program  Arduino  yang  digunakan  untuk mengukur keluaran tegangan sensor fotodioda void setup() Serial.begin(9600); } void loop() int sensorValue = analogRead(A0);
float v = sensorValue * (5.0 / 1023.0);//v output Serial.println(v); delay(1000);//sedetik sekali }

## Gambar 10. Karakteristik Sensor Fotodioda
Data  pengukuran  Vout  Sensor  Fotodioda dengan Arduino
Berikut ini adalah hasil pengukuran tegangan keluaran dari sensor fotodioda dengan memvariasikan  jarak  sampai  20  cm.  Sumber cahaya adalah lampu UV. Dari data di atas di plot linier  sehingga  menghasilkan  grafik  seperti  pada Gambar 11.

## Simpulan
Dari penelitian ini dapat dihasilkan boks UV sebagai  media  sterilisasi  dengan  menggunakan sensor fotodioda dan komparator sebagai pembanding antara tegangan acuan yang diperoleh  dari  settingan  potensiometer  dengan tegangan  keluaran  dari  sensor  fotodioda  yang dimasukkan pada input non inverting. Berdasarkan hasil pengujian yang telah dilakukan diperoleh  tegangan  catu  daya  sebesar  4,86  volt, tegangan  acuan  sebesar  3,76  volt,  tegangan keluaran komparator ketika low sebesar 0,12 volt, tegangan keluaran komparator ketika high sebesar 3,0 volt.
Set Value
Tabel 1. Karakteristik Sensor Fotodioda
Gambar 11. Karakteristik sensor fotodioda dengan plot linier origin

## Ucapan Terima Kasih
Penulis  mengucapkan  banyak  terima  kasih kepada Dekan FMIPA UNY yang telah memberikan  izin  penelitian  bagi  penulis.    Dosen- dosen  di  lingkungan  FMIPA  UNY,  atas  segala masukan  sehingga  penelitian  ini  berjalan  dengan
baik.  Semua  pihak yang  telah  membantu kelancaran penelitian ini.

## Pustaka
[1]. Simanjuntak,  Hendri  S.V.  (2001)  Dasar- dasar  Mikroprosesor,  Penerbit  Kanisius,
Yogyakarta.
[2]. Arisanti (2004) Efektifitas Sterilisasi Menggunakan Sinar Ultraviolet (UV) Terhadap  Penurunan  Angka  Kuman  Udara di Ruang  Operasi  IBS  RSUD  Tugurejo
Semarang, Laporan Penelitian
[3]. Jones,  E.R  dan  Chiulders,  R.L.  (1994) Contemporary  Collage  Physics,  Second Edition.  New  York:  Addison  Wesley Longman.
[4]. Malvino,  Albert  Paul  (2004)  Prinsip-prinsip Elektronika, Salemba Teknika, Jakarta.
[5]. Bishop, Owen, (2004) Dasar-dasar Elektronika, Penerbit Erlangga, Jakarta.
[6]. Hughes,  Frederick  W.  (1990)  Panduan  OP- AMP, Elex Media Komputindo, Jakarta