Digital 20353137 S45675 Rancang Bangun

8/21/2019 Digital 20353137 S45675 Rancang Bangun

1/110

UNIVERSITAS INDONESIA

RANCANG BANGUN SISTEM PENGUKUR EFISIENSI SEL

PELTIER BERBASIS MIKROKONTROLER

SKRIPSI

SHEPTA DH

1006806702

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

PROGRAM STUDI FISIKA EKSTENSI

DEPOK

DESEMBER 2012


2/110

UNIVERSITAS INDONESIA

RANCANG BANGUN SISTEM PENGUKUR EFISIENSI SEL

PELTIER BERBASIS MIKROKONTROLER

SKRIPSI

Diajukan sebagai salah satu syarat meraih gelar sarjana sains

SHEPTA DH

1006806702

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

PROGRAM STUDI FISIKA EKSTENSI

DEPOK

DESEMBER 2012


3/110

HALAMAN PERNYATAAN ORISINALITAS

Skripsi ini adalah hasil karya sendiri,

dan semua sumber baik yang dikutip maupun diruju

telah saya nyatakan dengan bener.

Nama : Shepta Dh

NPM : 1006806702

Tanda Tangan :

Tanggal : Desember 2012


4/110

HALAMAN PENGESAHAN

Skripsi ini diajukan oleh :

Nama : Shepta DhNPM : 1006806702

Program Studi : Fisika Instrumentasi

Judul Skripsi : Rancang Bangun Sistem Pengukur Efisiensi Sel

Peltier Berbasis Mikrokontroler

Telah berhasil dipertahankan di hadapan Dewan Penguji dan diterima

sebagai bagian persyaratan yang diperlukan untuk memperoleh gelar untuk

memeperoleh gelar Sarjana Sains pada Program Studi Fisika

Instrumentasi Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam,

Universitas Indonesia.

DEWAN PENGUJI

Pembimbing I : Dr.Prawito ( )

Pembimbing II : Drs. Arief Sudarmaji, M.T ( )

Penguji I : Dr. Cuk Imawan ( )

Penguji II : Prof. Dr. BEF da Silva, M.Sc ( )

Ditetapkan di : Ruang Seminar, Gedung Fisika, FMIPA UI, Depok.

Tanggal : Desember 2012


5/110

KATA PENGANTAR

Alhamdulillahirobbilalamin, segala puji dan syukur penulis panjatkan

kepada Allah SWT atas segala rahmat, berkah dan karunia-NYA. Dan Tak lupa

juga penulis panjatkan salam dan shalawat bagi junjungan kita nabi besar

Muhammad SAW beserta segenap kelurga dan para sahabatnya. Serta Doa restu

dan dorongan dari berbagai pihak dan akhirnya penulis dapat menyelesaikan

skripsi ini yang berjudul Rancang bangun Sistem Pengukur Efisiensi Sel Peltier

Berbasis Mikrokontroler.

Penulisan skripsi ini untuk memenuhi salah satu syarat memperoleh gelar

Sarjana Sains, Departemen Fisika, Program studi Fisika Instrumentasi padaFakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Indonesia.

Dalam menyelesaikan tugas akhir ini, berbagai pihak telah memberikan

bantuan, bimbingan, doa yang tulus dan masukan baik secara langsug maupun

tidak langsung. Untuk itu, pada kesempatan ini penulis mengucapkan banyak

terima kasih yang sebesar-besarny kepada:

1. Dr. Prawito dan Drs. Arief Sudarmaji, MT selaku pembimbing yang telah

memberikan kemudahan dalam berpikir, petunjuk, nasehat-nasehat dalam

perancangan hardware dan software serta menyediakan waktu untuk

menyelesaikan tugas akhir ini.

2. Dr. Sastra Kusuma Wijaya selaku Ketua Program Peminatan Instrumentasi

Elektronika.

3. Dosen Penguji dan Dosen yang telah mengajar selama perkuliahan

berlangsung.

4. Kepada kedua orang tua tercinta yang selalu memberikan Doa dari

seberang pulau agar proses penyusunan skrispi ini berjalan lancar dan

selalu memberikan dukungan mental dan materi dari awal kuliah sampai

skripsi selesai.

5. Kepada saudara-saudara saya ayuk sinta, ayuk silfia, adek sindika dan

adek sintia, bang evan dan adex rafa yang selalu memberikan doa,

dukungan dan selalu mensupport saya hingga selesai.


6/110

6. Kepada Pak Parno yang telah membantu dalam menyelesaikan mekanik

alat, Pak Budi (kumis) yang selalu sabar di lab.interface dan elektronika,

serta pegawai sekret Ibu Eri, Mbak Ratna, Pak Mardi, Pak Budi, Mas

Rizky dan seluruh civitas akademik FMIPA Universitas Indonesia.

7. Kepada semua senior-senior saya yang telah memberikan saran dan

support dalam menyelesaikan skripsi saya.

8. Temen-temen seperjuangan S1 Ekstensi Fisika Instrumentasi 2010, dan

teman-teman lasmiar yang telah memberikan supportnya dan doanya.

Penulis menyadari masih banyak kekurangan dalam menyelesaikan

laporan tugas akhir ini, maka ada pribahasa Tak ada gading yang tak retak.

Oleh karena itu,ada baiknya pembaca memberikan kritik dan saran yang sangat

membantu dalam menulis karya ilmiah selanjutnya.

Besar harapan penulis, semoga penulisan ilmiah ini memberikan

kontribusi positif dan bermanfaat untuk senantiasa berguna bagi masyarakat

umum agar terus memperoleh wawasan dan ilmu pengetahuan dalam bidang

teknologi dan memajukan teknologi yang ada serta bisa dimanfaatkan kembali.

Depok, 19 November 2012

Penulis


7/110

Rancang bangun..., Shepta Dh, FMIPA UI, 2012


8/110

ABSTRAK

Nama : Shepta Dh

Program Studi : Fisika Instrumentasi

Judul : Rancang Bangun Sistem Pengukur Efisiensi Sel Peltier

Berbasis Mikrokontroler

Sistem pengukur efisiensi selPeltierberbasis mikrokontroler telah selesai

dibuat. Sistem ini menggunakan prinsip kerja dari efekSeebeckdan efekPeltier.

Dalam hal ini diterapkan teknologi termoelektrik dengan menggunakan bahan

semikonduktor yaitu SelPeltier. SelPeltierakan bekerja ketika terjadi perbedaan

temperatur di antara ujung sel dan menghasilkan arus listrik. Sistem ini

menggunakan Heater 120 watt yang berfungsi sebagai sistem pemanas pada

sistem, daya pada heater diatur dengan menggunakan PWM. Sistem ini juga

menggunakan sistem pendingin yang dijaga konstan. Adanya perbedaan suhu

pada sistem akan dibaca oleh sensor temperatur DS1820. Seluruh sistem

dihubungkan pada komputer oleh mikrokontroler memalui kabel serial RS232.

Semua hasil pengukuran ditampilkan pada LCD textdan monitoring komputer

dengan menggunakan software LabVIEW. Berdasarkan hasil penelitian bahwa

nilai efisiensi yang terukur merupakan hasil perbandingan antara daya outputsel

Peltierdan daya input heater.

Kata kunci: Efisiensi, Sel Peltier, Heater, ACS712, DS1820, Efek Seebeck, Efek

Peltier,


9/110

ABSTRACT

Name : Shepta Dh

Study Program : Physics Instrumentation

Title : Design of Microcontroller-based Peltier Cell Efficiency

Measurement System

The Efficiency Measurement System of Peltier Cell Based on

Microcontroller has been designed. The system uses Seebeck effect and Peltier

effect principles that is implemented by semiconductor-based thermoelectric

technology. Peltier cell will work, that is generating electrical current, when the

end plates of Peltier cell have a temperature difference. This sistem uses

controllable 120W electrical heater that can be set by PWM method. Moreover,

this sistem has also uses a cooling system to keep in a fixed temperature. Thetemperature difference will be read the DS1820 temperature sensor. The entire

system is connected to a computer using RS232 communication cable. All

measurement results acquaired by the system will be displayed on LCD text and

monitoring computer using LabVIEW program. According to the conducted

experiment,the measured efficiency which is the ratio of Peltier cell output power

and heater input power, depends on the Peltier cell temperature difference.

Keywords: Efficiency, Peltier Cell, Heater, DS 1820, Seebeck effect and Peltier

effect.


10/110

DAFTAR ISI

Halaman

HALAMAN JUDUL .............................................................................................. i

HALAMAN PERNYATAAN ORISINALITAS ................................................... ii

HALAMAN PENGESAHAN .............................................................................. iii

KATA PENGANTAR .......................................................................................... iv

LEMBAR PERSETUJUAN PUBLIKASI KARYA ILMIAH.............................vii

ABSTRAK............................................................................................................vii

DAFTAR ISI......................................................................................................... ix

DAFTAR GAMBAR............................................................................................xii

DAFTAR TABEL.............................................................................................. xiv

DAFTAR PERSAMAAN.....................................................................................xv

DAFTAR LAMPIRAN...................................................................................... xxiv

BAB 1 : PENDAHULUAN...................................................................................1

1.1 Latar Belakang ................................................................................ 1

1.2 Tujuan Penelitian ............................................................................4

1.3 Deskripsi Singkat ............................................................................4

1.4 Batasan Masalah .............................................................................6

1.5 Metode Penelitian ........................................................................... 6

1.6 Sistematika Penelitian.....................................................................7

BAB 2 : TEORI DASAR ......................................................................................9

2.1 Efek Seebeck................................................................................... 9

2.2 Efek Peltier....................................................................................10

2.3 Sel Peltier......................................................................................112.4 Perpindahan Panas ........................................................................14

2.4.1 Konduksi..............................................................................15

2.3.1.1 Konduktivitas Termal ......................................................16

2.4.2 Konveksi ..............................................................................16

2.4.3 Radiasi .................................................................................17

2.5 Daya Listrik ..................................................................................18

2.6 Efisiensi.........................................................................................20

2.6.1 Actual Efficiency .................................................................20

2.6.2 Carnot Efficiency.................................................................21

2.6.3 Adjusted Efficiency .............................................................22

2.7 Sensor Temperatur ........................................................................232.8 Pulse Width Modulation ...............................................................24

2.9 Relay .............................................................................................29

BAB 3 : PERANCANGAN DAN CARA KERJA SISTEM............................31

3.1 Sistem Mekanik ............................................................................31

3.2 Perancangan Mekanik ...................................................................32

3.2.1 Blok sistem ..........................................................................32

3.2.2 Sistem Pendingin .................................................................34

3.2.3 Sistem Pemanas ...................................................................35

3.3 Rangkaian Elektronika..................................................................35

3.3.1 Rangkaian Pengendali Nilai Hambatan Pada SelPeltier....35


11/110

3.3.2 Rangkaian Sensor Temperatur .............................................37

3.3.3 Rangkaian Power Supply.....................................................37

3.3.5.1 Rangkaian Power Supply 5V...................................38

3.3.5.2 Rangkaian Power Supply 12V.................................38

3.3.5.3 Rangkaian Power Supply 15V.................................393.3.4 Rangkaian Penguat AD620..................................................40

3.3.5 Rangkaian PWM untuk Variabel Tegangan Pada Heater....40

3.3.6 Rangkaian Mikrokontroler AT Mega 16 .............................44

3.4 Perancangan Software Sistem.......................................................46

BAB 4 : HASIL EKSPERIMEN DAN ANALISA DATA...............................51

4.1 Data ADC Heater ......................................................................................51

4.2 Data Pengujian Nilai Pwm terhadap Tegangan (V)..................................54

4.3 Data Nilai Hambatan Pada Heater ............................................................56

4.4 Data Sensor Temperatur Ds1820 terhadap Termometer...........................57

4.5 Pengambilan Data Efisiensi Sel Peltier.....................................................584.5.1 PengujianDaya Sel Peltier dengan Variabel nilai Hambatan ..........58

4.5.1.1 Pengujian Sistem Pengukur Daya pada Nilai R (1.7 dan 6.3)58

4.5.2 Perhitungan Efisiensi Sel Peltier Dengan Beberapa Metode...........60

BAB 5 : KESIMPULAN DAN SARAN ............................................................64

5.1 Kesimpulan ...............................................................................................64

5.2 Saran .........................................................................................................65

DAFTAR REFERENSI ..................................................................................66

LAMPIRAN....................................................................................................


12/110

DAFTAR GAMBAR

Halaman

Gambar 1.1 Blok Diagram Sistem Instrumentasi ..................................................5

Gambar 2.1 Thomas Johan Seebeckdan Eksperimen efekSeebeck...................... 9Gambar 2.2 Eksperimen Rangkaian dari EfekSeebeck.........................................9

Gambar 2.3 Jean Charles Athanese Peltierdan Eksperimen efekPeltier..........10

Gambar 2.4 Eksperimen Rangkaian dari EfekPeltier.........................................10

Gambar 2.5 Skematik Sel Peltier .........................................................................11

Gambar 2.6 Sel Peltier .........................................................................................11

Gambar 2.7 Ikatan Kovalen .................................................................................13

Gambar 2.8 Struktur Pita energi Semikonduktor tipe-N dan tipe-P ....................13

Gambar 2.9 Ukuran Sel Peltier ............................................................................14

Gambar 2.10 Sistem Kerja Mesin Panas..............................................................20

Gambar 2.11 Pin Konfigurasi DS1820 ................................................................23

Gambar 2.12 Parameter PWM High Time...........................................................25

Gambar 2.13 Duty CyclePWM ...........................................................................25

Gambar 2.14 Pengaturan PWM pada ATMEGA.................................................26

Gambar 2.15 Compare Duty Cycle ......................................................................27

Gambar 2.16 Duty CyclePada Tegangan ............................................................28

Gambar 2.17 Perhitungan Pengontrolan Tegangan .............................................28

Gambar 2.18 Relay Posisi Normally Close dan Normally Open..........................29

Gambar 2.19 Relay kaki 8 ....................................................................................30

Gambar 3.1 Blok Diagram Sistem ......................................................................31

Gambar 3.2 Blok Perancangan Mekanik Sistem .................................................33

Gambar 3.3 Perancangan Tampak Depan Perancangan Sistem ..........................33

Gambar 3.4 Sistem Pendingin..............................................................................34

Gambar 3.5 Mekanik Sistem Pada Sistem Pendingin..........................................34

Gambar 3.6 Perancangan Mekanik Sistem Pemanas ...........................................35

Gambar 3.7 Rangkaian Pengendali Nilai Hambatan Pada Sel Peltier .................36

Gambar 3.8 Rangkaian 1-wire Ds1820................................................................37

Gambar 3.9 Rangkaian Power Supply 5V ...........................................................38

Gambar 3.10 Rangkaian Power Supply 12V .......................................................38

Gambar 3.11 Rangkaian Powerv Supply 15V ..................................................39


13/110

Gambar 3.12 Rangkaian Penguat AD620............................................................40

Gambar 3.13 Rangkaian PWM Untuk Variabel Tegangan Pada Heater .............41

Gambar 3.15 Input Signal PWM .........................................................................42

Gambar 3.16 Rangkaian Mikrokontroler ATMEGA16.......................................44

Gambar 3.17 Flowchart Monitoring pada Software Bascom ..............................47

Gambar 3.18 Flowchart Monitoring pada Software LabView ............................48

Gambar 3.19 Front Panel Monitor pada Software LabView ...............................50

Gambar 3.20 Blok Diagram Monitor pada Software Labview............................50

Gambar 4.1 Grafik Nilai ADC (1) Terhadap Tegangan (V)................................53

Gambar 4.2 Grafik Nilai ADC (2) Terhadap Tegangan (V)................................53

Gambar 4.3 Grafik Nilai PWM Terhadap Tegangan (V1) ...................................55

Gambar 4.4 Grafik Nilai PWM Terhadap Tegangan (V1) ..................................55

Gambar 4.5 Nilai Hambatan Pada Heater Terhadap Suhu...................................57

Gambar 4.6 Grafik Ds1820 terhadap Termometer ..............................................58

Gambar 4.7 Pengujian Efisiensi Metode Carnot..................................................61

Gambar 4.8 Pengujian Efisiensi Metode Actual..................................................61

Gambar 4.9 Pengujian Efisiensi Metode Adjusted ..............................................62


14/110

DAFTAR TABEL

Halaman

Tabel 2.1 Periodik Untuk Elemen Semikonduktor ..............................................12

Tabel 2.2 Spesifikasi Sel Peltier ..........................................................................14

Tabel 4.1 Data ADC Heater.................................................................................51

Tabel 4.2 Nilai PWM Terhadap Tegangan Heater ..............................................54

Tabel 4.3 Data Nilai Hambatan Pada Heater .......................................................56

Tabel 4.4 Data sistem Pengukur Daya (R=1,7)................................................59

Tabel 4.5 Data sistem Pengukur Daya (R=6.3)................................................59

Tabel 4.6 Data sistem Pengukur Daya (R=0)..................................................59

Tabel 4.7 Data Hasil Efisiensi Sel Peltier (R=1,7)...........................................60

Tabel 4.8 Data Hasil Efisiensi Sel Peltier (R=6.3)...........................................60

Tabel 4.9 Data Hasil Efisiensi Arus dan r dalam Sel Peltier ..............................63


15/110

DAFTAR PERSAMAAN

Halaman

Persamaan 2.1 .......................................................................................................10

Persamaan 2.2 .......................................................................................................10

Persamaan 2.3 .......................................................................................................11

Persamaan 2.4 .......................................................................................................15

Persamaan 2.5 .......................................................................................................16

Persamaan 2.6 .......................................................................................................17

Persamaan 2.7 .......................................................................................................17

Persamaan 2.8 .......................................................................................................18

Persamaan 2.9 .......................................................................................................19

Persamaan 2.10 .....................................................................................................19

Persamaan 2.11 .....................................................................................................19

Persamaan 2.12 .....................................................................................................20Persamaan 2.13 .....................................................................................................21

Persamaan 2.14 .....................................................................................................21

Persamaan 2.15 .....................................................................................................22

Persamaan 2.16 .....................................................................................................22

Persamaan 2.17 .....................................................................................................22

Persamaan 2.18 .....................................................................................................27

Persamaan 2.19 .....................................................................................................27

Persamaan 2.20 .....................................................................................................28

Persamaan 4.1 .......................................................................................................52Persamaan 4.2 .......................................................................................................52

Persamaan 4.3 .......................................................................................................52

Persamaan 4.4 .......................................................................................................52

Persamaan 4.5 .......................................................................................................54

Persamaan 4.6 .......................................................................................................54


16/110

DAFTAR LAMPIRAN

Lampiran 1 Program Bascom

Lampiran 2 Data sistem

Lampiran 3 DataSheet Sel Peltier

Lampiran 4 DataSheet AD620


17/110

BAB 1

PENDAHULUAN

Bagian bab ini merupakan bagian pendahuluan yang menjelaskan latar

belakang, tujuan penelitian, deskripsi singkat dari penelitian, batasan-batasan

masalah yang akan diteliti, kemudian metode yang digunakan selama penelitian

dan sistematika penulisan dari pembuatan sistem pengukur efisiensi selPeltier

berbasis mikrokontroler.

1.1 Latar Belakang

Kebutuhan energi dunia semakin lama semakin meningkat seiring dengan

bertambahnya jumlah penduduk dan pusat-pusat industri. Menurut data yang

berhasil dihimpun (berbagai sumber), dengan jumlah penduduk lebih dari 200 juta

jiwa, Indonesia merupakan negara dengan tingkat kebutuhan energi nomor 5

dunia setelah Amerika, China, dan India. Sebagian besar kebutuhan energi itu

dialokasikan pada sektor kebutuhan rumah tangga, transportasi, dan industri.

Cadangan energi di Indonesia diperkirakan akan mampu mencukupi kebutuhan

energi dalam negeri selama kurun waktu lebih dari 100 tahun mendatang. Namun

demikian, bukan berarti para pengguna sumber energi tersebut bisa semena-mena

sehingga tidak memikirkan generasi mendatang. Berbagai upaya telah ditempuh

sebagai antisipasi penyediaan sumber energi alternatif. Indonesia adalah salah satu

negara yang memiliki sumber energi alamiah yang sangat besar. Mulai dari

minyak bumi, batubara, gas alam, dan lain sebagainya. Letak geografis Indonesia

juga cukup menguntungkan karena memperoleh paparan cahaya matahari

sepanjang tahun. Oleh karena itulah, selain memanfaatkan bahan bakar fosil parailmuwan Indonesia juga berusaha memanfaatkan energi surya dengan membuat

sel surya atau selphotovoltaic (Energi_Indonesia,artikel).

Tersedianya sumber energi belum menjamin bahwa energi tersebut dapat

digunakan secara efisien dan efektif. Hal ini sangat bergantung pada alat yang

digunakan. Saat ini, system kerja mesin masih berbasis pada teknologi yang

pertama kali dicetuskan oleh James Watt yang mengawali revolusi industri di

Inggris awal abad ke19. Penemuan tersebut tentu saja tidak lepas dari peran


18/110

2

ilmuwan eksperimentalis terbesar sepanjang masa, Michael Faraday, yang telah

berhasil meletakkan dasar-dasar teori dan eksperimen bagaimana cara mengubah

energi yang tersedia di alam untuk digunakan sebagai pendukung kehidupan

sehari-hari. Maka terciptalah berbagai macam mesin dan alat-alat penunjang

kehidupan lainnya yang memanfaatkan, terutama, bahan bakar minyak. Seiring

dengan perkembangan teknologi, alat-alat tersebut semakin lama semakin

berkembang. Tidak hanya terbatas pada fungsi namun juga portabilitas dan

kemudahan manusia dalam mengoperasikannya. Namun, ada satu masalah yang

hingga saat ini belum ditemukan jalan keluar yang memuaskan yaitu efisiensi.

Menurut Sadi Carnot, efisiensi sebuah mesin tidak mungkin mencapai

100%. Hal ini berarti setiap penggunaan sejumlah bahan bakar tertentu, tidak

seluruhnya dimanfaatkan untuk melakukan kerja. Dengan kata lain, sebagian

energi tersebut terbuang menjadi energi lain yang tentu saja, tidak bisa

dimanfaatkan. Energi buang tersebut yang paling dominan adalah berupa energi

panas. Setiap mesin selalu menghasilkan panas di mana panas ini dibuang begitu

saja ke lingkungan yang menurut beberapa ahli turut andil dalam bencana ekologi

global warming. Selain itu, panas yang terbuang ini juga menyebabkan mesin

cepat rusak atau aus pada bagian-bagian tertentu.

Teknologi yang sekarang banyak dikembangkan selalu mengusahakan

agar panas yang dihasilkan sebuah mesin tidak berlebihan. Misalnya pada laptop.

Sebagian besar laptop menggunakan kipas internal dan sistem manajemen panas

lainnya untuk membuang panas yang dihasilkan mesin demi menjaga keawetan

mesin. Hal ini menunjukkan bahwa panas yang dihasilkan laptop belum bias

dimanfaatkan. Buktinya, panas yang dihasilkan tersebut dibuang begitu saja.

Masih banyak lagi fenomena sejenis yang intinya residu kerja mesin berupa panasitu belum bisa dimanfaatkan.

Pada tahun 1821,Thomas Johann Seebeckmelakukan sebuah eksperimen

dengan menggunakan tembaga dan besi. Kedua logam itu dirangkai menjadi

sebuah sambungan di mana salah satu sisi logam dipanaskan sedangkan satu sisi

logam yang lainnya tetap dijaga pada suhu konstan. Jarum kompas yang

sebelumnya telah diletakkan di antara dua plat tersebut ternyata mengalami

penyimpangan/bergerak. MenurutAmpere, terdefleksinya jarum kompas tersebut


19/110

3

tentu disebabkan karena adanya medan magnet yang dihasilkan oleh plat logam

yang dipanaskan. Dalam kondisi tersebut, medan magnet hanya bisa dihasilkan

dari proses induksi elektromagnetik yaitu medan magnet yang ditimbul karena

adanya arus listrik pada logam.

Namun demikian, pada saat itu Seebeck belum mengetahui secara

menyeluruh hasil eksperimen yang ia peroleh. Baru pada periode berikutnya,

penemuanSeebeck ini dikaji lebih lanjut oleh Jean Charles Peltier. Terdorong

dari rasa ingin tahunya yang sangat tinggi, Peltier mencoba merancang sebuah

eksperimen yang diharapkan dapat memberikan hasil yang berkebalikan dengan

apa yang diperoleh Seebeck. Peltier mengalirkan listrik pada dua buah logam

yang direkatkan dalam sebuah rangkaian. Ketika arus listrik mengalir, terjadi

penyerapan panas pada sambungan kedua logam tersebut dan pelepasan panas

pada sambungan yang lainnya. Pelepasan dan penyerapan panas ini bersesuaian

dengan arah aliran arus listrik yang diberikan pada logam. Penemuan yang terjadi

pada tahun 1934 ini kemudian dikenal dengan efek Peltier. Penemuan Seebeck

dan Peltier inilah yang kemudian menjadi dasar pengembangan teknologi yang

dapat mengubah panas menjadi energi listrik yang lazim disebut sebagai

generator termoelektrik.

PenemuanSeebeckdanPeltiermerupakan dasar pengembangan teknologi

yang dapat mengubah panas menjadi energi listrik yang lazim disebut sebagai

generator termoelektrik.

Teknologi termoelektrik inilah yang akan diterapkan untuk memanfaatkan

energi panas yang dibuang oleh mesin. Tentu saja, hal ini tidak ada sangkut

pautnya dengan efisiensi mesin. Dengan teknologi termoelektrik ini, panas yang

terbuang dapat dimanfaatkan kembali menjadi energi yang bisa dikonsumsimesin. Teknologi termoelektrik merupakan teknologi yang relatif lebih efisien,

ramah lingkungan, tahan lama, dan mampu menghasilkan energi dalam skala kecil

hingga skala besar. Prinsip dasar dari teknologi termoelektrik adalah mengubah

energi panas menjadi energi listrik secara langsung (generator termoelektrik) atau

penyerap panas (pendingin termoelektrik).

Untuk menghasilkan arus dan tegangan listrik, sebuah material

termoelektrik (biasanya semikonduktor) cukup diletakkan pada dua daerah yang


20/110

4

memiliki beda temperatur (bagian yang suhunya lebih tinggi disebut sumber

panas). Dalam hal ini pengembangan teknologi termoelektrik sebagai

pengembangan energi alternatif seperti energi angin, sel matahari (Solar Cell),

OTEC (Ocean Thermal Energi Conversion), panas bumi dan lain sebagainya

perlu diperhatikan baik dari pemerintah, industri, perguruan tinggi, dan

masyarakat. Teknologi termoelektrik ini diterapkan pada pembangkit listrik pada

sumber panas, akan tetapi sampai pada saat ini pembangkit listrik dari sumber

panas yang sekarang ini banyak digunakan melalui beberapa proses. Contoh

penerapan dalam kehidupan sehari-hari bahan bakar fosil yang menghasilkan

putaran turbin ketika dibakar dengan tekanan yang sangat tinggi. Kemudian hasil

putaran turbin akan digunakan untuk memproses tenaga listrik. Efisiensi energi

pembangkit ini masih rendah akibat beberapa kali proses yang berubah-ubah [15].

Dengan memanfaatkan teknologi termoelekrik, maka difokuskan untuk

meneliti berapa besar efisiensi yang dihasilkan dari penelitian yang berjudul

Rancang Bangun Sistem Pengukur Efisiensi sel Peltier Berbasis Mikrokontroler.

1.2 Tujuan Penelitian

Tujuan Penelitian ini adalah membuat alat ukur yang dapat mengetahui

nilai efisiensi sel Peltier dari adanya perubahan beda temperatur berbasis

mikrokontroller.

1.3 Deskripsi singkat

Dalam sistem ini selPeltierdimanfaatkan sebagai penghasil energi listrik,

dimana selPeltier akan mengubah energi panas menjadi energi listrik. SelPeltier

mempunyai dua sisi yang berbeda yaitu sisi panas dan sisi dingin. Sisi panas selPeltierakan dihubungkan dengan sumber energi panas yang berasal dari sebuah

sistem pemanas, dalam hal ini sistem pemanas yang digunakan yaitu resistor

keramik yang terhubung dengan daya listrik. Sedangkan sisi dingin pada sel

Peltierdihubungkan dengan sistem pendingin dalam hal ini menggunakan aliran

air di dalam plat alumanium sehingga sistem pendingin akan dijaga konstan

temperaturnya. Sistem pemanas mengalirkan panas menuju selPeltier sehingga

sel Peltier akan menghasilkan arus dan suhu pada sistem pemanas akan


21/110

5

mengalami kenaikan suhu. Arus yang dihasilkan oleh sel Peltier akan melewati

resistor (R) sehingga didapatkan nilai tegangannya dan energi listrik (E) dapat

terukur.

Gambar 1.1 Blok Diagram Sistem

Blok diagram diatas merupakan perancangan pengukur efisiensi sel

Peltier. Dimana mikrokontroler akan membaca besarnya energi yang dihasilkan

oleh selPeltier. Dalam hal ini sistem pemanas yang terhubung dengan selPeltier

akan dihubungkan dengan sumber daya listrik yang tegangannya dapat

divariasikan. Pengukur tegangan yang dihubungkan dengan mikrokontroler akan

mengukur daya listrik yang dihasilkan. Sistem ini menggunakan dua sensor suhu

yaitu sensor suhu (DS1820). Sensor suhu ini akan dihubungkan dengan sistem

pendingin dan sistem pemanas sehingga sensor suhu akan menghasilkan beda

temperatur yang akan dibaca oleh mikrokontroler. Hasil data yang diperoleh dari

alat ini adalah data energi(E) yang terukur dari selPeltierdan hasil perubahan

panas ( ) sehingga dapat menghasilkan efisiensi sel Peltier =

. Semua

data yang diperoleh akan dibaca oleh mikrokontroler dan akan ditampilkan oleh

LCD dan PC.


22/110

6

1.4 Batasan Masalah

Tugas akhir ini bertujuan untuk mendapatkan hasil akhir yang baik, sesuai

apa yang diinginkan dan tidak terjadi penyimpangan terhadap permasalahan yang

akan ditinjau, maka batasan masalah yang adalah sebagai berikut:

1. Membuat sistem yang dapat mengukur daya listrik dan membuat sistem

kendali untuk pemanas.

2. Membuat sistem mekanik untuk temperatur dingin dalam hal ini

menggunakan air es.

3. Mengukur tegangan yang dihasilkan sel Peltier untuk memperoleh

besarnya energi listrik dengan menggunakan mikrokontroler.

4. Membandingkan hasil energi listrik (E) yang dihasilkan sel Peltier

terhadap perubahan panas ( ), sehingga dapat mengukur efisiensi dari

selPeltier =

.

1.5 Metode Penelitian

Metoda penelitian yang akan dilakukan terdiri dari beberapa tahap

diantaranya adalah sebagai berikut :

1.5.1 Studi Literatur

Metode ini digunakam untuk memperoleh informasi tentang teori-teori

dasar sebagai sumber penulisan skripsi. Informasi dan pustaka yang

berkaitan dengan masalah ini diperoleh dari literatur, penjelasan yang

diberikan dosen pembimbing, rekan-rekan kerja mahasiswa, informasi dari

internet, data sheet, dan buku-buku yang berhubungan dengan skripsi

penulis.

1.5.2 Perancangan dan Pembuatan Alat

Perancang alat merupakan awal penulis untuk mencoba memahami,

menerapkan, dan menggabungkan semua literatur yang diperoleh maupun

yang telah dipelajari untuk melengkapi sistem serupa yang pernah

dikembangkan, dan selanjutnya penulis dapat merealisasikan sistem sesuia

dengan tujuan.


23/110

7

1.5.3 Uji Sistem

Uji sistem ini berkaitan dengan pengujian alatserta pengambilan data dari

alat yang telah dibuat.

1.5.4 Metoda Analisis

Metode ini merupakan pengamatan terhadap data yang diperoleh dari

pengujian alat serta pengambilan data. Pengambilan data meliputi

kecepatan memberikan perintah sampai tanggapan sistem berupa

ketepatan pengeksekusian perintah. Setelah itu dilakukan penganalisisan

sehingga dapat ditarik kesimpulan dan saran-saran untuk pengembangan

lebih lanjut.

1.6 Sistematika Penulisan

Sistematika penulisan skripsi ini terdiri dari bab-bab yang memuat

beberapa sub-bab. Untuk memudahkan pembacaan dan pemahaman maka skripsi

ini dibagi menjadi beberapa bab yaitu:

BAB 1 Pendahuluan

Pendahuluan berisi latar belakang, permasalahan, batasan masalah,

tujuan penulisan, metode penulisan dan sistematika penulisan dari

skripsi ini.

BAB 2 Teori Dasar

Teori dasar berisi landasan-landasan teori sebagai hasil dari studi

literatur yang berhubungan dalam perancang bangunan dan

elektronik.

BAB 3 Perancangan SistemPada bab ini akan dijelaskan secara keseluruhan sistem kerja dari

semua elektronika yang terlibat.

BAB 4 Pengujian Sistem dan Pengambilan Data

Bab ini berisi tentang unjuk kerja alat sebagai hasil dari perancangan

sistem. Pengujian akhir dilakukan dengan menyatukan seluruh

bagian-bagian kecil dari sistem untuk memastikan bahwa sistem

dapat berfungsi sesuai dengan tujuan awal.


24/110

8

BAB 5 Kesimpulan dan Saran

Kesimpulan berisi simpulan yang diperoleh dari pengujian sistem

dan pengambilan data selama penelitian berlangsung, selain itu juga

Kesimpulan memuat saran untuk pengembangan lebih lanjut dari

penelitian ini.


25/110

BAB 2

TEORI DASAR

Bab ini akan menguraikan teori dan konsep dasar yang akan menjadi

landasan dalam perancangan sistem dan pembuatan alat sehingga bab dua ini akan

menjadi acuan untuk bab selanjutnya.

2.1 Efek Seebeck

Penemuan pertama kali terkait dengan termelektrik terjadi pada tahun

1821, seorang fisikawan jerman yang bernamaThomas Johan Seebeckmelakukan

eksperimen dengan menggunakan dua material logam yang berbeda yaitu

tembaga dan besi. Kedua logam itu dirangkai menjadi sebuah sambungan dimana

salah satu sisi logam dipanaskan dan sedangkan satu sisi logam yang lainnya

teteap dijaga pada suhu konstan sehingga arus akan mengalir pada rangkaian

tersebut. Arus listrik yang mengalir akan mengindikasikan adanya beda potensial

antara ujung-ujung kedua sambungan. Jarum kompas yang sebelumnya telah

diletakkan diantara dua plat tersebut ternyata mengalami penyimpangan atau

bergerak hal ini disebabkan adanya medan magnet yang dihasilkan dari proses

induksi elektromagnetik yaitu medan magnet yang timbul karena adanya arus

listrik pada logam [20].Dibawah ini adalah simulasi dari rangkaian kedua logam A

dan logam B.

Gambar 2.1Thomas Johan Seebeck dan eksperimen efekSeebeck[14].

Gambar 2.2 Eksperimen Rangkaian dari efekSeebeck[13].


26/110

10

Hubungan anatara tegangan (V) dan perbedaaan temperatur

( dan ) antara kedua ujung logam ( dan ) dapat dinyatakan dengan

persamaan berikut.

= ( ( ) ( )) (2.1)

= ( ) ( ) (2.2)

Keterangan :

V : Tegangan pada logam A dan logam B (Volt)

S dan S : Koefisien Seebeck dari logam A dan logam B

T dan T : Temperatur 1 (K) dan Temperatur 2 (K)

2.2 Efek Peltier

Pada tahun 1834 seorang fisikawan bernama Jean Charle Athanase

Peltier, menyelidiki kembali eksperimen dari efekSeebeck.Peltier menemukan

kebalikan dari fenomena Seebeck yaitu ketika arus listrik mengalir pada suatu

rangkaian dari material logam yang berbeda terjadi penyerapan panas pada

sambungan kedua logam tersebut dan pelepasan panas pada sambungan yang

lainnya. Pelepasan dan penyerapan panas bersesuaian dengan arah arus listrik

pada logam. Hal ini dikenal dengan efekPeltier[21].

Gambar 2.3Jean Charles Athanese Peltierdan Eksperimen efekPeltier[14]

.

Gambar 2.4 Eksperimen Rangkaian dari efekPeltier[13]


27/110

11

= ( )= ( ) (2.3)

Keterangan :

Q atau Q aliran panas (J)

dan koefisienPeltier

I arus yang mengalir (A)

2.3 SelPeltier

Pada abad ke 19 tahun 1834 Jeans Charles Athanase Peltiermenemukan

efek pendingin. Dimana ketika arus listrik mengalir pada dua bahan konduktor

yang berbeda yang menyebabkan adanya penyerapan dan pelepasan panas.

Namun Peltier gagal karena penjelasan fenomena fisika lemah hal ini tidak

mematuhi hukumOhm. Tahun 1909 dan 1911 ilmuwan lainnya yaitu Altenkirch

menunjukkan bahwa bahan termoelektrik pendingin membutuhkan koefisien

Seebeckyang tinggi [22].

Gambar 2.5 Skematik SelPeltier[22]

Konsep dasar dari sel peltier yaitu efekSeebeckdan efekPeltier, dimana

sel Peltier ini merupakan bahan semikonduktor yang bertipe-p dan tipe-n.

Semikonduktor merupakan bahan setengah penghantar listrik yang disebabkan

perbedaan gaya ikat diantara atom-atom, ion-ion, atau molekul-molekul.

Gambar 2.6 SelPeltier[21].


28/110

12

Semua ikatan zat padat atau bahan padat yang lainnya disebabkan adanya

gaya listrik dan tergantung pada jumlah elektron terluar pada struktur atom. Bahan

padat yang dimaksud adalah bahan padat seperti konduktor, isolator,

semikonduktor atau pun superkonduktor). Untuk penyusun dari bahan padat

terbagi menjadi dua bagian yaitu bahan padat krisal dan bahan padat amorf.

Bahan padat kristal merupakan suatu bahan padat dengan struktur partikelnya

disusun secara keteraturan yang panjang dan berulang secara periodik, contohnya

Silicon, Germanium, Gallium, Arsenid, dsb. Sedangkan bahan padat amorf

struktur partikelnya disusun dengan keteraturan yang pendek dan tidak berulang

secara periodik, contohnya Amorphous Silicon [19].

Tabel 2.1 Tabel Periodik Untuk Elemen Semikonduktor[19]

KOLOM III KOLOM IV KOLOM V

5 B

BORON

10,82

6 C

CARBON

12,01

7 N

NITROGEN

14,008

13 AL

ALUMINIUM

26,97

14 Si

SILICON

28,09

15 P

PHOSPHORUS

31,02

31 Ga

GALLIUM

69,72

32 Ge

GERMANIUM

72,60

33 As

ARSENIC

74,91

49 In

INDIUM

112,8

5 Sn

TIN

118,7

5 Sb

ANTIMONY

121,8

Semikonduktor terbagi menjadi dua yaitu semikonduktor Intrinsik (murni)dan semikonduktor Ekstrinsik (tidak murni). Semikonduktor instrinsik merupakan

jenis semikonduktor yang murni dengan elektron valensi empat, misalnya silicon

dan germanium, keduanya terletak pada kolom empat dan table periodik. Silicon

dan germanium dibentuk oleh tetrahedral dimana setiap atom akan menggunakan

bersama atom elektron valensi dengan atom-atom tetangganya. Gambar dibawah

ini menunjukkan adanya ikatan valensi dan elektron valensi.


29/110

13

Gambar 2.7 Ikatan Kovalen [Piranti_Semikonduktor.Pdf]

Semikonduktor ektrinsik merupakan semikonduktor tidak murni dimana

terjadi penambahan elektron. Proses penambahan disebut Doping untukmendapatkan elektron valensi bebas dalam jumlah lebih banyak dan permanen,

yang diharapkan agar dapat mengahantarkan listrik. Doping dibagi menjadi dua

tipe yaitu tipe-N dan tipe-P, dimana semikonduktor tipe-N yang menghasilkan

muatan negatif dan merupakan donor untuk melepaskan elektron sedangkan

semikonduktor tipe-P menghasilkan muatan positif.

Gambar 2.8 Struktur Pita Energi Semikonduktor tipe-N dan tipe-P[21]

Dalam penjelasan semikonduktor maka dapat disimpulkan bahwa didalam

sel Peltier (thermoelectric cooler peltier) terdapat bahan semikonduktor dengan

tipe-N dan tipe-P yang apabila kedua tipe tersebut diberi arus lisrtik akan

menimbulkan beda potensial. Dibawah ini adalah gambar sel Peltier yang

digunakan dalam pembuatan system ini yaitu selPeltier yang mempunyai 12V

dan 14,5 W.


30/110

14

Gambar 2.9 Ukuran Sel Peltier[9]

Agar bisa mengetahui karakteristik dari selPeltiermaka tabel dibawah ini

menjelaskan panas maksimum dan suhu maksimum. Kemudian input dari

tegangan maksimum dan arus maksimum serta resistansi dari elemen atau sel

Peltiertersebut.

Tabel 2.2 Spesifikasi SelPeltier[9]

No Keterangan Simbol ukuran Kondisi

1 Temperatur Maksimum T 200

2 Dingin Maksimum 33 Temperatur Ruang

Th = 30

3 Perubahan temperatur

maksimum

68 Temperatur Ruang

Th = 30

4 Input tegangan maksimum 15,4 Temperatur Ruang

Th = 30

5 Arus maksimum 3,0 Temperatur Ruang

Th = 30

6 Resistansi R 3,2-3,5 Temperatur Batas

Th = 25

7 Parallel 0,05mm

2.4 Perpindahan Panas

Perpindahan kalor merupakan ilmu yang meramalkan perpindahan energi

karena perbedaan suhu diantara benda atau material. Ilmu perpindahan kalor tidak

hanya mencoba menjelaskna bagaimana energi kalor itu berpindah dari satu benda


31/110

15

ke benda lain, tetapi juga meramalkan laju perpindahan yang terjadi pada kondisi-

kondisi tertentu. Ilmu perpindahan kalor melengkapi hukum pertama dan hukum

kedua termodinamika [3]. Perkembangan ilmu fisika dari ilmuanCount Rumford

(1753-1814), Massa Chusetts, dan Sir James Prescolt Joule (1818-1819)

melakukan percobaan bahwa aliran panas merupakan perpindahan energi dari

sistem dan lingkungan. Apabila perpindahan energi terjadi pada perbedaaan suhu

maka hal ini disebut pengaliran panas [7]. Perpindahan kalor terjadi pada 3 proses

yaitu konduksi, konveksi, dan Radiasi.

2.4.1 Konduksi

Konduksi (hantaran) merupakan perpindahan panas pada benda padat yang

terjadi apabila benda tersebut berada pada suhu tinggi ke suhu yang lebih rendah.

Suhu tinggi akan melepaskan kalor sehingga suhu rendah akan menerima kalor

dan terjadi kesetimbangan termal [9]. Perpindahan panas yang diusulkan oleh

ilmuan Perancis J.B.J.Fourier, tahun 1882 yaitu laju aliran panas dengan cara

konduksi dalam suatu bahan sama dengan hasil kali dari tiga buah besaran

berikut.

k, konduksi termal

A, luas penampang melalui panas yang mengalir dengan cara konduksi,

yang harus diukur tegak

dT/dx, gradient suhu pada penampang yaitu perubahan suhu T terhadap

jarak dalam arah aliran panas x [4].

Untuk menuliskan persamaan matematika maka harus melihat tanda

(positif dan negative). Arah x ditetapkan merupakan arah aliran positif. Menuruthokum termodinamika panas akan mengalir secara otomatis dari suhu tinggi ke

suhu yang lebih rendah, maka aliran panas akan menjadi positif bila gradiennya

negative [4]. Maka dari persamaan diatas maka hubungan konduktivitas dapat

ditulis sebagai berikut.

= (2.4)

Dimana :

q = laju perpindahan kalor (J atau J/detik)


32/110

16

k = konduktivitas atau kehantaran termal (watt/meter)

A = luas penampang (m )

= perubahan suhu terhadap perubahan posisi (C/m atau K/m)

2.4.1.1 Konduktivitas Termal

Konduktivitas termal (daya hantar panas) terjadi pada fungsi suhu, dan

akan bertambah sedikit saat suhu naik namun variasi kenaikannya kecil dan sering

diabaikan. Konduktivitas termal didefinisiskan sebagai arus (negatif) per satuan

luas yang tegak lurus pada aliran dan per satuan gradient suhu [7]. Dapat ditulis

dengan persamaan matematika sebagai berikut.

= ( )

(2.5)

Dimana:

K : konduktivitas termal (watt/meter)

A = luas penampang (m )

H : panas yang mengalir dari kiri ke kanan

= perubahan suhu terhadap perubahan posisi (C/m atau K/m)

Dari persamaan 2.5 makin besar konduktivitas termal k, makin besar pula

arus panas namun factor-faktor lain tetap sama. Oleh karena itu bahan yang nilai

k-nya besar adalah penghantar panas yang baik sedangkan bila k-nya kecil bukan

penghantar panas yang baik[7].

2.4.2 Konveksi

Istilah konveksi merupakan perpindahan panas dari satu tempat ketempat

lain akibat perpindahan bahannya sendiri. Proses konveksi adalah ketika bahan

yang dipanaskan mengalir akibat perbedaan rapat massa. Konveksi yang dipaksa

ketika bahan yang dipanaskan dipaksa bergerak dengan menggunakan alat peniup

atau pompa [7]. Konveksi juga dinyatakan laju perpindahan panas antara suatau

permukaan dan suatu fluida sehingga menurut ilmuan Inggris,Isaac Newtonpada

tahun 1701 perpindahan panas secara konveksi dapat menggunakan persamaan

berikut ini[3]

.


33/110

17

= = ( ) (2.6)

Dimana:

Laju perubahan panas dengan cara konveksi (J/s)

Luas perpindahan panas( )

Beda antara suhu permukaan dan suhu fluida ( ).

Permukaan perpindahan panas atau koefisien perpindahan panas( )

Dari persamaan 2.6 koefisien konveksi ( ) bergantung pada viskositas

fluida, kecepatan, kapasitas kalor, gradien suhu, rapat massa fluida, bentuk

permukaan [3].

2.4.3 Radiasi

Pancaran (emisi) energi terus-menerus dari permukaan semua benda.

Energi ini dinamakan energiradian dan dalam bentuk gelombang elektromagnet.

Gelombang ini bergerak secepat cahaya dan dapat melewati ruang hampa serta

melalui udara. Energiradian yang dipancarkan oleh suatu permukaan, per satuan

waktu dan per satuan luas, bergantung pada sifat permukaan serta suhu. Pada suhu

rendah banyaknya radiasi kecil dan panjang gelombangnya relative panjang,

sedangkan jika suhu naik banyaknya radiasi akan meningkat dengan cepat dan

sebanding dengan suhu multak pangkat empat [7].

Fisikawan yang berasal dari Austria pada tahun 1884, J Stefan dan

L.Boltzmann menyatakan bahwa suatu benda hitam mana pun diatas suhu nol

mutlak meradiasikan energi dengan laju yang sebanding dengan suhu multak

pangkat empat. Walaupun laju pancaran (rate of emission) tidak tergantung pada

kondisi sekitar, perpindahan bersih (netto) panas radiasi memerlukan adanya

perbedaan suhu permukaan antara dua benda diantara pertukaran panas

berlangsung [4]. Untuk persamaan matematika dapat dilihat berikut ini.

= ( ) (2.7)

Dimana:

q : Laju perpindahan panas secara radiasi (Joule/sekon)

: konstanta Stefen-Boltzmann (5,67x10 ) K


34/110

18

A : Luas Permukaan(m )

T dan T : Perubahan suhu dari suhu 1 dan suhu 2 (K)

Dari persamaan 2.7 disebut hukum Stefen-Boltzmann tentang radiasi

termal, dan berlaku hanya untuk benda hitam. Untuk radiasi elektromagnetik

persamaannya tidak sesederhana ini. Fenomena aliran radiasi disebut dengan

fenomena yang rumit hal ini dikarenakan perhitungannya jangan menggunakan

persamaan yang sederhana. Namun untuk sementara ini bahwa dalam teori ini

hanya menekankan adanya perbedaan mekanisme fisik antara perpindahan kalor

radiasi dengan sistem perpindahan kalor secara konduksi dan konveksi [3].

2.5 Daya Listrik

Energi listrik merupakan bentuk energi yang dihasilkan dari adanya beda

potensial antara dua titik, sehingga membentuk sebuah arus listrik dan

mendapatkan kerja listrik. Energi listrik dinyatakan sebagai arus listrik yang

bermuatan listrik negatif atau elektron karena adanya perbedaan beda potensial.

Pada tahun (1787-1854) Georg Simon Ohm menentukan dan melakukan

eksperimen bahwa arus I pada logam sebanding dengan beda potensial V.

kemudian jika pada logam atau kawat diberikan hambatan R terhadap arus maka

elektron-elektron diperlambat karena adanya interaksi dengan atom-atom.

Sehingga makin tinggi hambatan, makin kecil arus I pada suatu tegangan V. Hal

ini dikenal dengan hukum Ohm, akan tetapi banyak fisikawan menyatakan ini

bukan merupakan hukum melainkan definisi hambatan. Pernyataan hukumOhm

apabila arus yang melalui konduktor logam sebanding dengan tegangan, akan

tetapi R konstan

[2]

. Hubungan antara arus, tegangan dan hambatan dapatdinyatakan sebagai berikut.

= (2.8)

Dimana:

R : hambatan ()

V : Tegangan (Volt)

I : Arus Listrik (A)


35/110

19

Energi listrik yang diubah menjadi energi panas atau cahaya akan terjadi

banyak tumbukan elektron yang bergerak dan atom pada kawat sehingga

menyebabkan arus menjadi besar. Pada kawat setiap tumbukan, sebagian energi

elektron ditransfer ke atom yang ditumbuknya akibatnya energi kinetik atom

bertambah dengan demikian temperatur elemen kawat bertambah. Energi panas

yang bertambah dapat ditransfer sebagai kalor dengan perpindahan panas secara

konduksi dan konveksi [2].

Daya merupakan suatu besaran yang penting dalam rangkaian listrik. Daya

merupakan kecepatan perubahan Energi. Untuk mencari daya yang diubah ke

listrik maka energi yang diubah merupakan muatanQ yang bergerak melintasi

beda potensial sebesarV sehingga perubahan tersebut ditulis Q. Jadi persamaan

matematika dalam menghitung daya(P).

= (2.9)

muatan yang mengalir per detik yang merupakan I. jika suatu tegangan v

dikenakan pada unsur dimana di dalamnya mengalir arus(A) ,sehingga daya (P)

dapat ditulis dengan persamaan berikut.

= (2.10)

Dimana :

P : Daya Listrik (Watt atau J/det)


V : Beda Potensial (Volt)

Untuk menghitung daya pada hambatan hambatan(R) dapat ditulis dengan

hukum ohm pada persamaan (2.9), sehingga daya listrik juga dapat dihitung

dengan menggunakan persamaan berikut ini.

= (2.11)

Dimana :

P : Daya Listrik (Watt atau J/det)


R : hambatan ()


36/110

20

2.6 Efisiensi

Pada mesin diperlukan beberapa perhitungan efisiensi yang berguna untuk

mengetahui seberapa besar efisiensi dari mesin yang mengeluarkan panas dan

kerja dari mesin itu sendiri. Efisiensi didefinisikan sebagai fraksi antara kerja

yang dihasilkan dengan energi panas yang masuk ke mesin.

= 100% (2.12)

Dimana :

: Efisiensi

W : Kerja (J)

: Energi Panas (J)

Jika diinterpretasikan sebagai = 100% artinya seluruh energi panas

seluruhnya diubah menjadiW. nilai adalah antara 0 sampai 1. Semakin

besar maka semakin bagus mesin tersebut akan tetapi pada kenyataannya tidak

ada mesin yang mengubah panas menjadi kerja seluruhnya. Oleh karena itu perlu

diadakan perbandingan untuk beberapa metode dari efisiensi, maka efisiensi yang

akan dikaitkan dengan sistem ini adalah efisiensi Actual, efisiensi Carnot danefisiensi Adjusted [16].

2.6.1 Actual Efficiency

Metode yang akan dilakukan dalam penelitian ini adalah metode actual

efficiency yaitu mencari efisiensi yang sebenarnya. Mesin yang bekerja akan

mengeluarkan panas sehingga panas yang dikeluarkan oleh mesin akan diolah lagi

menjadi energi listrik, sehingga efisiensi didefinisikan sebagai kerja yang

dilakukan mesin yang dibagi dengan input panas yang diterima oleh mesin [16].

Gambar 2.10 Sistem Kerja Mesin Panas [16].


37/110

21

= (2.13)

Dimana :

: EfisiensiW : Kerja (J)

Q : Energi Panas (J)

Sehingga efisiensi sebenarnya dilakukan untuk menghitung daya yang

dihasilkan oleh kerja mesin dengan daya masukan dari mesin panas. Dimana

daya kerja ( ) yang dikeluarkan oleh mesin bisa dihitung dengan persamaan

(2.11) sedangkan daya panas dari inputan mesin dapat dihitung denganmenggunakan persamaan (2.10) oleh karena itu, efisiensi yang sebenarnya dapat

dihitung dengan menggunakan persamaan berikut [16].

= (2.14)

Dimana :

: Efisiensi

P : Daya Kerja Mesin (W)

P : Daya Mesin Panas (W)

2.6.2 Carnot Efficiency

Fisikawan Prancis (1824) Sadi Carnot menunjukkan bahwa efisiensi

maksimum dari mesin panas hanya bergantung pada suhu antara mesin yang

beroperasi bukan pada jenis mesin. Berdasarkan dalil dari Carnot, mesin yang

bekerja antara suhu yang tinggi menuju suhu yang rendah dimana satuan dari suhu

tersebut dalam satuanKelvin. Kelvin mengemukakan pada dua suhu yang tertentu

tidak adanya bergantung pada sifat zat kerja akan tetapi hanya merupakan fungsi

suhu. Efisiensi mesin Carnot dipengaruhi oleh suhu panas dan suhu dingin,

sehingga semakin besar beda temperatur maka semakin efisien kerja dari mesin

Carnot. Agar mencapai efisiensi mesin 100% maka suhu dingin haruslah 0

Kelvin.

Pada saat ini belum ada eksperimen yang dapat meraih suhu hingga

benar-benar 0 mutlak, maka dari itu tidak mungkin efisiensi mesin mempunyai


38/110

22

efisien 0 hal ini sama saja mesin tidak dapat melakukan kerja apapun. Sehingga

dapat menyimpulkan bahwa efisiensi Carnotberkisar antara 0 sampai 1 [16].

Dengan persamaan dibawah ini maka efisiensi Carnot dapat dihitung sebagai

berikut.

= (2.15)

Dimana:

: EfisiensiCarnot.

: suhu panas (K)

: suhu dingin (K)

2.6.3 Adjusted Efficiency

Metode selanjutnya adalah menghitung efisiensi suhu disekitar atau

lingkungan. Metode ini dilakukan berguna untuk menghitung perubahan suhu

yang terjadi ketika panas yang dikeluarkan oleh mesin lebih besar atau tidak.

Perhitungan dari kerugian energi dan menambahkannya kembali pada .

Hal ini menunjukkan bahwa, kerugian atau kehilangan energi yang terbuang akan

dicatat dan efisiensi yang dihasilkan mendekati efisiensi Carnot yang

menunjukkan efisiensi maksimum tidak mungkin mencapai 100% [16]. Sehingga

efisiensi lingkungan dapat diukur dengan menggunakan persamaan dibawah ini :

= =( )

(2.16)

Untuk mencari resistansi ( r ) :

= (2.17)

Dimana :

: EfisiensiAdjusted

P : Daya Kerja Sel Peltier ke Dua (W)

P : Daya heater ke Dua (W)

: Arus Sel Peltier (A)

: Hambatan di Dalam Sel Peltier ()

P : Daya Heater ada hambatan (W)

P ( ) : Daya Heater Tanpa hambatan (W)


39/110

23

V : Output Tegangan Sel Peltier Ada Hambatan (V)

V : Output Tegangan Sel Peltier tanpa hambatan (V)

: Hambatan Luar Sel Peltier ()

2.7 Sensor Temperatur

Sensor temperatur merupakan alat yang dapat mendeteksi adanya

perubahan suhu menjadi keluaran signal listrik sehingga keluaran suhu yang

dikeluarkan oleh sistem atau lingkungan dalam zat (padat, gas, cair) bisa terukur.

Dalam pembuatan alat ukur suhu terdapat banyak sensor temperatur yang

digunakan dalam hal pembuatan sistem ini digunakan sensor temperatur yaitu

DS1820. Sensor suhu Ds 1820 ini dikeluarkan olesDallas Semiconductoryang

bisa membaca dengan menggunakan protokol komunikasi satu wire. Ds1820

memiliki tiga pin yang terdiri dari +5, DQ (Datainput/output) danGround.

Gambar 2.11 Pin Konfigurasi DS1820 [Datasheet DS1820.Pdf]

DS1820 mempunyai keunggulan yaitu data yang dikeluarkan berupa data

digital dengan ketelitian 0.5C yang bisa dibaca oleh mikrokontroler. Pin yang

dihubungkan hanya menggunakan satu port untuk komunikasi serial, dengan

kemampuan dari DS1820 adalah memiliki 64-bit, tidak memerlukan komponen

eksternal, power supply berkisar 3V sampai 5.5V, suhu yang akan diukur bisa

mencapai -55C sampai 125C dengan keakuratan data dari -10C sampai 85C,

resolusi dari ds 1820 ini adalah 9-bit dengan kecepatan mengukur suhu 750ms

sampai 800ms [8].


40/110

24

2.8 Pulse Width Modulation (PWM)

PWM atau Pulse Width Modulation merupakan suatu teknik yang

digunakan unuk mengontrol kerja suatu alat yang memerlukan aruspull in yang

besar untuk menghindari disipasi daya yang berlebihan dari alat yang dikontrol,

atau untuk menghasilkan variabel output tegangan DC. Signal PWM dapat

menggunakan dua metode yaitu menggunakan rangkaian Op-amp dan

menggunakan metode digital. Metode analog yaitu umumnya digunakan langsung

padapower supply, setiap perubahanPWMnya dipengaruhi oleh besarnyapower

supply dan menggunakan resolusi pwm dari 5.000 atau lebih. Kemudian

keluarannya harus disaring dengan low-pass filter. Sedangkan metode digital yaitu

setiap perubahan PWM nya dipengaruhi oleh resolusi dari PWM itu sendiri.

Misalnya PWM digital 8bit berarti PWM tersebut memiliki resolusi 2 =256,

sehingga nilai keluaranPWMini memiliki 256 variasi yaitu mulai dari 0-255 yang

menunjukkan duty cycle nya 0-100% dari keluaran PWM tersebut [18]. Pada

perancangan sistem ini, mengunakan signal PWM dengan metode digital yang

dibangkitkan oleh mikrokontroler ATMEGA 16. Signal ditentukan dengan

menentukan frekuensi dan waktu dari variabelONdanOFF.

ParameterPWM dimana mempunyai tiga bagian periode, frekuensi dan

waktu. Periode (T) merupakan durasi waktu dari satu siklusPWM. Sedangkan

frekuensi merupakan pengulangan siklus ouput PWM, dimana F=1/T dengan

satuan Hertz. Lebar pulsa adalah waktu selama satu siklusPWM adalah ON,

dan apabila tidakON maka logika tinggi atau logika rendah tergantung pada

aplikasi yang digunakan. Gambar2.13 merupakan logika tinggi yang diasumsikan

keadaan ON dan durasi waktu interval ditandai dengan . Sedang kan

Duty Cycle adalah rasio waktu ON untuk periode ( /T). Hal ini sering

diberikan simbol D yang dapat divariasi dari 0 hingga 1, 0 menunjukkan bahwa

t=0 atau t ada wktu untukONsementara 1 menunjukkan t=T atau selaluON[12].


41/110

25

Gambar 2.12 ParameterPWM High Time[12].

Gambar 2.13 merupakan pemodulasian sinyal yang beragam untuk

menentukanduty cycle yang diinginkan sesuai dengan kegunaan dari sistem [17].

Gambar 2.13Duty Cycle PWM[17].

Proses pembangkitan signalPWMpada mikrokontrolerATMEGA 16 ada 2

cara yaitu pertama signal PWM di trigger dari port input atau output yang

berfungsi sebagaioutput. Sedangkan kedua signalPWMditriggerpada program

dari timer atau counter sehingga proses pengaturan high atau low untuk signal

digital dapat dikendalikan dengan menentukan periodeON danOffpada register

gelombang PWM[6]


42/110

26

Gambar 2.14 PengaturanPWMpadaATMEGA

[18]

Resolusi adalah jumlah variasi perubahan nilai dalam PWM tersebut.

Misalkan suatuPWM memiliki resolusi 8 bit berartiPWM ini memiliki variasi

perubahan nilai sebanyak 2 pangkat 8 = 256 variasi mulai dari 0 255 perubahan

nilai. Compare adalah nilai pembanding. Nilai ini merupakan nilai referensi duty

cycle dari PWM tersebut. Nilai compare bervariasi sesuai dengan resolusi dari

PWM. pada gambar nilai compare ditandai dengan garis warna merah, dimana

posisinya diantara dasar segitiga dan ujung segitiga. Clear digunakan untuk

penentuan jenis komparator apakah komparator inverting atau non-inverting.

Mikrokontroler akan membandingkan posisi keduanya, misalkan bila PWMdiset

pada kondisi clear down, berarti apabila garis segitiga berada dibawah garis

merah (compare) maka PWM akan mengeluarkan logika 0. Begitu pula

sebaliknya apabila garis segitiga berada diatas garis merah (compare) makaPWM

akan mengeluarkan logika 1. Lebar sempitnya logika 1 ditentukan oleh posisi

compare, lebar sempitnya logika 1 itulah yang menjadi nilai keluaran PWM,dan

kejadian ini terjadi secara harmonik terus-menerus. Maka dari itu nilai compare

inilah yang dijadikan nilai duty cycle PWM. Clear Up adalah kebalikan (invers)

dariClear Downpada keluaran logikanya [18].


43/110

27

Gambar 2.15Compare Duty Cycle[18]

Prescale digunakan untuk menentukan waktu perioda dari pada PWM.

Nilaiprescale bervariasi yaitu 1, 8, 64, 128, 256, 1024. Misalkan jika prescale

diset 64 berartitimer/PWMakan menghitung 1 kali bilaclockdi CPU sudah 64

kali, Clock CPU adalah clok mikrokontroler itu sendiri. Perioda dariPWMdapat

dihitung menggunakan rumus:

= (2.18)

Setting prescale disini digunakan untuk mendapatkan frekuensi dan

periode kerjaPWMsesuai dengan spesifikasi yang dibutuhkan. Untuk perhitungan

duty cycle dengan cara mengatur lebar pulsa on dan off dalam satu periode

gelombang melalui pemberian besar sinyal referensi output dari suatuPWMakan

didapat duty cycle yang diinginkan. Duty cycle dari PWM dapat dinyatakan

sebagai:

= 100% (2.19)

Duty cycle 100% berarti sinyal tegangan pengatur sistem dilewatkan

seluruhnya. Jika tegangan catu 100V, maka keluaran dari sistem akan mendapat

tegangan 100V. pada duty cycle 50%, tegangan pada sistem hanya akan

diberikan 50% dari total tegangan yang ada, begitu seterusnya.


44/110

28

Gambar 2.16Duty CyclepadaTegangan[18]

Perhitungan Pengontrolan tegangan output sistem dengan metode PWM

cukup sederhana.

Gambar 2.17 Perhitungan Pengontolan Tegangan[18]

Dengan menghitung duty cycle yang diberikan, akan didapat tegangan

outputyang dihasilkan. Sesuai dengan rumus yang telah dijelaskan pada gambar

yaitu.

= (2.20)

Verage voltage merupakan teganganoutputpada motor yang dikontrol oleh sinyal

PWM. a adalah nilai duty cycle saat kondisi sinyal on. b adalah nilai duty

cycle saat kondisi sinyal off. Vfull adalah tegangan maximum pada motor.

Dengan menggunakan rumus diatas, maka akan didapatkan tegangan output

sesuai dengan sinyal kontrolPWMyang dibangkitkan [18].


45/110

29

2.9 Relay

Relay adalah saklar mekanik yang dikendalikan atau dikontrol secara

elektronik (elektromagnetik). Saklar padarelay akan terjadi perubahan posisiOFF

keONpada saat diberikan energi elektromagnetik padarelay tersebut.Relaypada

dasarnya terdiri dari 2 bagian utama yaitu saklar mekanik dan sistem pembangkit

elektromagnetik (induktor inti besi). saklar atau kontaktor relay dikendalikan

menggunakan tegangan listrik yang diberikan ke induktor pembangkit magnet

untuk menarik armatur tuas saklar atau kontaktorrelay.Relay yang ada dipasaran

terdapat berbagai bentuk dan ukuran dengan tegangan kerja dan jumlah saklar

yang bervariasi [23].

Relay dibutuhkan dalam rangkaian elektronika sebagaieksekutorsekaligus

interface antara beban dan sistem kendali elektronik yang berbeda sistem power

supply nya. Secara fisik antara saklar atau kontaktor denganelektromagnetik relay

terpisah sehingga antara beban dan sistem control terpisah. Bagain utamarelay

elektromagnetik adalah kumparan elektromagnetik, saklar atau kontaktor, swing

armature, danspring pegas [23].

Dari konstruksirelay elektromekanik diatas dapat diuraikan sistem kerja

atau proses relay bekerja. Pada saat elektromagnet tidak diberikan sumber

tegangan maka tidak ada medan magnet yang menarikarmature, sehingga saklar

relay tetap terhubung ke terminal NC (Normally Close) seperti terlihat pada

gambar konstruksi dibawah. Kemudian pada saat elektromagnet diberikan sumber

tegangan maka terdapat medan magnet yang menarikarmature, sehingga saklar

relay terhubung ke terminal NO (Normally Open) seperti terlihat pada gambar

dibawah [23]

Gambar 2.18Relay PosisiNormally Open dan Normally Close[23]


46/110

30

Relay elektromekanik memiliki kondisi saklar atau kontaktor dalam 3

posisi. Ketiga posisi saklar atau kontaktorrelay ini akan berubah pada saatrelay

mendapat tegangan sumber pada elektromagnetnya[23].

1. PosisiNormally Open (NO), yaitu posisi saklar relay yang terhubung ke

terminal NO (Normally Open). Kondisi ini akan terjadi pada saat relay

mendapat tegangan sumber pada elektromagnetnya.

2. PosisiNormally Colse (NC), yaitu posisi saklarrelay yang terhubung ke

terminal NC (Normally Close). Kondisi ini terjadi pada saat relay tidak

mendapat tegangan sumber padaelektromagnetnya.

3. PosisiChange Over (CO), yaitu kondisi perubahan armatur saklarrelay

yang berubah dari posisi NC ke NO atau sebaliknya dari NO ke NC.

Kondisi ini terjadi saat sumber tegangan diberikan ke elektromagnetatau

saat sumber tegangan diputus darielektromagnet relay.

Relay dapat digunakan untuk mengontrol motor AC dengan rangkaian

kontrol DC atau beban lain dengan sumber tegangan yang berbeda antara

tegangan rangkaian kontrol dan tegangan beban. Diantara aplikasi relay yang

dapat ditemui diantaranya adalah.

Relay sebagaikontrol ON/OFbeban dengan sumber tegang berbeda.

Relay sebagaiselektoratau pemilih hubungan.

Relay sebagaieksekutorrangkaiandelay (tunda).

Relay sebagaiprotektor atau pemutus arus pada kondisi tertentu

Berikut ini adalah gambar relay yang digunakan dalam sistem ini yang

mempunyai tipeHRS2Hdengan tegangan 12V[10].

Gambar 2.19Relay kaki 8[10]


47/110

BAB 3

PERANCANGAN DAN CARA KERJA SISTEM

Bab 3 menjelaskan tentang perancangan dan cara kerja sistem yang

menjabarkan prosedur dari perangkathardware (mekanik dan rangkaian) serta

software (program) pada Rancang Bangun Sistem Efisiensi SelPeltierBerbasis

Mikrokontroler

3.1 Sistem Mekanik

Sistem ini dirancang dengan menggunakan teknologi termoelektrik.

Dimana Teknologi ini diterapkan untuk memanfaatkan energi listrik yang

terbuang oleh mesin. Sistem ini menggunakan selPeltieryang akan dimanfaatkan

sebagai penghasil energi listrik. Sel Peltierbekerja ketika terjadi perbedaan

temperatur diantara ujung-ujung sel dan menghasilkan arus listrik.. Sistem

mekanik dapat dilihat pada blok diagram dibawah ini.

Gambar 3.1 Blok Diagram sistem


48/110

32

Penjelasan diatas sudah diketahui bahwa sistem ini menggunakan sel

Peltier, dengan tujuan berapa besar nilai efisiensi yang dihasil kan oleh sel

Peltier. Dengan kata lain nilai efisiensi dari sel Peltier =

yaitu

perbandingan antara nilai energi listrik(E) keluaran dari selPeltierdengan nilai

input dari Sistem pemanas atau perubahan panas dari sistem pemanas ( ).

Berikut ini merupakan penjelasan dan fungsi dari masing-masing gambar 3.1.

Sel Peltier mempunyai dua sisi yang berbeda yaitu sisi panas dan sisi

dingin. Ketika sistem pemanas dinyalakan arus akan melewati beberapa resistor

(R) sehingga suhu dari permukaan selPeltierakan berubah, perubahan suhu pada

sistem pemanas akan dibaca oleh sensor suhu DS1820 yang dihubungkan pada

mikrokontroler. Kemudian daya (P) sistem pemanas akan diukur dengan

menggunakan R total dari Heater dan variabel tegangan dengan menggunakan

ADC. Sedangkan sistem pendingin dihubungkan dengan sisi dingin sel Peltier,

suhu pada sistem pendingin akan dijaga konstan yang dibaca oleh sensor suhu

DS1820. SelPeltierbekerja ketika terjadi beda temperatur sehingga menghasilkan

arus listrik. Semua data yang terukur akan dibaca oleh mikrokontroler melalui

RS232 pada PC yang ditampilkan pada LCD dan program monitoring LabVIEW.

3.2 Perancangan Mekanik

Dalam Perancangan mekanik meliputi tiga perancangan mekanik yaitu

perancangan sistem, perancangan mekanik sistem pemanas, perancangan mekanik

sistem pendingin.

3.2.1 Blok Sistem

Pada gambar 3.2 merupakan gambar keseluruhan mekanik sistem. Desain

pertama yang dilakukan membuat kotak dengan bahan dasar yang terbuat dari

kaca dengan ketebalan 5 milimeter, panjang 50cm, tinggi 15cm dan lebar 15cm

sehingga sistem ini berbentuk persegi panjang.


49/110

33

Gambar 3.2 Blok Perancangan mekanik sistem

Gambar 3.3 Perancangan tampak depan perancangan sistem

Pada gambar 3.2 terlihat sistem mempunyai dua bagian. Bagian sistem

pertama merupakan tempat sirkulasi air es yang berisikan selang dan pompa air

sedangkan bagian sistem kedua tempat meletakkan sistem pemanas, sistem

pendingin, dan selPeltier. Perancangan sistem ini disertai dengan tiga sensor suhu

(Ds1820) yang diletakkan pada sistem pemanas, sistem pendingin dan suhu pada

sistem (lingkungan). Dimana perancangan sistem ini akan dihubungkan dengan

rangkaian elektronika, power supply dan variabel tegangan yang akan

dikendalikan oleh mikrokontroler.

Sedangkan pada gambar 3.3 merupakan perancangan mekanik 3 dimensi

yang didalamnya terdapat sistem pemanas dan sistem pendingin serta sel Peltier.

sistem ini akan dikendalikan oleh rangkaian elektronika dan mikrokontroler.

Dimana nantinya output dari sistem ini akan dimonitoring monitoring komputer

dengan menggunakansoftware LabVIEW dan ditampilkan pada teks LCD.


50/110

34

3.2.2 Sistem Pendingin.

Mekanik sistem pendingin didesain dengan menggunakan bahan dasar

plat. Plat ini mempunyai ukuran dengan ketebalan 2 cm, lebar 12,1cm dan

panjang 10,3 cm. Ketebelan plat ini berfungsi sebagai aliran air yang terhubung

dengan pipa didalam plat tersebut. Ukuran pipa untuk mekanik sistem pendingin

yaitu 6,5 cm dengan diameter 0,2 cm. Pipa tersebut dihubungkan dengan selang

air, dimana pompa air sebagai pengendali air. Terjadinya aliran air didalam plat

bertujuan agar suhu pada sistem pendingin dijaga konstan.

Gambar 3.4 Sistem pendingin

Pada gambar 3.4 mekanik sistem pendingin dihubungkan pada sisi dingin

sel Peltier. Dibawah ini merupakan gambar perancangan mekanik sistem

pendingin dengan dua buah pipa yang sudah didesain dan siap digunakan dalam

penelitian ini.

Gambar 3.5 Mekanik pada sistem pendingin


51/110

35

3.2.3 Sistem Pemanas

Untuk sistem pemanas di desain sama seperti sistem pendingin dengan

ukuran plat alumanium panjang 10,3cm dan lebar 12,1 cm. namun perbedaan

perancangan sistem pemanas yaitu pada ketebalan platnya 0,5cm. Pemanas

(Heater) diletakkan ditengah-tengah plat alumanium sehingga panas yang

dihasilkan heater akan menyebar kepermukaan plat alumanium.

Gambar 3.6 Perancangan mekanik sistem pemanas

Heater yang digunakan adalah enam resistor keramik yang dipasang

secara parallel dihubungkan dengan daya listrik. Dimana fungsi dari sistem

pemanas adalah untuk mengalirkan aliran arus pada sisi panas selPeltiersehingga

selPeltierakan menghasilkan output berupa tegangan.

3.3 Rangkaian Elektronika

Pada sistem ini diperlukan perangkat hardware rangkaian elektronika

dimana rangkaian elektronika ini nantinya akan menjalankan sistem dari

perancangan mekanik sistem. Rangkaian elektronika merupakan gabungan

komponen-komponen listrik dan komponen elektronik lainnya. Dibawah ini akan

dijelaskan fungsi dari masing-masing rangkaian elektronika yang digunakan

dalam pembuatan sistem ini.

3.3.1 Rangkaian Pengendali Nilai Hambatan Pada SelPeltier

Untuk mengetahui nilai Efisiensi selPeltiermaka ada baiknya mengetahui

nilai hambatan yang digunakan. Dalam hal ini nilai hambatan yang digunakan


52/110

36

adalah 4 buah resistor 0 , 1, 2, dan 4. Variasi nilai hambatan bertujuan

agar mendapatkan perbandingan nilai efisiensi selPeltier.

Gambar 3.7 Rangkaian pengendali nilai hambatan pada selPeltier

Empat buah resistor dihubungkan dengan on off relay. Dimana Relay

dihubungkan dengan diode 4007 yang berfungsi sebagai penyearah(rectifier) dan

tegangan positif +V dari mikrokontroler. Diode terhubung pada transistor ke kaki

kolektor, kaki basis dihubungkan dengan resistor dan emitter langsung ke GND.

Transistor berfungsi untuk menguatkan arus yang masuk sehingga dapat

menggerakkan relay dan resistor sebagai pembagi tegangan yang terhubunglangsung ke mikrokontroler.

Pada penelitian ini hambatan pada sel Peltier akan dikendalikan oleh

mikrokontroler dengan menggunakan prinsip kerja dari relay. Hambatan yang

diubah-ubah pada selPeltierbertujuan membandingkan hasil efisiensi dariouput

Sel Peltier seberapa besar efisiensi dari perbedaan hambatan tersebut. Ketika

relay diberikan logika 0001 maka mikrokontroler akan memberi perintah pada

input S1 dengan hambatan 0,5 yang merupakan relay akan mati (off). Sedangkan

S1

R21 0 R22 1 R23 2 R24 4

S2 S3 S4

D1 4007 D24007 D3 4007 D44007

T8

BC547

T9

BC547

R29

2K7

R26

2K7

T10

BC547

T11

BC547

R27

2K7

R28

2K7

GND GND GND

+V +V

12

J7

CELL

S1 S2 S3 S4


53/110

37

untuk perintah relay on ketika relay diberikan logika 0010 yang berarti 2 sehingga

mikrokontroler akan memerintahkan input S2 aktif dengan demikian nilai

hambatan akan terukur yang nantinya akan menjadi fungsi pembagi tegangan sel

Peltier. Dalam hal ini relay akan aktif ketika diberikan logika dengan nilai genap

sedangkan ketika diberi logika nilai ganjil maka relay akan mati (off). Selanjutnya

untuk mengaktifkan input S3 dan S4 nilai hambatan pada sel Peltier akan diberi

perintah dari mikrokontroler sesuai dengan nilai logika genap.

3.3.2 Rangkaian Sensor Temperatur

Sensor suhu yang digunakan adalah sensor suhu DS1820. Sensor suhu Ds

1820 ini dikeluarkan oles Dallas Semiconductor yang bisa membaca dengan

menggunakan protokol komunikasi satu wire. DS1820 memiliki tiga pin yang

terdiri dari +5, DQ (Data input/output) dan Ground. Perangcangan rangkaian

sensor suhu dapat dilihat dari gambar berikut.

Gambar 3.8 Rangkaian 1-wire DS1820

Untuk mengukur suhu pada sistem diperlukan tiga buah sensor suhu, yang

diletakkan pada sistem pemanas, sistem pendingin dan keseluruhan sistem. Sensor

suhu ini langsung dihubungkan ke mikrokontroler dengan 3 pin yaitu VCC, Data

dan GND. Fungsi dari sensor DS1 untuk mengukur suhu pada sistem pemanas

yang akan diukur ketika sistem pemanas bekerja sehingga sensor akan mendeteksi

suhu pada sistem pemanas, sedangkan DS2 dihubungkan dengan sistem pendingin

yang nantinya suhu akan dijaga konstan dan DS3 berfungsi sebagai mengukur

suhu ruangan atau pada sistem.

3.3.3 Rangkaian Power Supply

Rangkaian elektronika membutuhkan power supply, dimana power supply

yang dibutuhkan mempunyai fungsi masing-masing. Power supply yang

digunakan dalam pembuatan sistem ini adalah 5 Volt, 12 Volt dan 15 Volt.


54/110

38

3.3.3.1 RangkaianPower Supply 5V

Rangkaian 3.9 ini digunakan sebagai sumber tegangan mikrokontroler

dengan sumber tegangan 5V AC. Rangkaian ini menggunakan dioda bridge

sebagai penyearah tegangan dari input Ac trafo menjadi tegangan DC.

Gambar 3.9 Rangkaianpower supply (5V)

Dari input terminal blok J1 Arus akan mengalir dan melewati kapasitor.

Fungsi kapasitor disini sebagai filter kemudian Resistor berfungsi untuk

mengurangi arus. Semakin besar tegangan, maka arus yang keluar tidak terlalu

besar (kecil) dan resistor yang digunakan harus lebih besar, jadi semakin besar

resistor maka semakin kecil nilai arus yang diberikan sehingga transistor aktif.

Transistor berfungsi sebagai penguat dan IC 7812 berfungsi sebagai regulator

sehingga tegangan berubah menjadi 5VDC yang terhubung pada ouput J2,

kemudian J2 akan dihubungkan dengan mikrokontroler.


Rangkaian power supply 12V digunakan sebagai sumber tegangan yang

terhubung dengan sistem pemanas. Sumber tegangan ini mempunyai daya 120

Watt dengan arus 10 Ampere.

Gambar 3.10 Rangkaianpower supply 12V

+

C2

4700u

F

R1 47

T1

TIP2955

Vin1

GND

2

+6V 3

IC1

7805

C3330nF

+C4

100uF

12

J2

+

C1

4700u

F

12

J1AC

AC

V+

V-

D15A

V

0V

+4700uFC2

+4700uFC1

+100uFC4

GND12V

Vin1

GND

2

Vout 3

IC 7812

12

J1

330nFC3

47

R1

TIP2955T1

12

J2

12

J3

12VGND

AC1 +

AC2

-

D1BRIDGE


55/110

39

Perancangan rangkaianpower supply 12 Volt menggunakan diodabridge

sebagai penyearah tegangan dari input Ac trafo menjadi tegangan DC. Pada

rangkaian terdapat beberapa kapasitor yang berfungsi sebagai filter sehingga

ouput tegangannya akan menjadi stabil. Transistor sebagai penguat arus yang

terhubung dengan IC 7812 yang berfungsi sebagairegulatorpenghasil tegangan

12VDC yang terhubung langsung ke GND.


Rangkaian ini merupakan sumber tegangan pada rangkaian pengkondisian

signal yaituinstrumentasi amplifierdengan keluaran tegangan 15Volt.

Gambar 3.11 Rangkaianpower supply 15V

Rangkaian ini menggunakan dioda bridge sebagai penyearah tegangan dari

input Ac trafo menjadi tegangan DC. J3 merupakan input dari power supply

dengan 3kaki, kaki 1 dan 3 terhubung dengan trafo yang menyebabkan tegangan

AC berubah menjadi tegangan DC. Sedangkan kaki 2 langsung terhubung dengan

J4 ouput. Kapasitor pada rangkaian berfungsi sebagai filter sehingga tegangan

yang melewati kapasitor akan ditampung terlebih dahulu kemudian resistor pada

rangkaian berfungsi untuk mengurangi arus yang masuk atau sebagai hambatan.

AC

AC

V+

V-

D26A

+

C5

4700uF

+

C6

4700uF

12

3

J3

R2 47Vin1

GND

2

+15V3

IC27815

Vin2

GND

1

-15V3

IC37915

R3 47

T2

TIP2955

T3

TIP3055

C7330nF

+C9

100uF

C8330nF

+C10

100uF

123

J4


56/110

40

Sehingga transitor akan aktif dan menjadi saturasi dari fungsinya kapasitor

sebagai penguat yang dihubungkan dengan IC 7815 sebagai regulator +15VDC

sedangkan IC 7915 berfungsi sebagai regulator tegangan -15VDC. Kemudian

ouput J4 dihubungkan denganinstrumentasi amplifier.

3.3.4 Rangkaian Penguat AD620

Gambar 3.12 Rangkaian penguat (AD620)

Pada Sel Peltier, keluaran differensial sensor ini, diinputkan ke tahap

penguatan, dalam hal ini dikarenakan keluaran tegangan dari sel peltier sangat

kecil yaitu sekitar 0.99mV sampai 1.79mV. AD620 akan dihubungkan dengan

mikrokontroler, mikrokontroler hanya dapat membaca tegangan antara 0V

sampai 5V sehingga dibutuhkan penguatan 100x. Keluaran dari penguataan

AD620 ini difilter terlebih dahulu sebelum diberi input ke pin adc darimikrokontroler.

3.3.5 Rangkaian PWM untuk Variabel Tegangan padaHeater

PWM atau Pulse Width Modulation merupakan suatu teknik yang

digunakan unuk mengontrol kerja suatu alat yang memerlukan arus pull in yang

besar untuk menghindari disipasi daya yang berlebihan dari alat byang dikontrol,

atau untuk menghasilkan variabeloutputtegangan DC. Pada penelitian ini PWM

10K10K

10K10K

Vref

+Vs -Vs

24.7K

24.7K

2

1

8

3

7 5 4

6

IC7

AD620

C10 104 C11 104

+VS GND -VS

VR4

50K

12

J1

R25

2K7

+

C12

106

GND

1

2

J2


57/110

41

digunakan untuk mengatur sumber daya padaHeatersehingga dapat mendeteksi

tingkat panasnya heater yang diatur oleh signal PWM dengan persentase duty

cycle yang diberikan.

Gambar 3.13 Rangkaian PWM untuk variabel tegangan pada heater

Rangkaian diatas merupakan rangkaian perancangan pwm untuk

mengendali tegangan pada heater. Rangkaian ini dihubungkan dengan heater

dengan tujuan untuk memberikan signal input berupa PWM sehingga signal pwm

akan masuk pada input rangkaian pengendali tegangan padaheater.Supply heater

yang digunakan pada sistem ini mempunyai daya 120 watt yang berfungsi sebagai

aktuator yang memberikan daya panas pada sel Peltier. Ketiga signal PWM

masuk kerangkaian signal tersebut akan dideteksi oleh osiloskop, apakah keluaran

signal tersebut berbentuk gelombang kotak atau tidak. Ternyata input signal PWM

terdeteksi dengan keluaran berupa gelombang kotak sehingga signal tersebut

masuk kekaki basis pada transistor BC547 yang berfungsi untuk menguatkan arus

IN+IN-

BC

E

IC1 4N28

R3 10K

T2

Documents

Digital 20353137 S45675 Rancang Bangun