universitas indonesia rancang bangun sistem...

UNIVERSITAS INDONESIA

RANCANG BANGUN SISTEM PENGUKUR EFISIENSI SELPELTIER BERBASIS MIKROKONTROLER

SKRIPSI

SHEPTA DH

1006806702

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

PROGRAM STUDI FISIKA EKSTENSI

DEPOKDESEMBER 2012

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

UNIVERSITAS INDONESIA

RANCANG BANGUN SISTEM PENGUKUR EFISIENSI SELPELTIER 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

DEPOKDESEMBER 2012


ii

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


iii

HALAMAN PENGESAHAN

Skripsi ini diajukan oleh :Nama : Shepta DhNPM : 1006806702Program Studi : Fisika InstrumentasiJudul Skripsi : Rancang Bangun Sistem Pengukur Efisiensi Sel

Peltier Berbasis Mikrokontroler

Telah berhasil dipertahankan di hadapan Dewan Penguji dan diterimasebagai bagian persyaratan yang diperlukan untuk memperoleh gelar untukmemeperoleh gelar Sarjana Sains pada Program Studi FisikaInstrumentasi 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


iv

KATA PENGANTAR

Alhamdulillahirobbil’alamin, 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 Do’a 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 pada

Fakultas 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 Do’a 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 do’a,

dukungan dan selalu mensupport saya hingga selesai.


v

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 doa’nya.

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


viiUniversitas Indonesia

ABSTRAK

Nama : Shepta DhProgram Studi : Fisika InstrumentasiJudul : Rancang Bangun Sistem Pengukur Efisiensi Sel Peltier

Berbasis Mikrokontroler

Sistem pengukur efisiensi sel Peltier berbasis mikrokontroler telah selesai

dibuat. Sistem ini menggunakan prinsip kerja dari efek Seebeck dan efek Peltier.

Dalam hal ini diterapkan teknologi termoelektrik dengan menggunakan bahan

semikonduktor yaitu Sel Peltier. Sel Peltier akan 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 text dan monitoring komputer

dengan menggunakan software LabVIEW. Berdasarkan hasil penelitian bahwa

nilai efisiensi yang terukur merupakan hasil perbandingan antara daya output sel

Peltier dan daya input heater.

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

Peltier,


viiiUniversitas Indonesia

ABSTRACT

Name : Shepta DhStudy Program : Physics InstrumentationTitle : Design of Microcontroller-based Peltier Cell Efficiency

Measurement System

The Efficiency Measurement System of Peltier Cell Based onMicrocontroller has been designed. The system uses Seebeck effect and Peltiereffect principles that is implemented by semiconductor-based thermoelectrictechnology. Peltier cell will work, that is generating electrical current, when theend plates of Peltier cell have a temperature difference. This sistem usescontrollable 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 entiresystem is connected to a computer using RS232 communication cable. Allmeasurement results acquaired by the system will be displayed on LCD text andmonitoring computer using LabVIEW program. According to the conductedexperiment,the measured efficiency which is the ratio of Peltier cell output powerand heater input power, depends on the Peltier cell temperature difference.

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


ixUniversitas Indonesia

DAFTAR ISI

HalamanHALAMAN JUDUL .............................................................................................. iHALAMAN PERNYATAAN ORISINALITAS ................................................... iiHALAMAN PENGESAHAN .............................................................................. iiiKATA PENGANTAR .......................................................................................... ivLEMBAR PERSETUJUAN PUBLIKASI KARYA ILMIAH.............................viiABSTRAK............................................................................................................viiDAFTAR ISI......................................................................................................... ixDAFTAR GAMBAR ............................................................................................xiiDAFTAR TABEL.............................................................................................. xivDAFTAR PERSAMAAN.....................................................................................xvDAFTAR LAMPIRAN...................................................................................... xxiv

BAB 1 : PENDAHULUAN................................................................................... 11.1 Latar Belakang ................................................................................ 11.2 Tujuan Penelitian ............................................................................ 41.3 Deskripsi Singkat ............................................................................ 41.4 Batasan Masalah ............................................................................. 61.5 Metode Penelitian ........................................................................... 61.6 Sistematika Penelitian ..................................................................... 7

BAB 2 : TEORI DASAR ...................................................................................... 92.1 Efek Seebeck................................................................................... 92.2 Efek Peltier....................................................................................102.3 Sel Peltier ......................................................................................112.4 Perpindahan Panas ........................................................................14

2.4.1 Konduksi ..............................................................................152.3.1.1 Konduktivitas Termal ......................................................162.4.2 Konveksi ..............................................................................162.4.3 Radiasi .................................................................................17

2.5 Daya Listrik ..................................................................................182.6 Efisiensi.........................................................................................20

2.6.1 Actual Efficiency .................................................................202.6.2 Carnot Efficiency.................................................................212.6.3 Adjusted Efficiency .............................................................22

2.7 Sensor Temperatur ........................................................................232.8 Pulse Width Modulation ...............................................................242.9 Relay .............................................................................................29

BAB 3 : PERANCANGAN DAN CARA KERJA SISTEM............................313.1 Sistem Mekanik ............................................................................313.2 Perancangan Mekanik ...................................................................32

3.2.1 Blok sistem ..........................................................................323.2.2 Sistem Pendingin .................................................................343.2.3 Sistem Pemanas ...................................................................35

3.3 Rangkaian Elektronika..................................................................353.3.1 Rangkaian Pengendali Nilai Hambatan Pada Sel Peltier ....35


xUniversitas Indonesia

3.3.2 Rangkaian Sensor Temperatur .............................................373.3.3 Rangkaian Power Supply.....................................................37

3.3.5.1 Rangkaian Power Supply 5V...................................383.3.5.2 Rangkaian Power Supply 12V.................................383.3.5.3 Rangkaian Power Supply 15V.................................39

3.3.4 Rangkaian Penguat AD620..................................................403.3.5 Rangkaian PWM untuk Variabel Tegangan Pada Heater....403.3.6 Rangkaian Mikrokontroler AT Mega 16 .............................44

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

BAB 4 : HASIL EKSPERIMEN DAN ANALISA DATA...............................514.1 Data ADC Heater ......................................................................................514.2 Data Pengujian Nilai Pwm terhadap Tegangan (V)..................................544.3 Data Nilai Hambatan Pada Heater ............................................................564.4 Data Sensor Temperatur Ds1820 terhadap Termometer...........................574.5 Pengambilan Data Efisiensi Sel Peltier.....................................................58

4.5.1 PengujianDaya Sel Peltier dengan Variabel nilai Hambatan ..........584.5.1.1 Pengujian Sistem Pengukur Daya pada Nilai R (1.7Ω dan 6.3Ω) 584.5.2 Perhitungan Efisiensi Sel Peltier Dengan Beberapa Metode ...........60

BAB 5 : KESIMPULAN DAN SARAN ............................................................645.1 Kesimpulan ...............................................................................................645.2 Saran .........................................................................................................65DAFTAR REFERENSI ..................................................................................66LAMPIRAN....................................................................................................


xiUniversitas Indonesia

DAFTAR GAMBARHalaman

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

Gambar 2.1 Thomas Johan Seebeck dan Eksperimen efek Seebeck...................... 9

Gambar 2.2 Eksperimen Rangkaian dari Efek Seebeck ......................................... 9

Gambar 2.3 Jean Charles Athanese Peltier dan Eksperimen efek Peltier ..........10

Gambar 2.4 Eksperimen Rangkaian dari Efek Peltier .........................................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 Cycle PWM ...........................................................................25

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

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

Gambar 2.16 Duty Cycle Pada 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


xiiUniversitas Indonesia

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


xiiiUniversitas Indonesia

DAFTAR TABELHalaman

Tabel 2.1 Periodik Untuk Elemen Semikonduktor ..............................................12Tabel 2.2 Spesifikasi Sel Peltier ..........................................................................14Tabel 4.1 Data ADC Heater.................................................................................51Tabel 4.2 Nilai PWM Terhadap Tegangan Heater ..............................................54Tabel 4.3 Data Nilai Hambatan Pada Heater .......................................................56Tabel 4.4 Data sistem Pengukur Daya (R=1,7Ω) ................................................59Tabel 4.5 Data sistem Pengukur Daya (R=6.3Ω) ................................................59Tabel 4.6 Data sistem Pengukur Daya (R=0 Ω) ..................................................59Tabel 4.7 Data Hasil Efisiensi Sel Peltier (R=1,7Ω) ...........................................60Tabel 4.8 Data Hasil Efisiensi Sel Peltier (R=6.3Ω) ...........................................60Tabel 4.9 Data Hasil Efisiensi Arus dan r dalam Sel Peltier ..............................63


xivUniversitas Indonesia

DAFTAR PERSAMAANHalaman

Persamaan 2.1 .......................................................................................................10Persamaan 2.2 .......................................................................................................10Persamaan 2.3 .......................................................................................................11Persamaan 2.4 .......................................................................................................15Persamaan 2.5 .......................................................................................................16Persamaan 2.6 .......................................................................................................17Persamaan 2.7 .......................................................................................................17Persamaan 2.8 .......................................................................................................18Persamaan 2.9 .......................................................................................................19Persamaan 2.10 .....................................................................................................19Persamaan 2.11 .....................................................................................................19Persamaan 2.12 .....................................................................................................20Persamaan 2.13 .....................................................................................................21Persamaan 2.14 .....................................................................................................21Persamaan 2.15 .....................................................................................................22Persamaan 2.16 .....................................................................................................22Persamaan 2.17 .....................................................................................................22Persamaan 2.18 .....................................................................................................27Persamaan 2.19 .....................................................................................................27Persamaan 2.20 .....................................................................................................28Persamaan 4.1 .......................................................................................................52Persamaan 4.2 .......................................................................................................52Persamaan 4.3 .......................................................................................................52Persamaan 4.4 .......................................................................................................52Persamaan 4.5 .......................................................................................................54Persamaan 4.6 .......................................................................................................54


xvUniversitas Indonesia

DAFTAR LAMPIRAN

Lampiran 1 Program BascomLampiran 2 Data sistemLampiran 3 DataSheet Sel PeltierLampiran 4 DataSheet AD620


1Universitas Indonesia

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 sel Peltier

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 para

ilmuwan Indonesia juga berusaha memanfaatkan energi surya dengan membuat

sel surya atau sel photovoltaic (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 ke–19. Penemuan tersebut tentu saja tidak lepas dari peran


2

Universitas Indonesia

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 panas

itu belum bisa dimanfaatkan.

Pada tahun 1821, Thomas Johann Seebeck melakukan 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. Menurut Ampere, terdefleksinya jarum kompas tersebut


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,

penemuan Seebeck 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.

Penemuan Seebeck dan Peltier merupakan 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 dikonsumsi

mesin. 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


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 sel Peltier dimanfaatkan sebagai penghasil energi listrik,

dimana sel Peltier akan mengubah energi panas menjadi energi listrik. Sel Peltier

mempunyai dua sisi yang berbeda yaitu sisi panas dan sisi dingin. Sisi panas sel

Peltier akan 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

Peltier dihubungkan 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 sel Peltier sehingga

sel Peltier akan menghasilkan arus dan suhu pada sistem pemanas akan


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 sel Peltier. Dalam hal ini sistem pemanas yang terhubung dengan sel Peltier

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 sel Peltier dan hasil perubahan

panas ( ) sehingga dapat menghasilkan efisiensi sel Peltier = ∆ . Semua

data yang diperoleh akan dibaca oleh mikrokontroler dan akan ditampilkan oleh

LCD dan PC.


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 (Δ ), sehingga dapat mengukur efisiensi dari

sel Peltier = ∆ .

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.


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 Sistem

Pada 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.


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.



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 bernama Thomas Johan Seebeck melakukan

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 2.1 Thomas Johan Seebeck dan eksperimen efek Seebeck[14].

Gambar 2.2 Eksperimen Rangkaian dari efek Seebeck [13].


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 BT 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 efek Seebeck. 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 efek Peltier[21].

Gambar 2.3 Jean Charles Athanese Peltier dan Eksperimen efek Peltier[14].

Gambar 2.4 Eksperimen Rangkaian dari efek Peltier [13]


11


= (Π ) = (Π − Π ) × (2.3)

Keterangan :Q atau Q ∶ aliran panas (J)Π dan Π ∶ koefisien PeltierI ∶ arus yang mengalir (A)

2.3 Sel Peltier

Pada abad ke 19 tahun 1834 Jeans Charles Athanase Peltier menemukan

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 hukum Ohm. Tahun 1909 dan 1911 ilmuwan lainnya yaitu Altenkirch

menunjukkan bahwa bahan termoelektrik pendingin membutuhkan koefisien

Seebeck yang tinggi [22].

Gambar 2.5 Skematik Sel Peltier [22]

Konsep dasar dari sel peltier yaitu efek Seebeck dan efek Peltier, 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 Sel Peltier [21].


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.


13


Gambar 2.7 Ikatan Kovalen [Piranti_Semikonduktor.Pdf]

Semikonduktor ektrinsik merupakan semikonduktor tidak murni dimana

terjadi penambahan elektron. Proses penambahan disebut Doping untuk

mendapatkan 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 sel Peltier yang mempunyai 12V

dan 14,5 W.


14


Gambar 2.9 Ukuran Sel Peltier [9]

Agar bisa mengetahui karakteristik dari sel Peltier maka tabel dibawah ini

menjelaskan panas maksimum dan suhu maksimum. Kemudian input dari

tegangan maksimum dan arus maksimum serta resistansi dari elemen atau sel

Peltier tersebut.

Tabel 2.2 Spesifikasi Sel Peltier [9]

No Keterangan Simbol ukuran Kondisi

1 Temperatur Maksimum T 2002 Dingin Maksimum 33 Temperatur Ruang

Th = 303 Perubahan temperatur

maksimum

∆ 68 Temperatur Ruang

Th = 304 Input tegangan maksimum 15,4 Temperatur Ruang

Th = 305 Arus maksimum 3,0 Temperatur Ruang

Th = 306 Resistansi R 3,2-3,5 Temperatur Batas

Th = 257 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


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 ilmuan Count 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. Menurut

hokum 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)


16


k = konduktivitas atau kehantaran termal (watt/meter)

A = luas penampang (m )

= perubahan suhu terhadap perubahan posisi (ºC/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 (ºC/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 Newton pada

tahun 1701 perpindahan panas secara konveksi dapat menggunakan persamaan

berikut ini [3].


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 energi radian dan dalam bentuk gelombang elektromagnet.

Gelombang ini bergerak secepat cahaya dan dapat melewati ruang hampa serta

melalui udara. Energi radian 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)σ : konstanta Stefen-Boltzmann (5,67x10 ) K


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 hukum Ohm

apabila arus yang melalui konduktor logam sebanding dengan tegangan, akan

tetapi R konstan [2]. Hubungan antara arus, tegangan dan hambatan dapat

dinyatakan sebagai berikut. = (2.8)

Dimana:

R : hambatan (Ω)

V : Tegangan (Volt)

I : Arus Listrik (A)


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 muatan Q yang bergerak melintasi

beda potensial sebesar V sehingga perubahan tersebut ditulis Q. Jadi persamaan

matematika dalam menghitung daya (P).Ρ = (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 (Ω)


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 menjadi W. 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 dan

efisiensi 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].


21


= (2.13)

Dimana :η : Efisiensi

W : 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 dengan

menggunakan persamaan (2.10) oleh karena itu, efisiensi yang sebenarnya dapat

dihitung dengan menggunakan persamaan berikut [16].= (2.14)

Dimana :η : EfisiensiP : 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 satuan Kelvin. 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


22


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

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

Dengan persamaan dibawah ini maka efisiensi Carnot dapat dihitung sebagai

berikut. = (2.15)

Dimana:: Efisiensi Carnot.

: 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 :

: Efisiensi AdjustedP ′ : Daya Kerja Sel Peltier ke Dua (W)P ′ : Daya heater ke Dua (W)

: Arus Sel Peltier (A)

: Hambatan di Dalam Sel Peltier (Ω)P : Daya Heater ada hambatan (W)P ( ) : Daya Heater Tanpa hambatan (W)


23


V : Output Tegangan Sel Peltier Ada Hambatan (V)V : Output Tegangan Sel Peltier tanpa hambatan (V)

: Hambatan Luar Sel Peltier (Ω)

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 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.

Gambar 2.11 Pin Konfigurasi DS1820 [Datasheet DS1820.Pdf]

DS1820 mempunyai keunggulan yaitu data yang dikeluarkan berupa data

digital dengan ketelitian 0.5ºC 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 -55ºC sampai 125ºC dengan keakuratan data dari -10ºC sampai 85ºC,

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

sampai 800ms [8].


24


2.8 Pulse Width Modulation (PWM)

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 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

pada power supply, setiap perubahan PWM nya dipengaruhi oleh besarnya power

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 keluaran PWM ini 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 variabel ON dan OFF.

Parameter PWM dimana mempunyai tiga bagian periode, frekuensi dan

waktu. Periode (T) merupakan durasi waktu dari satu siklus PWM. Sedangkan

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

satuan Hertz. Lebar pulsa adalah waktu selama satu siklus PWM adalah ”ON”,

dan apabila tidak ON maka logika tinggi atau logika rendah tergantung pada

aplikasi yang digunakan. Gambar 2.13 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 untuk ON sementara 1 menunjukkan t=T atau selalu ON [12].


25


Gambar 2.12 Parameter PWM High Time [12].

Gambar 2.13 merupakan pemodulasian sinyal yang beragam untuk

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

Gambar 2.13 Duty Cycle PWM [17].

Proses pembangkitan signal PWM pada mikrokontroler ATMEGA 16 ada 2

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

berfungsi sebagai output. Sedangkan kedua signal PWM ditrigger pada program

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

digital dapat dikendalikan dengan menentukan periode ON dan Off pada register

gelombang PWM [6]


26


Gambar 2.14 Pengaturan PWM pada ATMEGA [18]

Resolusi adalah jumlah variasi perubahan nilai dalam PWM tersebut.

Misalkan suatu PWM memiliki resolusi 8 bit berarti PWM 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 PWM diset

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) maka PWM

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)

dari Clear Down pada keluaran logikanya [18].


27


Gambar 2.15 Compare Duty Cycle[18]

Prescale digunakan untuk menentukan waktu perioda dari pada PWM.

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

diset 64 berarti timer/PWM akan menghitung 1 kali bila clock di CPU sudah 64

kali, Clock CPU adalah clok mikrokontroler itu sendiri. Perioda dari PWM dapat

dihitung menggunakan rumus:= × × (2.18)

Setting prescale disini digunakan untuk mendapatkan frekuensi dan

periode kerja PWM sesuai 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 suatu PWM akan

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.


28


Gambar 2.16 Duty Cycle pada Tegangan [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

output yang dihasilkan. Sesuai dengan rumus yang telah dijelaskan pada gambar

yaitu. = × (2.20)

Verage voltage merupakan tegangan output pada 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 kontrol PWM yang dibangkitkan [18].


29


2.9 Relay

Relay adalah saklar mekanik yang dikendalikan atau dikontrol secara

elektronik (elektromagnetik). Saklar pada relay akan terjadi perubahan posisi OFF

ke ON pada saat diberikan energi elektromagnetik pada relay tersebut. Relay pada

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 kontaktor relay. Relay yang ada dipasaran

terdapat berbagai bentuk dan ukuran dengan tegangan kerja dan jumlah saklar

yang bervariasi [23].

Relay dibutuhkan dalam rangkaian elektronika sebagai eksekutor sekaligus

interface antara beban dan sistem kendali elektronik yang berbeda sistem power

supply nya. Secara fisik antara saklar atau kontaktor dengan elektromagnetik relay

terpisah sehingga antara beban dan sistem control terpisah. Bagain utama relay

elektromagnetik adalah kumparan elektromagnetik, saklar atau kontaktor, swing

armature, dan spring pegas [23].

Dari konstruksi relay elektromekanik diatas dapat diuraikan sistem kerja

atau proses relay bekerja. Pada saat elektromagnet tidak diberikan sumber

tegangan maka tidak ada medan magnet yang menarik armature, 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 menarik armature, sehingga saklar

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

dibawah [23]

Gambar 2.18 Relay Posisi Normally Open dan Normally Close [23]


30


Relay elektromekanik memiliki kondisi saklar atau kontaktor dalam 3

posisi. Ketiga posisi saklar atau kontaktor relay ini akan berubah pada saat relay

mendapat tegangan sumber pada elektromagnetnya[23].

1. Posisi Normally 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. Posisi Normally Colse (NC), yaitu posisi saklar relay yang terhubung ke

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

mendapat tegangan sumber pada elektromagnetnya.

3. Posisi Change Over (CO), yaitu kondisi perubahan armatur saklar relay

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

Kondisi ini terjadi saat sumber tegangan diberikan ke elektromagnet atau

saat sumber tegangan diputus dari elektromagnet 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 sebagai kontrol ON/OF beban dengan sumber tegang berbeda.

Relay sebagai selektor atau pemilih hubungan.

Relay sebagai eksekutor rangkaian delay (tunda).

Relay sebagai protektor atau pemutus arus pada kondisi tertentu

Berikut ini adalah gambar relay yang digunakan dalam sistem ini yang

mempunyai tipe HRS2H dengan tegangan 12V [10].

Gambar 2.19 Relay kaki 8[10]



BAB 3

PERANCANGAN DAN CARA KERJA SISTEM

Bab 3 menjelaskan tentang perancangan dan cara kerja sistem yang

menjabarkan prosedur dari perangkat hardware (mekanik dan rangkaian) serta

software (program) pada “Rancang Bangun Sistem Efisiensi Sel Peltier Berbasis

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 sel Peltier yang akan dimanfaatkan

sebagai penghasil energi listrik. Sel Peltier bekerja 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


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 sel Peltier dengan nilai

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

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 sel Peltier akan 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. Sel Peltier bekerja 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.


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 sel Peltier. 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 menggunakan software LabVIEW dan ditampilkan pada teks LCD.


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


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 sel Peltier sehingga

sel Peltier akan 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 Sel Peltier

Untuk mengetahui nilai Efisiensi sel Peltier maka ada baiknya mengetahui

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


36


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

agar mendapatkan perbandingan nilai efisiensi sel Peltier.

Gambar 3.7 Rangkaian pengendali nilai hambatan pada sel Peltier

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 terhubung

langsung ke mikrokontroler.

Pada penelitian ini hambatan pada sel Peltier akan dikendalikan oleh

mikrokontroler dengan menggunakan prinsip kerja dari relay. Hambatan yang

diubah-ubah pada sel Peltier bertujuan membandingkan hasil efisiensi dari ouput

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

BC547R

292K

7

R26

2K7

T10

BC547

T11

BC547

R27

2K7

R28

2K7

GND GND GND

+V +V

12

J7

CELL

S1 S2 S3 S4


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.


38


3.3.3.1 Rangkaian Power 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 Rangkaian power 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 Rangkaian power supply 12V

1 2 3 4

A

B

C

D

4321

D

C

B

A

+

C2

4700

uF

R1 47

T1

TIP2955

Vin1

GN

D2

+6V3

IC17805

C3330nF

+C4

100uF

12

J2

+

C1

4700

uF

12

J1 AC

AC

V+

V-

D15A

V

0V

1 2 3 4 5 6

A

B

C

D

654321

D

C

B

A

Title

Number RevisionSize

B

Date: 30-Sep-2012 Sheet ofFile: D:\FILE KULIAH\FILE S1\SKRIPSI\buat skripsi\Efisiensi Lampu.DdbDrawn By:

+4700uFC2

+4700uFC1

+ 100uFC4

GND12V

Vin1

GN

D2

Vout3

IC 7812

12

J1

330nFC3

47

R1

TIP2955T1

12

J2

12

J3

12VGND

AC

1 +

AC

2

-

D1BRIDGE


39


Perancangan rangkaian power supply 12 Volt menggunakan dioda bridge

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 sebagai regulator penghasil tegangan

12VDC yang terhubung langsung ke GND.


Rangkaian ini merupakan sumber tegangan pada rangkaian pengkondisian

signal yaitu instrumentasi amplifier dengan keluaran tegangan 15Volt.

Gambar 3.11 Rangkaian power 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.

1 2 3 4

A

B

C

D

4321

D

C

B

A

+

C247

00uF

R1 47

T1

TIP2955

Vin1

GN

D2

+6V 3

IC17812

C3330nF

+C4

100uF

12

J2

+C1

4700

uF12

J1 AC

AC

V+

V-

D16A

9V

0V

AC

AC

V+

V-

D26A

+

C547

00uF

+

C647

00uF

123

J3

R2 47Vin1

GN

D2

+15V 3

IC27815

Vin2

GN

D1

-15V 3

IC37915

R3 47

T2

TIP2955

T3

TIP3055

C7330nF

+C9

100uF

C8330nF

+C10

100uF

123

J4


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 dengan instrumentasi 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 dari

mikrokontroler.

3.3.5 Rangkaian PWM untuk Variabel Tegangan pada Heater

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 variabel output tegangan DC. Pada penelitian ini PWM

1 2 3 4 5 6

A

B

C

D

654321

D

C

B

A

Title

Number RevisionSize

B

Date: 4-Oct-2012 Sheet ofFile: D:\FILE KULIAH\FILE S1\SKRIPSI\OK\SHEPTA.ddbDrawn By:

10K10K

10K10K

Vref

+Vs -Vs

24.7K

24.7K

2

1

8

3

7 5 4

6

IC7AD620

C10 104 C11 104

+VS GND -VS

VR4

50K

12

J1

R25

2K7

+

C12

106

GND

12

J2


41


digunakan untuk mengatur sumber daya pada Heater sehingga 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 pada heater. 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-

BCE

IC1 4N28

R3 10K

T2

BC547

R4 1K

T3BC

547

+12V

0V

R2 220

T1

BC547

R1 10K

+

C110

7V

R15K

IC2A

TL082

C2 104

C3 104

+15V

-15V

0V

0V

R510

0K

R6 100K

R7 1K

T4

TIP122R8 470/2W

T5TIP142

R910

0K

R10 100K

IC2B

TL082R11 1K

T6TIP122 R12 470/2W

T7TIP142

12

J2

123

J3

-15V

+15V

Iin5

Io4

VCC1

GND2

OUT3

IC3

Iin5

Io4

VCC1

GND2

OUT3

IC4

0V123

J4

VCC

GND

I1

GND

I2

VCC

VCC

PWM

GND


42


input kemudian dibaca oleh colektor pada kaki BC547 dan langsung terhubung

dengan IC optocoupler dengan tipe 4N28.

Gambar 3.14 Input Signal PWM

IC tersebut berfungsi sebagai pemisah antara rangkaian digital dengan

power arus kecil dan rangkaian analog dengan power arus besar. Pada rangkaian

diatas terdapat R sebagai nilai impedansi atau pembagi hambatan saja. Sedangkan

transistor BC547 berfungsi untuk menguatkan arusdari input, VR1 pada

potensiometer dengan nilainya sebesar 5K berfungsi untuk mengatur besarnya

nilai input dari signal PWM yang nantinya dapat mengendalikan tegangan heater.

kapasitor pada rangkaian diatas berfungsi digunakan untuk menstabilkan tegangan

keluaran pada rangkaian sebelum masuk ke adc. Untuk supplay heater

dihubungkan pada input J2 sebesar 0V-12V.

Rangkaian op-amp diatas pada gambar 3.13 memiliki dua masukan dan

satu keluaran serta memiliki penguatan DC yang tinggi. Untuk dapat bekerja

dengan baik rangkaian op-amp diatas memerlukan tegangan catu yang simetris

yaitu tegangan +15V dan tegangan -15V terhadap ground. Untuk rangkaian op-

amp diatas menggunakan IC TL082 yang berfungsi sebagai schmitt tgigger yang

merupakan komparator regeneratif yang berfungsi sebagai pembanding dengan

umpan balik positif. Pada dasarnya schmit trigger adalah komparator dengan 2

nilai pembanding (upper trip point/UTP dan lower trip point/LTP). Sistem kerja

dari rangkaian diatas adalah signal masukan dari PWM masukke schmitt trigger,

pada saat logika 1 maka ouput schmitt trigger juga 1 dan apabila signal mendapat

gangguan noise sehingga level menjadi turun maka selama levelnya masih diatas


43


LTP, output akan tetap. Akan tetapi bila signal dalam logika rendah, pada saat

signal mendapat noise dan level jadi naik, selama level tidak melebihi UTP maka

ouput akan tetap. Jadi schimitt trigger akan menghilangkan pengaruh dari noise.

Dalam suatu rangkaian penguatan ada hambatan yang masuk yaitu pada

R5, R6, R9, dan R10 hal ini bertujuan akan signal masukan tidak terbebani terlalu

besar. Semakin besar hambatan masukan pada suatu penguatan maka semakin

baik juga penguatan tersebut dalam menguatkan signal masukan yang

amplitudonya nanti sangat kecil. Untuk hambatan keluaran (output resistance)

dari rangkaian pada gambar 3.14 diatas berfungsi sebagai pembangkit signal,

dalam hal ini keluaran akan 0 bila tidak ada beban yang masuk pada rankaian op-

amp diatas, akan tetapi rangkaian op-amp diatas dihubungkan dengan sensor arus

dan beban berupa heater, sehingga ouput akan terhubung pada J4. Ouput yang

dihasilkan pada heater berupa tegangan semakin besar signal masukan pada input

PWM maka semakin besar pula output yang keluar pada tegangan heater sehingga

heater akan menjadi panas.


44


3.3.6 Rangkaian Mikrokontroler ATmega16

Gambar 3.15 Rangkaian mikrokontroler ATMEGA161 2 3 4

A

B

C

D

4321

D

C

B

A

PB.0/(XCK/T0)1

PB.1/(T1)2PB.2/(INT2/AIN0)3

PB.3/(OC0/AIN1)4PB.4/(SS)5

PB.5/(MOSI)6PB.6/(MISO)7

PB.7/(SCK)8

(ADC0)/PA.040

(ADC1)/PA.1 39

(ADC2)/PA.238

(ADC3)/PA.3 37

(ADC4)/PA.436

(ADC5)/PA.5 35

(ADC6)/PA.634

(ADC7)/PA.7 33

(SCL)/PC.0 22

(SDA)/PC.123

(TCK)/PC.224

(TMS)/PC.325

(TDO)/PC.426

(TDI)/PC.527

(TOSC1)/PC.628

(TOSC2)/PC.729

(RXD)/PD.014

(TXD)/PD.115

(INT0)/PD.216

(INT1)/PD.317

(OC1B)/PD.418

(OC1A)/PD.519

(ICP)/PD.620

(OC2)/PD.721XTAL113

XTAL212

VCC10

AVCC30

AREF32

AGND31

RST9

GND11

IC1ATMEGA16

X111MHz

C1 30

C2 30

C4 104

L1 10uH

C3 104

RSTVCC

+C5 106 R1 4K7

RST

MOSI1LED3

RST5SCK7

MISO9

VCC2

GND4

GND6

GND8

GND10

J1 ISP AVRMOSI

RSTSCKMISO

GND

VCC

GND

VCC

TX1in11

TX2in10

RX1out12

RX2out9

TX1out 14

TX2out 7

RX1in 13

RX2in 8

C1+1

C1-3

C2+4

C2-5

VS+ 2

VS- 6

IC2MAX232

C6105

C7105

C8105

C9105

TXD

RXD1

RX1

TX

RXD2 TX

TXD RX2

MOSI

SCKMISO

TXDRXD

Vin

GND

+5V

IC3

7805

C10 334

+

C11 106

R2 47

T1

TIP

2955

+12V

RSEDB4DB5DB6DB7

S1

PWMAPWMBPUMP

S2S3

GND

S4

R3 220AL

GND

123456789

10111213141516

LCD

VCCGND

VORSGNDE

DB4DB5DB6DB7

GNDAL

+12V

123456

J2

RXD1

RXD2

RX1

RX2RXDRX

123

J3

GNDRXTX

I1V1I2V2SELT1T2T3

12

J4

GND+12V

123

J5

PWMA

PWMBPWM

1 23 45 67 89 1011 1213 1415 1617 1819 20

J6

I1V1I2V2SELT1

T2

T3GND

+12VVCC

S1S2S3S4

PWMPUMP

VR1

5K

VCC

GND

VO


45


Mikrokontroler merupakan sistem keseluruhan computer yang didalamnya

sudah terdapat mikroprosesor, I/O, memori ADC akan tetapi mikroprosesor

berfungsi sebagai yang memproses data. Mikrokontroler AVR (Alf and Vegard’s

Risc processor) mempunyai arsitektur 8bit untuk instruksi dikemas dalam kode

16-bit dan 1 clock atau disebut RISC (Reduced Instruction Set Computing)

merupakan instruksi yang dieksekusi. Dalam hal ini mikrokontroler

dikelompokkan pada beberapa kelas, yaitu keluarga AT90Sxx, keluarga ATMega

dan AT86RFxx, akan tetapi yang membedakan setiap jenis mikrokontrolernya

adalah kapasitas memori, fungsi masing-masing tipe dan peripheral. Sedangkan

untuk instruksi dan arsitektur masing-masing tipe hampir sama.

Dalam penelitian ini menggunakan rangkaian minimum system (minsys)

dengan tipe IC ATMEGA16 yang berfungsi mengubah signal analog menjadi

signal digital. Rangkaian ini akan memproses data dari PC sehingga dapat

melakukan perhitungan untuk rangkaian pengendali hambatan pada sel Peltier,

pengendali suhu, pengendali heater, dan penghasil pulsa (PWM). IC

mikrokontroler juga mempunyai 40 pin dengan 32 pin I/O, 16 kbyte flash memori

sehingga mikrokontroler mampu menyimpan instruksi dengan kapasitas yang

cukup besar. Dalam mikrokontroler memiliki 1 cycle yang dapat mencapai 16

MHz sehingga mikrokontroler dapat melakukan instruksi dalam waktu cepat.

Didalam rangkaian minimum sistem ini terdapat frekuensi osilator crystal

(x-tal) 11 MHz yang berfungsi untuk membangkitkan frekuensi tinggi, maksud

dari frekuensi tinggi adalah kecepatan operasi ada mikrokontroler terdeteksi oleh

adanya pulsa sehingga kristal dapat mendeteksi adanya pulsa yang dibentuk oleh

rangkaian pembangkit pulsa yaitu osilator kristal. pada gambar 3.15 terdapat

supply mirokontroler sebesar 5Volt yang terdapat IC regulator 7805 yang

berfungsi sebagai menstabilkan tegangan. Supply tersebut masuk apabila diberi

tegangan dari computer atau dari power supply 5Volt pada gambar 3.15.

Dalam Rangkaian ini terdapat ISP AVR yang berfungsi untuk

mengdownload program dari PC. Dan rangkaian ini memiliki IC Max232 yang

berfungsi sebagai mengubah level keluaran tegangan.

Rangkaian pada gambar diatas memiliki J2, J3, J4, J5 dan J6 yang

memiliki masing-masing fungsi. J2 sebagai jumper untuk Rx, Rx1, Rx2 dan RxD,


46


RxD1, RxD3 yang dihubungkan secara seri dengan masing-masing tipe, misalnya

Rx dengan Rx1 atau RxD dengan Rx2. Selanjutnya untuk J3 berfungsi sebagai

penghubung kaki kabel serial ke PC, sedangkan J4 sebagai Power supply 12volt

akan tetapi yang terbaca oleh mikrokontroler hanya 5volt saja. Kemudian untuk J5

sebagai output dari keluaran PWM sedangkan J6 sebagai komunikasi antara

mikrokontroler dengan rangkaian penendali heater, pengendali hambatan sel

Peltier dan pengendali suhu.

Pada rangkaian diatas terdapat Port di kaki Atmega16 yang

memilikimasing-masing fungsi. PortA berfungsi sebagai data ADC pada sel

Peltier dan Suhu, yang didalam portnya terbagi lagi menjadi 7 bagian yaitu PA.0,

PA.1, PA.2, PA.3 dan PA.4 berfungsi sebagai data ADC dari tegangan dan arus

sel Peltier. Sedangkan PA.5, PA.6 dan PA.7 berfungsi sebagai data ADC dari 3

suhu input dari DS. Kemudian pada portC berfungsi sebagai input untuk LCD

sedangkan PD.4 berfungsi sebagai input dari pengendali PWM. Untuk port B

berfungsi sebagai input (relay), PB.0 sampai PB.3 yaitu fungsi dari input s1, s2, s3

dan s4. Sedangkan PB.5 adalah MOSI, PB.6 adalah MISO, PB.7 adalah SCK

yang berfungsi sebagai input dari downloader.

3.4 Perancangan Software Sistem

Pada Gambar 3.16 merupakan flowchart monitoring program Bascom.

Langkah awal menjalankan program ketika program distart atau mulai maka

program akan terlebih dahulu menginisalisasi sistem sehingga program

menjalankan program stars timer 1 dan start ADC tidak ada data yang dikirim

program akan langsung menjalankan perintah pilih sensor temperatur kemudian

LCD akan menampilkan jumlah sensor suhu yang digunakan. Kemudian perintah

memasukkan data data power dan menunggu nilai Resistor pada Port B

selanjutnya program akan mengubah power dalam perhitungan, bila ya program

akan menjalankan perintah selanjutnya akan tetapi bila tidak (No) program akan

kembali memasukkan data. Kemudian ketika ya maka perintah memasukkan nilai

resistor dan tunggu, bila ya akan menjalankan perintah selanjutnya bila no

perintah akan kembali meminta masukkan nilai resistor.


47


Data resistor masuk maka sensor suhu akan mereset dan meng input ke

1wire dengan waktu 900 ms, selanjutnya temperatur 1 hingga 3 akan

menampilkan data suhu yang terukur.

Start

InisialisasiSistem

Start Timer1Start ADC

Pilih Sensor

Input Data seri = “*”Data Power = Nilai input

Power_flag = 0Get_data_flag = 0

Tunggu “:”

Pilih Nilai ResistorPort B = Nilai Resistor

Konversi Data Power+

Perhitungan

Pwm1a = Data PowerPwm1b = Data Power

Data Resistor =Nilai Input

Y

N

Tunggu “#”

Y

N

Reset 1wireMasukkan Input ke 1wire

Tunggu 900 ms

Perhitungan NilaiTemperatur 1





Konversi Data PowerHeater

+Perhitungan

Konversi DataTegangan Peltier

+Perhitungan

Nilai Resistor =Nilai Input

Input Data Seri =“G”

Kirim Data Temperatur1-3Kirim Data Power HeaterKirim Data Power Peltier

Kirim Data Tegangan Peltier

Gambar 3.16 flowchart monitoring pada software Bascom

END


48


Kemudian data power heater dan data sel peltier danlangsung di hitung ,

sehingga perintah selanjutnya data akan dikirim ke mikrokontroler melalui kabel

serial Rs232 yang akan dimonitoring oleh komputer pada software LabVIEW.

Setelah data terkirim, perintah akan kembali bila yam aka perintah selanjutnya

adalah meminta memasukkan nilai resistor, jika tidak perintah akan berhenti.

Pada gambar 3.17 merupakan flowchart monitoring komputer pada

software LabView. Perintah pertama pada start atau memulai program, kemudian

program meginisialisasi kemudian mengatur metode apa yang digunakan pada

komputer yang akan memonitoring program. Setelah metode dipilih lalu mengatur

nilai resistansi dan power heater yang diberikan. Perintah selanjutnya program

akan memulai mengambil data (start) bila ya akan tetapi bila tidak program tidak

akan menjalankan perintah selanjutnya. Kemudian perintah selanjutnya dijalankan

maka akan mengirim data dan dibaca, selanjutnya data dikonversi. Data efisiensi

akan ditampilkan dan grafiknya pun terlihat pada monitoring program pada

software LabView. Kemudian program distop dan disimpan kedalam bentuk excel

atau dalam format .xls. Setelah menyimpan data program monitoring selesai.


49


NO NO

YES

NO

YES

Gambar 3.17 Flowchart monitoring pada software LabView

INISIALISASI

SET EFFICIENCYMETHODE

SET RESISTANCESET POWER HEATER

BACA TH, TC, TE,

KONVERSI

STOP

END

START

START

SIMPANDATA

DISPLAY EFISIENSISEL PELTIERDISPLAY GRAFIK


50


Gambar 3.18 Front Panel monitor pada software LabView

Gambar 3.19 Blok Diagram monitor pada software LabView



BAB 4

HASIL EKSPERIMEN DAN ANALISA DATA

Bab ini akan membahas tentang hasil eksperimen dari penelitian dengan

membandingkan teori dan konsep pada sel Peltier. Hasil penelitian ini diperoleh

dari rangkaian sistem yang sudah dijelaskan pada bab 3 serta pengujian dan

penganalisaan rangkaian alat untuk keseluruhan sistem, hal ini bertujuan agar

rangkaian dari sistem bekerja dengan baik. Sehingga dapat memperoleh data

dengan benar.

4.1 Data ADC Heater

ADC merupakan suatu piranti yang dirancang untuk mengubah sinyal –

sinyal analog menjadi bentuk sinyal digital atau dapat pula disimpulkan ADC ini

dapat merubah nilai suatu masukan yang berupa tegangan listrik dalam voltase

atau sinyal analog lainnya menjadi keluaran berupa nilai digital. Untuk

menghasilkan pengkonversian tegangan yang baik ada kalanya sistem ini harus

dikalibrasi, yaitu mencari hubungan antara tegangan analog dengan nilai ADC

nya. Referensi tegangan yang digunakan pada program ADC internal yaitu

dengan maksimal nilai tegangan 255.

Tabel 4.1 data ADC (Heater)

No

Nilai

ADC 1

Nilai

ADC 3

Input V1

(Volt)

Input V2

(Volt)

1 164 173 0.37 0.42

2 185 232 0.74 0.95

3 312 472 1.16 1.38

4 473 584 1.51 1.68

5 594 754 1.79 1.88

6 774 823 1.94 2.02

7 889 896 2.04 2.12

8 911 910 2.14 2.2

9 979 942 2.26 2.28

10 1006 967 2.34 2.38

11 1016 1005 2.36 2.4


52


Pada pengambilan data ADC diperoleh hasil seperti tabel diatas. Tabel

tersebut perbandingan antara tegangan (V) dan ADC. Deri data diatas

menunjukkan bahwa nilai adc akan semakin meningkat ketika tegangan diatur-

atur, dari nilai terendah sampai nilai maksimum. Hal ini menunjukkan data nila

ADC bila dibandingkan secara teori sesuai. Dapat dilihat dari persamaan konversi

nilai ADC .

(4.1)

Menurut teori ADC memerlukan daya sebesar 5 Volt pada pin Vcc (Vref)

dan GND dihubungkan dengan ground, dengan Vref = ½ Vcc. Biasanya Vref

bernilai 2.56 V, dari beberapa indikasi yang dimiliki oleh ADC kita dapat

mengetahui berapa tegangan (V) yang dibutuhkan oleh ADC untuk menaikan 1

byte. Persamaan untuk mengetahui resolusi pada ADC sebagai berikut.

(4.2)

Selanjutnya data diatas diplot grafik yang bertujuan untuk kalibrasi nilai

ADC terhadap tegangan. Sehingga dapat disimpulkan semakin tinggi tegangan

dari maka nilai ADC yang terukur akan semakin meningkat hingga mencapai nilai

maksimum ADC yaitu 1023. Kemudian dari grafik tersebut diperoleh suatu fungsi

transfers dari grafik.

(4.3)

y = 0.0021x + 0.3043 (4.4)

Dimana :

y = Fungsi Tegangan (Volt)

x = Nilai Konversi ADC


53


Hasil kalibrasi nilai ADC ini nantinya akan digunakan untuk

mengkonversi nilai ADC dari perhitungan daya sistem pemanas yang akan diukur

tegangan serta tegangan sel Peltier pada sistem akusisi data dari Labview.

Gambar 4.1 Grafik ADC (1) terhadap tegangan (V)

Gambar 4.2 Grafik ADC(2) terhadap tegangan (V)


54


4.2 Data Pengujian Nilai PWM Terhadap Tegangan (Volt)

Dalam hal ini PWM berperan penting dalam sistem ini hal ini dikarena

PWM merupakan input dari sistem pemanas, yang nantinya berfungsi sebagai

pengendali tegangan pada heater. Pengambilan data pada PWM dimulai dengan

mengkalibrasi nilai PWM yang masuk ke mikrikontroler yang bertujuan agar

signal PWM masuk ke rangkaian pengendali tegangan sehingga heater akan

panas. Dari kalibrasi tersebut diperoleh data Nilai PWM terhadap tegangan (Volt)

sebagai berikut.Tabel 4.2 Nilai PWM terhadap tegangan heater

No

Nilai

PWM

V1(V)

Heater

V2(V)

Heater

1 100 1.7 1.51

2 200 3.76 3.36

3 300 5.05 4.76

4 400 5.95 5.76

5 500 6.57 6.47

6 600 7.05 6.96

7 700 7.46 7.39

8 800 7.87 7.81

9 900 8.27 8.31

10 1000 8.87 8.93

11 1023 9 9.04

Data diatas merupakan hasil perbandingan antara nilai PWM terhadap

tegangan heater (V). Tegangan yang terukur dari keluaran heater disesuaikan

dengan tegangan input dari heater yaitu 12V. Sehingga ketika nilai PWM diatur

hingga maksimal 1023 maka nilai tegangan akan maksimal dari tegangan input.

Kemudian dari data tersebut dibuat grafik untuk mendapatkan fungsi

transfersnya, kemudian fungsi transfer ini sebagai pengkalibrasian dari pwm

terhadap tegangan yang sebenarnya (Realnya).

y = 0.0067x + 2.5022 (4.5)

y = 0.0072x + 2.1492 (4.6)


55


Dimana:

y = Tegangan Heater V1 (Volt) dan V2 (Volt)

X = Nilai PWM

Gambar 4.3 Grafik nilai PWM terhadap tegangan (V) heater

Gambar 4.4 Grafik nilai PWM terhadap tegangan (V) Heater

Dari grafik diatas maka dapat disimpulkan mendekati linier hal ini

disebabkan adanya gangguan noise dari luar. Akan tetapi dilihat dari data cukup

linier.


56


4.3 Data Nilai Hambatan pada Heater

Heater berfungsi sebagai sistem pemanas yang dihubungkan pada sisi

panas sel Peltier. Pada heater dibutuhkan nilai hambatan yang terukur sehingga

heater akan dikalibrasi dengan menggunakan suhu yang terukur. Nilai suhu

maksimal yang digunakan 90˚C, kemudian nilai hambatan yang terukur akan

diukur setiap penurunan suhu tiap 10˚C. Sehingga dapat diperoleh nilai hambatan

heater dengan menghitung nilai rata-rata dari keluaran hambatannya.

Tabel 4.3 Data nilai hambatan pada heater

No T˚C R (Ω)

1 90 2.6

2 80 2.4

3 70 2.2

4 60 2.1

5 50 2.1

6 40 2.1

7 30 2.1

Rata-rata 2.228571 2.2(Ω)

Dari data diatas diperoleh hasil perbandingan antara nilai hambatan pada

heater dan suhu dari 30 ˚C sampai 90 ˚C setiap penurunan 10 ˚C, dengan nilai

hambatan rata-rata yaitu 2.2 Ω. Menurut teori nilai hambatan yan terukur tidak

akan jauh dengan nilai hambatan yang digunakan nilainya tidak akan jauh dengan

nilai hambatan yang terukur.


57


Grafik 4.5 Nilai Hambatan Pada Heater Terhadap Suhu

Grafik diatas merupakan grafik nilai hambatan yang terukur, sehingga niai

tersebut mendekati garis linier.

4.4 Data Sensor Temperatur Ds1820 Terhadap Thermometer

Untuk menggunakan sensor temperatur diperlukan adanya kalibrasi sensor

dimana sensor tersebut akan mendeteksi adanya perubahan suhu yang terjadi pada

sistem. Data sensor suhu ini diambil pada saat sensor tersebut dihubungkan

dengan sistem pendingin dan sistem pemanas. Suhu pada sistem pendingin dijaga

konstan sedangkan suhu pada sistem pemanas (Heater) akan meningkat. Suhu

panas akan meningkat tergantung output dari tegangan heater yang dikendalikan

oleh input signal PWM. Sehingga semakin tinggi tegangan pada heater akan

semakin tinggi pula suhu yang akan dideteksi oleh sensor DS1820. Dibawah ini

merupakan hasil kalibrasi Ds1820 yang dibandingkan dengan setiap kenaikan

suhu pada alat ukur (termometer).


58


Gambar 4.6 Grafik DS1820 terhadap termometer

4.5 Pengambilan Data Efisiensi Sel Peltier

Pengkuran sistem pengukur efisiensi sel Peltier berbasis mikrokontroler

dilakukan dengan menggunakan perbedaan suhu sehingga sel Peltier

menghasilkan tegangan. Pengujian sistem ini dilakukan dengan beberapa metode

pengukuran. Metode-metode tersebut dapat dilihat pada subbab berikut ini.

4.5.1 Pengujian Daya Sel Peltier Dengan Variabel nilai Hambatan

Untuk mengetahui nilai tegangan yang terukur pada sel Peltier maka

dibutuhkan nilai resistance yang dipasang pada rangkaian pengendali nilai resistan

yang bertujuan untuk menghitung daya yang keluar pada sel Peltier. Data dibawah

ini merupakan hasil pengukuran nilai daya heater dan daya Peltier yang terukur

serta suhu dan tegangan Peltier.

4.5.1.1 Pengujian Sistem Pengukur Daya pada nilai R (1,7 Ω) dan R(6.3Ω)

Pengujian alat ini dilakukan ketika sistem pemanas dan sistem pendingin

sudah terdeteksi suhu sehingga Pengambilan data dilakukan dengan mengatur

tegangan pada heater atau pwm dalam % kemudian suhu panas (TH) akan

bertambah ketika nilai tegangan pada heater sudah diatur dari 5V sampai 10V.

suhu dingin diatur konstan (TC) dan suhu lingkungan (TE) berfungsi sebagai

suhu pendeteksi perubahan didalam sistem. Tegangan sel Peltier yang terukur mV


59


sehingga satuan daya Peltier yang terukur (µW). Untuk melakukan perhitungan

daya pada sel Peltier dan Daya Heater maka digunakan persamaan (2.11). Berikut

ini adalah hasil dari pengujian sistem pengukur daya pada Sel Peltier.

R=1.7 ΩTabel 4.4 Data Sistem Pengukur Daya (R=1,7Ω)

V(V) TC (˚K) TE (˚K) TH ( K) (mV) Ph (W) Pp (µW)

5 4.4 14 8.5 3 11.36 5.3

6 4.5 15 15 6 16.36 2.2

7 4.5 15 20.5 1,2 22.27 8.5

8 4.5 17 31.5 1,6 29.09 1.5

9 4.5 18 40 2,2 36.81 2.5

10 4.5 20.5 54.5 3 45.45 2.8

R= 6.3 ΩTabel 4.5 Data Sistem Pengukur Daya (R=6,3Ω)

V(V) TC ( K) TE (˚K) TH (˚K) (mV) Ph (W) Pp (µW)

5 8.5 20.5 22.5 3 11.36 1.4

6 8.5 20.5 24 4 16.36 2.5

7 8.5 21 28.5 5 22.27 3.9

8 8.5 21 30.5 7 29.09 7.8

9 8.5 21.5 42 1,4 36.82 3.1

10 8.5 22 56 4,8 45.45 3.7

R =0, W=0Tabel 4.6 Data Sistem Pengukur Daya (R=0 Ω)

(V) TC( K) TE( K) TH(˚K) (mV)

5 4.5 21.5 33.5 0.09

6 4.5 21.5 40 0.11

7 5 22.5 49 0.18

8 4.5 23 54 0.21

9 5.5 24 62.5 0.25

10 8.5 27 71.5 0.31


60


4.5.2 Perhitungan Efisiensi Sel Peltier Dengan Beberapa Metode

Perhitungan efisiensi sel Peltier menggunakan metode Carnot, Metode

Actual dan metode Adjusted. Perhitungan metode Carnot dan Actual diperoleh

dari hasil pengukuran daya sel Peltier dan langsung dicari efisiensinya sedangkan

metode adjusted dilakukan dengan mengukur tegangan Peltier yang tidak

menggunakan r (no load). Sehingga untuk data efisiensi sel Peltier dapat dilihat

pada table dibawah ini.

Tabel 4.7 Data Sistem Pengukur Efisiensi Sel Peltier

R=1,7 Ω

Efisiensi Carnot

R=1,7 Ω

Efisiensi Actual

R=1,7 Ω dan R=0 Ω

Efisiensi Adjusted

0,48 4.65 8,7

0,7 1,29 6,4

0,78 3,8 8,2

0,85 5,17 7,2

0,88 6,39 7

0,9 6,26 6,8

Tabel 4.8 Data Sistem Pengukur Efisiensi Sel Peltier

R=6,3 Ω

Efisiensi Carnot

R=6,3 Ω

Efisiensi Actual

R=6.3 Ω dan R=0 Ω

Efisiensi Adjusted

0.62 1,25 x 8,75

0.64 1,55 6,44

0.7 1,78 x 8,18

0.72 2,67 7,2

0.79 8,44 7

0.84 8 6,8


61


Gambar 4.7 Pengujian efisiensi metode Carnot

Gambar 4.8 Pengujian efisiensi pada metode actual


62


Gambar 4.9 Pengujian efisiensi pada metode adjusted

Dari data pengujian sistem pengukur efisiensi sel Peltier dilakukan dengan

mengatur tegangan dari heater, mengatur metode apa yang diberikan dan

mengatur nilai resistansinya. Sehingga semakin besar daya heater yang diberikan

maka akan semakin cepat juga suhu mendeteksi. Akan tetapi perubahan suhu

perlu dilakukan dengan waktu yang agak lama sehingga tegangan pada sel Peltier

akan meningkat. Dari data suhu dingin diatur dengan pengaliran air es didalam

plat aluminium secara terus menerus, akan tetapi ketika aliran air tidak stabil

maka suhu pada sistem pendingin berubah 0.5˚C. Sedangkan Tegangan Peltier

yang keluar selalu mengikuti perubahan suhu.

Pengukuran dan pengambilan data dilakukan pada suhu yang tidak

berubah, kemudian pada daya heater mengikuti tegangan yang diberikan oleh

variabel tegagan dan langsung dibagi dengan nilai Rtotal dari nilai hambatan

heater. Sedangkan daya Peltier diperoleh dari perhitungan antara Tegangan yang

keluar dari sel Peltier dibagi dengan nilai R pada variabel nilai resistansi. Berikut

ini adalah data nilai r sel Peltier , arus I (A) yang terukur pada sel Pelteir dan

Heater, dengan menggunakan variabel R=1,7Ω dan R=6,3 Ω.


63


Tabel 4.9 Data Sistem Pengukur r di dalam Sel Peltier

R=1.7 Ω

(mV) Ω (mA) (A)

0.09948 5635.5 1.76 x 2.272727

0.10539 2984.35 3.53 x 2.727273

0.18213 2578.475 7.06 x 3.181818

0.20962 2225.5125 9.4 x 3.636364

0.25806 1992.4 0.000129412 4.090909

0.31079 1759.443333 0.000176471 4.545455

R=6.3Ω

(mV) Ω (mA) (A)

0.09948 20884.5 4.76 x 2.272727

0.10539 16592.63 6.35 x 2.727273

0.18213 22942.08 7.94 x 3.181818

0.20962 18859.5 1.11 x 3.636364

0.25806 11606.4 2.22 x 4.090909

0.31079 4072.819 7.62 x 4.545455

Dari beberapa data diperoleh nilai efisiensi dengan beberapa metode yang

sudah terukur, dimana hasil tersebut sudah sesuai dengan teori efek Seebeck yaitu

ketika terjadi beda temperatur maka terjadi beda potensial listrik dan sesuai

dengan teori dari efek Peltier yatu kebalikan dari efek Seebeck dimana ketika

terjadi beda temperatur akan mengakibatkan terjadinya arus listik. Hal ini

menunjukkan bahwa teknologi termoelektrik bisa dijadikan sebagai alternatif

untuk energi cadangan dimasa mendatang, akan keluaran tetapi energi listrik atau

daya dari sel Peltier masih sangat kecil sehingga efisiensi yang diperoleh juga

kecil. Hal yang dapat dilakukan nantinya untuk Pengukuran sel Peltier yang lebih

besar digunakan cara untuk menghasilkan energi yang lebih besar. Jadi teknologi

termoelektrik ini akan berguna untuk memanfaatkan panas yang terbuang dari

mesin yang bisa diubah menjadi energi listrik.



BAB 5

SIMPULAN DAN SARAN

Bab ini merupakan kesimpulan dari hasil yang diperoleh dalam pengujian

sistem dan pengambilan data. Selain kesimpulan, bab ini juga memuat kritik dan

saran dengan tujuan adanya pengembangan lebih lanjut dari penelitian ini dan

nantinya akan berguna bagi orang-orang yang membacanya.

5.1 Simpulan

Berdasarkan hasil pengujian sistem dan data hasil penelitian sistem efisiensi

sel Peltier, maka dapat ditarik beberapa kesimpulan bahwa :

1. Semakin besar input variabel tegangan (PWM) yang diberikan pada sistem

pemanas maka suhu sistem pemanas akan meningkat seiring dengan

meningkatnya nilai variabel tegangan yang diberikan.

2. Nilai tegangan sel Peltier akan terukur ketika suhu temperatur sisi panas

dan sisi dingin berbeda.

3. Sistem pendingin dijaga konstan dengan mengalirkan siklus air es kedalam

plat yang dibaca oleh sensor suhu.

4. Daya yang dihasilkan sel Peltier meningkat ketika perbedaan temperatur

sisi panas dan sisi dingin sel Peltier sel Peltier meningkat.

5. Untuk hasil pengukuran Efisiensi, terdapat perbandingan antara metode

Carnot, metode actual dan metode adjusted. Dilihat dari data hasil metode

Carnot nilai nya 0.7 hingga mendekati 0.9, sedangkan hasil efisiensi

metode actual lebih kecil nilainya hampir mendekati 1 x10 . Bila

dibandingkan dengan metode Adjusted maka nilai efisiensi 8,7 x 10 .


65


5.2 Saran

Dalam perancangan mekanik dan pengujian sistem, masih ada kekurangan

yang perlu diperhatikan, agar nantinya perancangan ini menjadi lebih sempurna

dan lebih baik maka terdapat beberapa saran sebagai berikut.

1. Memperhatikan rangkaian dan data sheet untuk setiap komponen agar

tidak short dan tidak terjadi kerusakan pada komponen lainnya.

2. Agar tidak terjadi banyak noise yang menggangu maka sel Peltier

harus terisolasi dengan bener.

3. Sistem pendingin yang digunakan belum efisien, hal ini dikarenakan

saat air es tidak ada batu es nya lagi data mulai turun ataupun naik.



DAFTAR REFERENSI

[1] Francis W. Sears and Gerhard L. Salinger. 1995. Thermodynamics, Kinetic

Theory, and Statistical Thermodynamics, Massachusetts: Addison-Wesley

Pubishing Company. 111-115.[2] Giancoli, Douglas C. (1998). PHYSICS, Fifth Edition. Diterjemahkan oleh

Dra.Yuhilza Hanum, M.Eng dan Ir.Irwan Arifin, M.Eng. Jakarta: Erlangga.

65-77[3] Holman J.P. (1984). Heat Transfer, Fifth Edition. Diterjemahkan oleh Ir

E.Jasfi M.Sc. Jakarta : Erlangga. 1-20.[4] Kreith Frank. (1985). Principles of Heat Transfer, Third EditionUniversity of

Colorado, USA. Diterjemahkan oleh Arko Prijono M.Sc. Jakarta: Erlangga.

1-22.[5] Malvino, A.P. (1999). Prinsip-prinsip Elektronika, edisi ke dua. Jakarta:

Erlangga.[6] Seborg, Dale E. (1989). Process Dynamics And Control. John Wiley & Sons

Inc.[7] Zemansky dan Sears. (1999). University Physics. The City College of the City

of New York. Jakarta: Trimitra Madiri. 391-458.[8] Data Sheet. DS1820. Diakses 06 maret 2012 (11.54 WIB)

http://www.alldatasheet.com,[9] Data Sheet. Thermoelectric Cooler Peltier 12V_45,6W. Diakses 23 Februari

2012 (12.59 WIB) http://www.alldatasheet.com[10] Data Sheet.Relay. HRS2H-12V. Diakses 12 Oktober 2012 (14.16 WIB)

http://www.alldatasheet.com,[11] Energi diakses pada 5-april-2012, (19:58 WIB).

http://www.energi.lipi.go.id/utama.cgi?cetakartikel&1125749769[12] Filtering PWM Signals.pdf . Diakses Selasa, 09 Oktober 2012 (15.50 WIB)

http://www.proaxis.com/~wagnerj/PWMfil/PWM%20Filters.pdf[13] Ma_clemson_0050M_10835.pdf. Diakses Rabu, 18 April 2012(12.56

WIB)http://etd.lib.clemson.edu/documents/1285787113/Ma_clemson_0050M

_10835.pdf


67


[14] MIT2_997F09_lec02.pdf. Diakses Selasa, 01 mei 2012(12.56 WIB)

http://ocw.mit.edu/courses/mechanical-engineering/2-997-direct-solar-

thermal-to-electrical-energy-conversion-technologies-fall-2009/audio-

lectures/MIT2_997F09_lec02.pdf[15] Nandy Putra.2009. Potensi Pembangkit Termoelektrik Untuk Kendaraan

Hibrid.pdf. Depok : Universitas Indonesia, 2009. 21-April-2012. (15.15 WIB)

http://journal.ui.ac.id/technology/article/view/466/462[16] Pasco Scientific.1991. Thermal Efficiency Apparatus, Instruction Manual

and Experiment Guide for The Pasco Scientific Model TD-8564, 1991. 23-

febuari-2012.(11.59)

http://faculty.rcc.edu/bhattacharya/phy4c/thermal_efficiency.pdf[17] PWM in AVR v1.0.pdf. Diakses Senin, 15 Oktober 2012(11.47 WIB)

http://robotika.yweb.sk/skola/AVR/visionrobo%20com/PWM%20in%20AVR

%20v1.0.pdf[18] PWM (Pulse Width Modulation) . diakses 15 oktober 2012 (21.40 WIB)

http://digilib.ittelkom.ac.id/index.php?option=com_content&view=article&id

=820:pwm-pulse-width-modulation&catid=15:pemrosesan-sinyal&Itemid=14[19] Semikonduktor, Piranti_Semikonduktor.pdf. diakses Kamis, 5-April-2012

(20.58WIB).http://datapendidik.blogspot.com/2012/03/kumpulan-materi-

pelajaran-elektro-pdf.html.[20] Tellurex Corporation. 2010. Seebeck-faq.pdf.1462 Inernational Drive

Traverse city, MI 49686. Diakses jum’at 15-maret-2012 (21.49 WIB).

http://www.tellurex.com/technology/peltier-faq.php[21] Tellurex Corporation. 2010. Peltier-faq.pdf.1462 Inernational Drive Traverse

city,MI49686.Diakses jum’at15-maret-2012(21.49WIB).

http://www.tellurex.com/technology/Seebeck-faq.php[22] Thermoelectric-Cooling-basics .pdf. Diakses Selasa 01 mei 2012 (01.07

WIB) http://www.enertron-inc.com/enertron-resources/pdf/thermoelectric-

cooling-basics.pdf[23] Teori Relay Elektro Mekanik _ Elektronika Dasar. Diakses 16 oktober 2012

(08.11WIB) http://elektronika-dasar.com/teori-elektronika/teori-relay-elektro-

mekanik/


LAMPIRAN


$regfile = "m16DEF.dat"$crystal = 11059200$baud = 9600

On Urxc Seri_in

Enable InterruptsEnable Urxc

Config Adc = Single , Prescaler = Auto , Reference = InternalConfig Timer1 = Pwm , Pwm = 10 , Compare A Pwm = Clear Down ,Compare B Pwm = Clear Down , Prescale = 64Config Portb = OutputConfig Porta = InputConfig 1wire = Porta.5Config Lcdpin = Pin , Db4 = Portc.4 , Db5 = Portc.5 , Db6 =Portc.6 , Db7 = Portc.7 , E = Portc.3 , Rs = Portc.2Config Lcd = 20 * 4Cursor Off

Dim Ulang As BitDim Get_data_flag As BitDim Power_flag As BitDim Data_resistor_byte As ByteDim Resistor As SingleDim Data_resistor_str As String * 2Dim Data_resistor_int As IntegerDim Data_power_single As SingleDim Data_power_str As String * 3Dim Data_power_int As IntegerDim Adc_val As WordDim Vh1 As SingleDim Vh2 As SingleDim Ph1 As SingleDim Ph2 As SingleDim Ph As SingleDim Ph_int As IntegerDim Vp As SingleDim Vp_int As IntegerDim Pp As SingleDim Pp_int As IntegerDim T1_chr As String * 5Dim T1 As IntegerDim T2 As IntegerDim T3 As IntegerDim T2_chr As String * 5Dim T3_chr As String * 5Dim Data_seri As String * 1

'KONFIGURASI SUHU*********************************************************'Dim Rom(8) As ByteDim Temp As SingleDim Id1(8) As ByteDim Id2(8) As Byte


Dim Id3(8) As Byte 'BuatID sensorDim Jum_sensor As ByteDim I As Byte

Main_program:ClsLocate 1 , 1Lcd "EFISIENSI SELPELTIER"Locate 2 , 1Lcd "T DS1820 (1) = " ; T1_chrLocate 3 , 1Lcd "T DS1820 (2) = " ; T2_chrLocate 4 , 1Lcd "T DS1820 (3) = " ; T3_chr 'Power_flag = 0Start AdcStart Timer1Power_flag = 0Get_data_flag = 0Jum_sensor = 1wirecount()For I = 1 To Jum_sensor

Select Case ICase 1 : Id1(1) = 1wsearchfirst()

'Mencari sensor pertamaCase 2 : Id2(1) = 1wsearchnext() 'Cari

sensor selanjutnyaCase 3 : Id3(1) = 1wsearchnext() 'Cari

sensor selanjutnyaEnd Select

Next IDo

If Power_flag = 1 ThenPower_flag = 0Data_resistor_int = Val(data_resistor_str)Select Case Data_resistor_int

Case 2Resistor = 1.6







End SelectPortb = Data_resistor_intData_power_single = Val(data_power_str)Data_power_single = Data_power_single / 100Data_power_single = Data_power_single * 1023Data_power_single = Round(data_power_single)Data_power_int = Data_power_singlePwm1a = Data_power_int


Pwm1b = Data_power_intEnd IfIf Get_data_flag = 1 Then

Get_data_flag = 01wreset1wwrite &HCC1wwrite &H44Waitms 9001wreset1wwrite &H55For I = 1 To 8

1wwrite Id1(i)Next I1wwrite &HBERom(1) = 1wread(1)Temp = Rom(1) / 2T1_chr = Fusing(temp , "#.#")Temp = Temp * 10Temp = Round(temp)T1 = TempLocate 2 , 16Lcd " "Locate 2 , 16Lcd T1_chr

Waitms 1001wreset1wwrite &H55For I = 1 To 8

1wwrite Id2(i)Next I1wwrite &HBERom(1) = 1wread(1)Temp = Rom(1) / 2T2_chr = Fusing(temp , "#.#")Temp = Temp * 10Temp = Round(temp)T2 = TempLocate 3 , 16Lcd " "Locate 3 , 16Lcd T2_chr

Waitms 1001wreset1wwrite &H55For I = 1 To 8

1wwrite Id3(i)Next I1wwrite &HBERom(1) = 1wread(1)Temp = Rom(1) / 2T3_chr = Fusing(temp , "#.#")Temp = Temp * 10Temp = Round(temp)T3 = TempLocate 4 , 16Lcd " "


Locate 4 , 16Lcd T3_chr

Adc_val = Getadc(1)Vh1 = Adc_val * 0.002Vh1 = Vh1 + 0.3874Ph1 = Vh1 * Vh1Ph1 = Ph1 / 2.2Adc_val = Getadc(3)Vh2 = Adc_val * 0.0021Vh2 = Vh2 + 0.03043Ph2 = Vh2 * Vh2Ph2 = Ph2 / 2.2Ph = Ph2 + Ph1Ph = Ph * 10Ph = Round(ph)Ph_int = Ph

Adc_val = Getadc(4)Vp = Adc_valVp = Adc_val * 0.2784Vp = Vp + 2.3189Pp = Vp * VpPp = Pp / ResistorPp = Round(pp)Pp_int = PpVp = Round(vp)Vp_int = VpPrint T1 ; ":" ; T2 ; ":" ; T3 ; ":" ; Ph_int ; ":" ; Pp_int

; ":" ; Vp_int ; "#"End If

Loop

Seri_in:Disable InterruptsData_seri = Inkey()If Data_seri = "*" Then

Power_flag = 1Data_power_str = ""Ulang = 1Do

Data_seri = Waitkey()If Data_seri = ":" Then

Ulang = 0Else

Data_power_str = Data_power_str + Data_seriEnd If

Loop Until Ulang = 0Data_resistor_str = ""Ulang = 1Do

Data_seri = Waitkey()If Data_seri = "#" Then

Ulang = 0Else

Data_resistor_str = Data_resistor_str + Data_seriEnd If


Loop Until Ulang = 0End IfIf Data_seri = "G" Then Get_data_flag = 1Enable InterruptsReturn


Tabel 4.3 Data Sensor Temperatur (DS1820) vs Termometer

No T (˚C) DS1820 T (˚C) Termometer

1 26.5 26.5

2 27.5 27.5

3 28.5 28.5

4 29.5 29.5

5 30.5 30.5

6 31.5 31.5

7 32.5 32.5

8 33.5 33.5

9 34.5 34.5

10 35.5 35.5

11 36.5 36.5

12 37.5 37.5

13 38.5 38.5

14 39.5 39.5

15 40.5 40.5

16 41.5 41.5

17 42.5 42.5

18 43.5 43.5

19 44.5 44.5

20 45.5 45.5

21 46.5 46.5

22 47.5 47.5

23 48.5 48.5

24 49.5 49.5

25 50.5 50.5

26 51.5 51.5

27 52.5 52.5

28 53.5 53.5

29 54.5 54.5


30 55.5 55.5

31 56.5 56.5

32 57.5 57.5

33 58.5 58.5

34 59.5 59.5

35 60.5 60.5

36 61.5 61.5

37 62.5 62.5

38 63.5 63.5

39 64.5 64.5

40 65.5 65.5

41 66.5 66.5

42 67.5 67.5

43 68.5 68.5

44 69.5 69.5

45 70.5 70.5

46 71.5 71.5

47 72.5 72.5

48 73.5 73.5

49 74.5 74.5

50 75.5 75.5

51 76.5 76.5

52 77.5 77.5

53 78.5 78.5

54 79.5 79.5

55 80.5 80.5

56 81.5 81.5

57 82.5 82.5

58 83.5 83.5

59 84.5 84.5

60 85.5 85.5


Thermoelectric Cooler Peltier 12V, 45.6W


CONNECTION DIAGRAM

8-Lead Plastic Mini-DIP (N), Cerdip (Q)and SOIC (R) Packages

–IN

RG

–VS

+IN

RG

+VS

OUTPUT

REF

1

2

3

4

8

7

6

5AD620

TOP VIEW

REV. E

Information furnished by Analog Devices is believed to be accurate andreliable. However, no responsibility is assumed by Analog Devices for itsuse, nor for any infringements of patents or other rights of third partieswhich may result from its use. No license is granted by implication orotherwise under any patent or patent rights of Analog Devices.

a Low Cost, Low PowerInstrumentation Amplifier

AD620FEATURESEASY TO USEGain Set with One External Resistor

(Gain Range 1 to 1000)Wide Power Supply Range (62.3 V to 618 V)Higher Performance than Three Op Amp IA DesignsAvailable in 8-Lead DIP and SOIC PackagingLow Power, 1.3 mA max Supply Current

EXCELLENT DC PERFORMANCE (“B GRADE”)50 mV max, Input Offset Voltage0.6 mV/8C max, Input Offset Drift1.0 nA max, Input Bias Current100 dB min Common-Mode Rejection Ratio (G = 10)

LOW NOISE9 nV/√Hz, @ 1 kHz, Input Voltage Noise0.28 mV p-p Noise (0.1 Hz to 10 Hz)

EXCELLENT AC SPECIFICATIONS120 kHz Bandwidth (G = 100)15 ms Settling Time to 0.01%

APPLICATIONSWeigh ScalesECG and Medical InstrumentationTransducer InterfaceData Acquisition SystemsIndustrial Process ControlsBattery Powered and Portable Equipment

One Technology Way, P.O. Box 9106, Norwood, MA 02062-9106, U.S.A.Tel: 781/329-4700 World Wide Web Site: http://www.analog.comFax: 781/326-8703 © Analog Devices, Inc., 1999

PRODUCT DESCRIPTIONThe AD620 is a low cost, high accuracy instrumentation ampli-fier that requires only one external resistor to set gains of 1 to

0 5 10 15 20

30,000

5,000

10,000

15,000

20,000

25,000

0

TO

TA

L E

RR

OR

, PP

M O

F F

ULL

SC

ALE

SUPPLY CURRENT – mA

AD620A

RG

3 OP-AMP IN-AMP(3 OP-07s)

Figure 1. Three Op Amp IA Designs vs. AD620

SOURCE RESISTANCE – V100M10k1k 10M1M100k

10,000

0.1

100

1,000

10

1

RT

I VO

LTA

GE

NO

ISE

(0.1

– 1

0Hz)

– m

V p

-p

TYPICAL STANDARDBIPOLAR INPUTIN-AMP

AD620 SUPERbETABIPOLAR INPUTIN-AMP

G = 100

Figure 2. Total Voltage Noise vs. Source Resistance

1000. Furthermore, the AD620 features 8-lead SOIC and DIPpackaging that is smaller than discrete designs, and offers lowerpower (only 1.3 mA max supply current), making it a good fitfor battery powered, portable (or remote) applications.

The AD620, with its high accuracy of 40 ppm maximumnonlinearity, low offset voltage of 50 µV max and offset drift of0.6 µV/°C max, is ideal for use in precision data acquisitionsystems, such as weigh scales and transducer interfaces. Fur-thermore, the low noise, low input bias current, and low powerof the AD620 make it well suited for medical applications suchas ECG and noninvasive blood pressure monitors.

The low input bias current of 1.0 nA max is made possible withthe use of Superβeta processing in the input stage. The AD620works well as a preamplifier due to its low input voltage noise of9 nV/√Hz at 1 kHz, 0.28 µV p-p in the 0.1 Hz to 10 Hz band,0.1 pA/√Hz input current noise. Also, the AD620 is well suitedfor multiplexed applications with its settling time of 15 µs to0.01% and its cost is low enough to enable designs with one in-amp per channel.


AD620–SPECIFICATIONS (Typical @ +258C, VS = 615 V, and RL = 2 kV, unless otherwise noted)

AD620A AD620B AD620S1

Model Conditions Min Typ Max Min Typ Max Min Typ Max Units

GAIN G = 1 + (49.4 k/RG)Gain Range 1 10,000 1 10,000 1 10,000Gain Error2 VOUT = ± 10 V

G = 1 0.03 0.10 0.01 0.02 0.03 0.10 %G = 10 0.15 0.30 0.10 0.15 0.15 0.30 %G = 100 0.15 0.30 0.10 0.15 0.15 0.30 %G = 1000 0.40 0.70 0.35 0.50 0.40 0.70 %

Nonlinearity, VOUT = –10 V to +10 V,G = 1–1000 RL = 10 kΩ 10 40 10 40 10 40 ppmG = 1–100 RL = 2 kΩ 10 95 10 95 10 95 ppm

Gain vs. TemperatureG =1 10 10 10 ppm/°CGain >12 –50 –50 –50 ppm/°C

VOLTAGE OFFSET (Total RTI Error = VOSI + VOSO/G)Input Offset, VOSI VS = ±5 V to ±15 V 30 125 15 50 30 125 µV

Over Temperature VS = ±5 V to ±15 V 185 85 225 µVAverage TC VS = ±5 V to ±15 V 0.3 1.0 0.1 0.6 0.3 1.0 µV/°C

Output Offset, VOSO VS = ±15 V 400 1000 200 500 400 1000 µVVS = ±5 V 1500 750 1500 µV

Over Temperature VS = ±5 V to ±15 V 2000 1000 2000 µVAverage TC VS = ± 5 V to ±15 V 5.0 15 2.5 7.0 5.0 15 µV/°C

Offset Referred to theInput vs.Supply (PSR) VS = ±2.3 V to ±18 V

G = 1 80 100 80 100 80 100 dBG = 10 95 120 100 120 95 120 dBG = 100 110 140 120 140 110 140 dBG = 1000 110 140 120 140 110 140 dB

INPUT CURRENTInput Bias Current 0.5 2.0 0.5 1.0 0.5 2 nA

Over Temperature 2.5 1.5 4 nAAverage TC 3.0 3.0 8.0 pA/°C

Input Offset Current 0.3 1.0 0.3 0.5 0.3 1.0 nAOver Temperature 1.5 0.75 2.0 nAAverage TC 1.5 1.5 8.0 pA/°C

INPUTInput Impedance

Differential 10i2 10i2 10i2 GΩipFCommon-Mode 10i2 10i2 10i2 GΩipF

Input Voltage Range3 VS = ±2.3 V to ±5 V –VS + 1.9 +VS – 1.2 –VS + 1.9 +VS – 1.2 –VS + 1.9 +VS – 1.2 VOver Temperature –VS + 2.1 +VS – 1.3 –VS + 2.1 +VS – 1.3 –VS + 2.1 +VS – 1.3 V

VS = ±5 V to ±18 V –VS + 1.9 +VS – 1.4 –VS + 1.9 +VS – 1.4 –VS + 1.9 +VS – 1.4 VOver Temperature –VS + 2.1 +VS – 1.4 –VS + 2.1 +VS – 1.4 –VS + 2.3 +VS – 1.4 V

Common-Mode RejectionRatio DC to 60 Hz withI kΩ Source Imbalance VCM = 0 V to ±10 V

G = 1 73 90 80 90 73 90 dBG = 10 93 110 100 110 93 110 dBG = 100 110 130 120 130 110 130 dBG = 1000 110 130 120 130 110 130 dB

OUTPUTOutput Swing RL = 10 kΩ,

VS = ±2.3 V to ±5 V –VS + 1.1 +VS – 1.2 –VS + 1.1 +VS – 1.2 –VS + 1.1 +VS – 1.2 VOver Temperature –VS + 1.4 +VS – 1.3 –VS + 1.4 +VS – 1.3 –VS + 1.6 +VS – 1.3 V

VS = ±5 V to ±18 V –VS + 1.2 +VS – 1.4 –VS + 1.2 +VS – 1.4 –VS + 1.2 +VS – 1.4 VOver Temperature –VS + 1.6 +VS – 1.5 –VS + 1.6 +VS – 1.5 –VS + 2.3 +VS – 1.5 V

Short Current Circuit ± 18 ± 18 ± 18 mA

REV. E–2–Rancang bangun..., Shepta Dh, FMIPA UI, 2012

AD620AD620A AD620B AD620S1

Model Conditions Min Typ Max Min Typ Max Min Typ Max Units

DYNAMIC RESPONSESmall Signal –3 dB Bandwidth

G = 1 1000 1000 1000 kHzG = 10 800 800 800 kHzG = 100 120 120 120 kHzG = 1000 12 12 12 kHz

Slew Rate 0.75 1.2 0.75 1.2 0.75 1.2 V/µsSettling Time to 0.01% 10 V Step

G = 1–100 15 15 15 µsG = 1000 150 150 150 µs

NOISE

Voltage Noise, 1 kHz Total RTI Noise = (e2

ni )+(eno /G)2

Input, Voltage Noise, eni 9 13 9 13 9 13 nV/√HzOutput, Voltage Noise, eno 72 100 72 100 72 100 nV/√Hz

RTI, 0.1 Hz to 10 HzG = 1 3.0 3.0 6.0 3.0 6.0 µV p-pG = 10 0.55 0.55 0.8 0.55 0.8 µV p-pG = 100–1000 0.28 0.28 0.4 0.28 0.4 µV p-p

Current Noise f = 1 kHz 100 100 100 fA/√Hz0.1 Hz to 10 Hz 10 10 10 pA p-p

REFERENCE INPUTRIN 20 20 20 kΩIIN VIN+, VREF = 0 +50 +60 +50 +60 +50 +60 µAVoltage Range –VS + 1.6 +VS – 1.6 –VS + 1.6 +VS – 1.6 –VS + 1.6 +VS – 1.6 VGain to Output 1 ± 0.0001 1 ± 0.0001 1 ± 0.0001

POWER SUPPLYOperating Range4 ± 2.3 ± 18 ± 2.3 ± 18 ± 2.3 ± 18 VQuiescent Current VS = ±2.3 V to ±18 V 0.9 1.3 0.9 1.3 0.9 1.3 mA

Over Temperature 1.1 1.6 1.1 1.6 1.1 1.6 mA

TEMPERATURE RANGEFor Specified Performance –40 to +85 –40 to +85 –55 to +125 °C

NOTES1See Analog Devices military data sheet for 883B tested specifications.2Does not include effects of external resistor RG.3One input grounded. G = 1.4This is defined as the same supply range which is used to specify PSR.

Specifications subject to change without notice.

REV. E –3–Rancang bangun..., Shepta Dh, FMIPA UI, 2012

AD620

REV. E–4–

NOTES1Stresses above those listed under Absolute Maximum Ratings may cause perma-

nent damage to the device. This is a stress rating only; functional operation of thedevice at these or any other conditions above those indicated in the operationalsection of this specification is not implied. Exposure to absolute maximum ratingconditions for extended periods may affect device reliability.

2Specification is for device in free air:8-Lead Plastic Package: θJA = 95°C/W8-Lead Cerdip Package: θJA = 110°C/W8-Lead SOIC Package: θJA = 155°C/W

ABSOLUTE MAXIMUM RATINGS1

Supply Voltage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ±18 VInternal Power Dissipation2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 650 mWInput Voltage (Common Mode) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ±VS

Differential Input Voltage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .±25 VOutput Short Circuit Duration . . . . . . . . . . . . . . . . . IndefiniteStorage Temperature Range (Q) . . . . . . . . . . –65°C to +150°CStorage Temperature Range (N, R) . . . . . . . . –65°C to +125°COperating Temperature Range

AD620 (A, B) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . –40°C to +85°CAD620 (S) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . –55°C to +125°C

Lead Temperature Range(Soldering 10 seconds) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . +300°C

ORDERING GUIDE

Model Temperature Ranges Package Options*

AD620AN –40°C to +85°C N-8AD620BN –40°C to +85°C N-8AD620AR –40°C to +85°C SO-8AD620AR-REEL –40°C to +85°C 13" REELAD620AR-REEL7 –40°C to +85°C 7" REELAD620BR –40°C to +85°C SO-8AD620BR-REEL –40°C to +85°C 13" REELAD620BR-REEL7 –40°C to +85°C 7" REELAD620ACHIPS –40°C to +85°C Die FormAD620SQ/883B –55°C to +125°C Q-8

*N = Plastic DIP; Q = Cerdip; SO = Small Outline.

METALIZATION PHOTOGRAPHDimensions shown in inches and (mm).Contact factory for latest dimensions.

+VS OUTPUT

REFERENCE

+IN–VS

–IN

*FOR CHIP APPLICATIONS: THE PADS 1R G AND 8RG MUST BE CONNECTED IN PARALLEL TO THE EXTERNAL GAIN REGISTER R G. DO NOT CONNECT THEM IN SERIES TO RG. FOR UNITY GAIN APPLICATIONS WHERE R G IS NOT REQUIRED, THE PADS 1RG MAY SIMPLY BE BONDED TOGETHER, AS WELL AS THE PADS 8R G.

4

5

678

8

RG*

1

1 2 3

RG*0.125

(3.180)

0.0708(1.799)

CAUTIONESD (electrostatic discharge) sensitive device. Electrostatic charges as high as 4000 V readilyaccumulate on the human body and test equipment and can discharge without detection.Although the AD620 features proprietary ESD protection circuitry, permanent damage mayoccur on devices subjected to high energy electrostatic discharges. Therefore, proper ESDprecautions are recommended to avoid performance degradation or loss of functionality.

WARNING!

ESD SENSITIVE DEVICE


AD620

REV. E –5–

Typical Characteristics (@ +258C, VS = 615 V, RL = 2 kV, unless otherwise noted)

INPUT OFFSET VOLTAGE – mV

20

30

40

50

–40 0 +40 +80

PE

RC

EN

TA

GE

OF

UN

ITS

–80

SAMPLE SIZE = 360

10

0

Figure 3. Typical Distribution of Input Offset Voltage

INPUT BIAS CURRENT – pA

0

10

20

30

40

50

–600 0 +600

PE

RC

EN

TA

GE

OF

UN

ITS

–1200 +1200

SAMPLE SIZE = 850

Figure 4. Typical Distribution of Input Bias Current

10

20

30

40

50

–200 0 +200 +400

INPUT OFFSET CURRENT – pA

PE

RC

EN

TA

GE

OF

UN

ITS

–4000

SAMPLE SIZE = 850

Figure 5. Typical Distribution of Input Offset Current

TEMPERATURE – 8C

INP

UT

BIA

S C

UR

RE

NT

– n

A

+IB–IB

2.0

–2.0175

–1.0

–1.5

–75

–0.5

0

0.5

1.0

1.5

1257525–25

Figure 6. Input Bias Current vs. Temperature

CH

AN

GE

IN O

FF

SE

T V

OLT

AG

E –

mV

1.5

0.5

WARM-UP TIME – Minutes

2

00 51

1

432

Figure 7. Change in Input Offset Voltage vs.Warm-Up Time

FREQUENCY – Hz

1000

11 100k

100

10

10k1k100

VO

LTA

GE

NO

ISE

– n

V/!

Hz

GAIN = 1

GAIN = 10

10

GAIN = 100, 1,000GAIN = 1000BW LIMIT

Figure 8. Voltage Noise Spectral Density vs. Frequency,(G = 1–1000)


AD620–Typical Characteristics

FREQUENCY – Hz

1000

100

101 10 1000100

CU

RR

EN

T N

OIS

E –

fA/!

Hz

Figure 9. Current Noise Spectral Density vs. Frequency

RT

I NO

ISE

– 2

.0 m

V/D

IV

TIME – 1 SEC/DIV

Figure 10a. 0.1 Hz to 10 Hz RTI Voltage Noise (G = 1)

RT

I NO

ISE

– 0

.1m

V/D

IV

TIME – 1 SEC/DIV

Figure 10b. 0.1 Hz to 10 Hz RTI Voltage Noise (G = 1000)

Figure 11. 0.1 Hz to 10 Hz Current Noise, 5 pA/Div

100

1000

AD620A

FET INPUTIN-AMP

SOURCE RESISTANCE – V

TO

TA

L D

RIF

T F

RO

M 2

58C

TO

858

C, R

TI –

mV

100,000

101k 10M

10,000

10k 1M100k

Figure 12. Total Drift vs. Source Resistance

FREQUENCY – Hz

CM

R –

dB

+160

01M

+80

+40

1

+60

0.1

+140

+100

+120

100k10k1k10010

G = 1000

G = 100

G = 10

G = 1

+20

Figure 13. CMR vs. Frequency, RTI, Zero to 1 kΩ SourceImbalance

REV. E–6–Rancang bangun..., Shepta Dh, FMIPA UI, 2012

AD620

REV. E –7–

FREQUENCY – Hz

PS

R –

dB

160

1M

80

40

1

60

0.1

140

100

120

100k10k1k1001020

G = 1000

G = 100

G = 10

G = 1

180

Figure 14. Positive PSR vs. Frequency, RTI (G = 1–1000)

FREQUENCY – Hz

PS

R –

dB

160

1M

80

40

1

60

0.1

140

100

120

100k10k1k1001020

180

G = 10

G = 100

G = 1

G = 1000

Figure 15. Negative PSR vs. Frequency, RTI (G = 1–1000)

1000

100 10M

100

1

1k

10

100k 1M10k FREQUENCY – Hz

GA

IN –

V/V

0.1

Figure 16. Gain vs. Frequency

OU

TP

UT

VO

LTA

GE

– V

olts

p-p

FREQUENCY – Hz

35

01M

15

5

10k

10

1k

30

20

25

100k

G = 10, 100, 1000

G = 1

G = 1000 G = 100

BW

LIM

IT

Figure 17. Large Signal Frequency Response

INP

UT

VO

LTA

GE

LIM

IT –

Vol

ts(R

EF

ER

RE

D T

O S

UP

PLY

VO

LTA

GE

S)

20

+1.0

+0.5

50

+1.5

–1.5

–1.0

–0.5

1510SUPPLY VOLTAGE 6 Volts

+VS –0.0

–VS +0.0

Figure 18. Input Voltage Range vs. Supply Voltage, G = 1

20

+1.0

+0.5

50

+1.5

–1.5

–1.0

–0.5

1510SUPPLY VOLTAGE 6 Volts

RL = 10kV

RL = 2kV

RL = 10kV

OU

TP

UT

VO

LTA

GE

SW

ING

– V

olts

(RE

FE

RR

ED

TO

SU

PP

LY V

OLT

AG

ES

)

RL = 2kV

+VS –0.0

–VS +0.0

Figure 19. Output Voltage Swing vs. Supply Voltage,G = 10


AD620

REV. E–8–

OU

TP

UT

VO

LTA

GE

SW

ING

– V

olts

p-p

LOAD RESISTANCE – V

30

00 10k

20

10

100 1k

VS = 615VG = 10

Figure 20. Output Voltage Swing vs. Load Resistance

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Figure 21. Large Signal Pulse Response and Settling TimeG = 1 (0.5 mV = 0.01%)

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Figure 22. Small Signal Response, G = 1, RL = 2 kΩ,CL = 100 pF

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Figure 23. Large Signal Response and Settling Time,G = 10 (0.5 mV = 001%)

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Figure 24. Small Signal Response, G = 10, RL = 2 kΩ,CL = 100 pF

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Figure 25. Large Signal Response and Settling Time,G = 100 (0.5 mV = 0.01%)


AD620

REV. E –9–

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Figure 26. Small Signal Pulse Response, G = 100,RL = 2 kΩ, CL = 100 pF

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Figure 27. Large Signal Response and Settling Time,G = 1000 (0.5 mV = 0.01%)

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Figure 28. Small Signal Pulse Response, G = 1000,RL = 2 kΩ, CL = 100 pF

OUTPUT STEP SIZE – Volts

SE

TT

LIN

G T

IME

– m

s TO 0.01%

TO 0.1%

20

00 20

15

5

5

10

10 15

Figure 29. Settling Time vs. Step Size (G = 1)

GAIN

SE

TT

LIN

G T

IME

– m

s

1000

11 1000

100

10

10 100

Figure 30. Settling Time to 0.01% vs. Gain, for a 10 V Step

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Figure 31a. Gain Nonlinearity, G = 1, RL = 10 kΩ(10 µV = 1 ppm)


AD620

REV. E–10–

VB

–VS

A1 A2

A3

C2

RG

R1 R2

GAINSENSE

GAINSENSE

R3400V

10kV

10kV

I2I1

10kVREF

10kV

+IN– IN

20mA 20mA

R4400V

OUTPUT

C1

Q2Q1

Figure 33. Simplified Schematic of AD620

THEORY OF OPERATIONThe AD620 is a monolithic instrumentation amplifier based ona modification of the classic three op amp approach. Absolutevalue trimming allows the user to program gain accurately (to0.15% at G = 100) with only one resistor. Monolithic construc-tion and laser wafer trimming allow the tight matching andtracking of circuit components, thus ensuring the high level ofperformance inherent in this circuit.

The input transistors Q1 and Q2 provide a single differential-pair bipolar input for high precision (Figure 33), yet offer 10×lower Input Bias Current thanks to Superβeta processing. Feed-back through the Q1-A1-R1 loop and the Q2-A2-R2 loop main-tains constant collector current of the input devices Q1, Q2thereby impressing the input voltage across the external gainsetting resistor RG. This creates a differential gain from theinputs to the A1/A2 outputs given by G = (R1 + R2)/RG + 1.The unity-gain subtracter A3 removes any common-mode sig-nal, yielding a single-ended output referred to the REF pinpotential.

The value of RG also determines the transconductance of thepreamp stage. As RG is reduced for larger gains, the transcon-ductance increases asymptotically to that of the input transistors.This has three important advantages: (a) Open-loop gain isboosted for increasing programmed gain, thus reducing gain-related errors. (b) The gain-bandwidth product (determined byC1, C2 and the preamp transconductance) increases with pro-grammed gain, thus optimizing frequency response. (c) Theinput voltage noise is reduced to a value of 9 nV/√Hz, deter-mined mainly by the collector current and base resistance of theinput devices.

The internal gain resistors, R1 and R2, are trimmed to an abso-lute value of 24.7 kΩ, allowing the gain to be programmedaccurately with a single external resistor.

The gain equation is then

G = 49.4 kΩ

RG+ 1

so that

RG = 49.4 kΩ

G − 1

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Figure 31b. Gain Nonlinearity, G = 100, RL = 10 kΩ(100 µV = 10 ppm)

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Figure 31c. Gain Nonlinearity, G = 1000, RL = 10 kΩ(1 mV = 100 ppm)

AD620

VOUT

G=1G=1000

49.9V

10kV*1kV10T 10kV

499V

G=10G=100

5.49kV

+VS

11kV 1kV 100V

100kV

INPUT10V p-p

–VS

*ALL RESISTORS 1% TOLERANCE

71

2

3

8

6

4

5

Figure 32. Settling Time Test Circuit


AD620

REV. E –11–

Make vs. Buy: A Typical Bridge Application Error BudgetThe AD620 offers improved performance over “homebrew”three op amp IA designs, along with smaller size, fewer compo-nents and 10× lower supply current. In the typical application,shown in Figure 34, a gain of 100 is required to amplify a bridgeoutput of 20 mV full scale over the industrial temperature rangeof –40°C to +85°C. The error budget table below shows how tocalculate the effect various error sources have on circuit accuracy.

Regardless of the system in which it is being used, the AD620provides greater accuracy, and at low power and price. In simple

R = 350V

+10V

PRECISION BRIDGE TRANSDUCERAD620A MONOLITHICINSTRUMENTATIONAMPLIFIER, G = 100

“HOMEBREW” IN-AMP, G = 100 *0.02% RESISTOR MATCH, 3PPM/8C TRACKING**DISCRETE 1% RESISTOR, 100PPM/8C TRACKING SUPPLY CURRENT = 15mA MAX

100V**

10kV*

10kV**

10kV*

10kV*

10kV**

10kV*

SUPPLY CURRENT = 1.3mA MAX

OP07D

OP07D

OP07DAD620ARG

499V

REFERENCE

R = 350V R = 350V

R = 350V

Figure 34. Make vs. Buy

Table I. Make vs. Buy Error Budget

AD620 Circuit “Homebrew” Circuit Error, ppm of Full ScaleError Source Calculation Calculation AD620 Homebrew

ABSOLUTE ACCURACY at TA = +25°CInput Offset Voltage, µV 125 µV/20 mV (150 µV × √2)/20 mV 16,250 10,607Output Offset Voltage, µV 1000 µV/100/20 mV ((150 µV × 2)/100)/20 mV 14,500 10,150Input Offset Current, nA 2 nA × 350 Ω/20 mV (6 nA × 350 Ω)/20 mV 14,118 14,153CMR, dB 110 dB→3.16 ppm, × 5 V/20 mV (0.02% Match × 5 V)/20 mV/100 14,791 10,500

Total Absolute Error 17,558 11,310DRIFT TO +85°C

Gain Drift, ppm/°C (50 ppm + 10 ppm) × 60°C 100 ppm/°C Track × 60°C 13,600 16,000Input Offset Voltage Drift, µV/°C 1 µV/°C × 60°C/20 mV (2.5 µV/°C × √2 × 60°C)/20 mV 13,000 10,607Output Offset Voltage Drift, µV/°C 15 µV/°C × 60°C/100/20 mV (2.5 µV/°C × 2 × 60°C)/100/20 mV 14,450 10,150

Total Drift Error 17,050 16,757RESOLUTION

Gain Nonlinearity, ppm of Full Scale 40 ppm 40 ppm 14,140 10,140Typ 0.1 Hz–10 Hz Voltage Noise, µV p-p 0.28 µV p-p/20 mV (0.38 µV p-p × √2)/20 mV 141,14 13,127

Total Resolution Error 14,154 101,67

Grand Total Error 14,662 28,134

G = 100, VS = ± 15 V.

(All errors are min/max and referred to input.)

systems, absolute accuracy and drift errors are by far the mostsignificant contributors to error. In more complex systems withan intelligent processor, an autogain/autozero cycle will remove allabsolute accuracy and drift errors leaving only the resolutionerrors of gain nonlinearity and noise, thus allowing full 14-bitaccuracy.

Note that for the homebrew circuit, the OP07 specifications forinput voltage offset and noise have been multiplied by √2. Thisis because a three op amp type in-amp has two op amps at itsinputs, both contributing to the overall input error.


AD620

REV. E–12–

3kV

+5V

DIGITALDATAOUTPUT

ADC

REF

IN

AGND

20kV

10kV

20kV

AD620BG=100

1.7mA 0.10mA0.6mAMAX

499V

3kV

3kV3kV

2

1

8

37

6

5

4

1.3mAMAX

AD705

Figure 35. A Pressure Monitor Circuit which Operates on a +5 V Single Supply

Pressure MeasurementAlthough useful in many bridge applications such as weighscales, the AD620 is especially suitable for higher resistancepressure sensors powered at lower voltages where small size andlow power become more significant.

Figure 35 shows a 3 kΩ pressure transducer bridge poweredfrom +5 V. In such a circuit, the bridge consumes only 1.7 mA.Adding the AD620 and a buffered voltage divider allows thesignal to be conditioned for only 3.8 mA of total supply current.

Small size and low cost make the AD620 especially attractive forvoltage output pressure transducers. Since it delivers low noiseand drift, it will also serve applications such as diagnostic non-invasive blood pressure measurement.

Medical ECGThe low current noise of the AD620 allows its use in ECGmonitors (Figure 36) where high source resistances of 1 MΩ orhigher are not uncommon. The AD620’s low power, low supplyvoltage requirements, and space-saving 8-lead mini-DIP andSOIC package offerings make it an excellent choice for batterypowered data recorders.

Furthermore, the low bias currents and low current noisecoupled with the low voltage noise of the AD620 improve thedynamic range for better performance.

The value of capacitor C1 is chosen to maintain stability of theright leg drive loop. Proper safeguards, such as isolation, mustbe added to this circuit to protect the patient from possibleharm.

G = 7

AD620A0.03HzHIGHPASS

FILTER

OUTPUT1V/mV

+3V

–3V

RG8.25kV

24.9kV

24.9kV

AD705J

G = 143C1

1MVR4

10kVR1 R3

R2

OUTPUTAMPLIFIER

PATIENT/CIRCUITPROTECTION/ISOLATION

Figure 36. A Medical ECG Monitor Circuit


AD620

REV. E –13–

Precision V-I ConverterThe AD620, along with another op amp and two resistors, makesa precision current source (Figure 37). The op amp buffers thereference terminal to maintain good CMR. The output voltageVX of the AD620 appears across R1, which converts it to acurrent. This current less only, the input bias current of the opamp, then flows out to the load.

AD620RG

–VS

VIN+

VIN–

LOAD

R1

IL

VxI =L R1

=IN+[(V ) – (V )] GIN–

R1

6

5

+ V –X

42

1

8

3 7

+VS

AD705

Figure 37. Precision Voltage-to-Current Converter(Operates on 1.8 mA, ±3 V)

GAIN SELECTIONThe AD620’s gain is resistor programmed by RG, or more pre-cisely, by whatever impedance appears between Pins 1 and 8.The AD620 is designed to offer accurate gains using 0.1%–1%resistors. Table II shows required values of RG for various gains.Note that for G = 1, the RG pins are unconnected (RG = ∞). Forany arbitrary gain RG can be calculated by using the formula:

RG = 49.4 kΩ

G − 1

To minimize gain error, avoid high parasitic resistance in serieswith RG; to minimize gain drift, RG should have a low TC—lessthan 10 ppm/°C—for the best performance.

Table II. Required Values of Gain Resistors

1% Std Table Calculated 0.1% Std Table CalculatedValue of RG, V Gain Value of RG, V Gain

49.9 k 1.990 49.3 k 2.00212.4 k 4.984 12.4 k 4.9845.49 k 9.998 5.49 k 9.998

2.61 k 19.93 2.61 k 19.931.00 k 50.40 1.01 k 49.91499 100.0 499 100.0

249 199.4 249 199.4100 495.0 98.8 501.049.9 991.0 49.3 1,003

INPUT AND OUTPUT OFFSET VOLTAGEThe low errors of the AD620 are attributed to two sources,input and output errors. The output error is divided by G whenreferred to the input. In practice, the input errors dominate athigh gains and the output errors dominate at low gains. Thetotal VOS for a given gain is calculated as:

Total Error RTI = input error + (output error/G)

Total Error RTO = (input error × G) + output error

REFERENCE TERMINALThe reference terminal potential defines the zero output voltage,and is especially useful when the load does not share a preciseground with the rest of the system. It provides a direct means ofinjecting a precise offset to the output, with an allowable rangeof 2 V within the supply voltages. Parasitic resistance should bekept to a minimum for optimum CMR.

INPUT PROTECTIONThe AD620 features 400 Ω of series thin film resistance at itsinputs, and will safely withstand input overloads of up to ±15 Vor ±60 mA for several hours. This is true for all gains, and poweron and off, which is particularly important since the signalsource and amplifier may be powered separately. For longertime periods, the current should not exceed 6 mA (IIN ≤VIN/400 Ω). For input overloads beyond the supplies, clampingthe inputs to the supplies (using a low leakage diode such as anFD333) will reduce the required resistance, yielding lowernoise.

RF INTERFERENCEAll instrumentation amplifiers can rectify out of band signals,and when amplifying small signals, these rectified voltages act assmall dc offset errors. The AD620 allows direct access to theinput transistor bases and emitters enabling the user to applysome first order filtering to unwanted RF signals (Figure 38),where RC < 1/(2 πf) and where f ≥ the bandwidth of theAD620; C ≤ 150 pF. Matching the extraneous capacitance atPins 1 and 8 and Pins 2 and 3 helps to maintain high CMR.

–IN

1

2

3

4 5

6

7

8

R

R+IN

C

C

RG

Figure 38. Circuit to Attenuate RF Interference


AD620

REV. E–14–

COMMON-MODE REJECTIONInstrumentation amplifiers like the AD620 offer high CMR,which is a measure of the change in output voltage when bothinputs are changed by equal amounts. These specifications areusually given for a full-range input voltage change and a speci-fied source imbalance.

For optimal CMR the reference terminal should be tied to a lowimpedance point, and differences in capacitance and resistanceshould be kept to a minimum between the two inputs. In manyapplications shielded cables are used to minimize noise, and forbest CMR over frequency the shield should be properly driven.Figures 39 and 40 show active data guards that are configuredto improve ac common-mode rejections by “bootstrapping” thecapacitances of input cable shields, thus minimizing the capaci-tance mismatch between the inputs.

REFERENCE

VOUTAD620

100V

100V

– INPUT

+ INPUT

AD648

RG

–VS

+VS

–VS

Figure 39. Differential Shield Driver

100V

– INPUT

+ INPUT

REFERENCE

VOUTAD620

–VS

+VS

2RG

2RG

AD548

Figure 40. Common-Mode Shield Driver

GROUNDINGSince the AD620 output voltage is developed with respect to thepotential on the reference terminal, it can solve many groundingproblems by simply tying the REF pin to the appropriate “localground.”

In order to isolate low level analog signals from a noisy digitalenvironment, many data-acquisition components have separateanalog and digital ground pins (Figure 41). It would be conve-nient to use a single ground line; however, current throughground wires and PC runs of the circuit card can cause hun-dreds of millivolts of error. Therefore, separate ground returnsshould be provided to minimize the current flow from the sensi-tive points to the system ground. These ground returns must betied together at some point, usually best at the ADC package asshown.

DIGITAL P.S.+5VC

ANALOG P.S.+15V C –15V

AD574ADIGITALDATAOUTPUT

+

1mF

AD620

0.1mF

AD585S/H ADC

0.1mF1mF 1mF

Figure 41. Basic Grounding Practice


AD620

REV. E –15–

GROUND RETURNS FOR INPUT BIAS CURRENTSInput bias currents are those currents necessary to bias the inputtransistors of an amplifier. There must be a direct return pathfor these currents; therefore, when amplifying “floating” input

VOUTAD620

– INPUT

RG

TO POWERSUPPLY

GROUND

REFERENCE+ INPUT

+VS

–VS

LOAD

Figure 42a. Ground Returns for Bias Currents withTransformer Coupled Inputs

sources such as transformers, or ac-coupled sources, there mustbe a dc path from each input to ground as shown in Figure 42.Refer to the Instrumentation Amplifier Application Guide (freefrom Analog Devices) for more information regarding in ampapplications.

VOUT

– INPUT

+ INPUT

RG

LOAD

TO POWERSUPPLY

GROUND

REFERENCE

+VS

–VS

AD620

Figure 42b. Ground Returns for Bias Currents withThermocouple Inputs

100kV

VOUTAD620

– INPUT

+ INPUT

RG

LOAD

TO POWERSUPPLY

GROUND

REFERENCE

100kV –VS

+VS

Figure 42c. Ground Returns for Bias Currents with AC Coupled Inputs


AD620

REV. E–16–

OUTLINE DIMENSIONSDimensions shown in inches and (mm).

Plastic DIP (N-8) Package

8

1 4

5

0.430 (10.92)0.348 (8.84)

0.280 (7.11)0.240 (6.10)

PIN 1

SEATINGPLANE

0.022 (0.558)0.014 (0.356)

0.060 (1.52)0.015 (0.38)

0.210 (5.33)MAX 0.130

(3.30)MIN

0.070 (1.77)0.045 (1.15)

0.100(2.54)BSC

0.160 (4.06)0.115 (2.93)

0.325 (8.25)0.300 (7.62)

0.015 (0.381)0.008 (0.204)

0.195 (4.95)0.115 (2.93)

Cerdip (Q-8) Package

8

1 4

5

0.310 (7.87)0.220 (5.59)

PIN 1

0.005 (0.13)MIN

0.055 (1.4)MAX

SEATINGPLANE

0.023 (0.58)0.014 (0.36)

0.200 (5.08)MAX 0.150

(3.81)MIN

0.070 (1.78)0.030 (0.76)

0.200 (5.08)0.125 (3.18)

0.100(2.54)BSC

0.060 (1.52)0.015 (0.38)

0.405 (10.29) MAX

15°0°

0.320 (8.13)0.290 (7.37)

0.015 (0.38)0.008 (0.20)

SOIC (SO-8) Package

0.1968 (5.00)0.1890 (4.80)

8 5

410.2440 (6.20)0.2284 (5.80)

PIN 1

0.1574 (4.00)0.1497 (3.80)

0.0688 (1.75)0.0532 (1.35)

SEATINGPLANE

0.0098 (0.25)0.0040 (0.10)

0.0192 (0.49)0.0138 (0.35)

0.0500(1.27)BSC

0.0098 (0.25)0.0075 (0.19)

0.0500 (1.27)0.0160 (0.41)

8°0°

0.0196 (0.50)0.0099 (0.25)

x 45°

C15

99c–

0–7/

99P

RIN

TE

D IN

U.S

.A.


universitas indonesia rancang bangun sistem...

Documents