APLIKASI ALAT KONTROL SUHU OTOMATIS PADA BANTAL PENGHANGAT SEBAGAI ALAT TERAPI ALTERNATIF
Oleh Ngurah Agung Putra Wijaya NIM. 0605031060
JURUSAN DIII TEKNIK ELEKTRONIKA FAKULTAS TEKNIK DAN KEJURUAN UNIVERSITAS PENDIDIKAN GANESHA SINGARAJA 2010
BAB III METODELOGI PENELITIAN
3.1
Perancangan Alat Dalam merancang dan membuat alat kontrol suhu bantal penghangat ini ada
suatu tahapan-tahapan agar dalam pembuatannya dapat menjadi teratur dan lancar. Berikut ini adalah tahapan-tahapan yang dilakukan, dapat dilihat melalui gambar flow chart di bawah ini :
Gambar 3.1 Flow Chart Pembuatan Alat Kontrol Suhu Bantal penghangat. (Sumber : Hasil Perancangan)
Flow Chart pada Gambar 3.1 di atas adalah merupakan gambaran awal dalam pembuatan rangkaian bantal penghangat beserta tahapan-tahapan yang dimulai dari awal sampai akhir. Berikut adalah penjelasannya : 1. Tahap pertama yang dilakukan adalah pengumpulan dasar-dasar teori yang berkaitan dengan alat yang akan dibuat. Hal ini dilakukan agar memudahkan dalam perhitungan, penentuan nilai-nilai komponen, dan pengenalan-pengenalan karakteristik komponen yang akan digunakan. 2. Tahap kedua adalah tahap yang dimana untuk merancang cassing alat sesuai rancangan awal dengan disain alat kontrol bantal penghangat tersebut. 3. Tahap ketiga merupakan perancangan bentuk bantal penghangat sesuai dengan rancangan awal yang telah ditentukan berikut bahan, ukuran dari bantal penghangat. 4. Tahap keempat merupakan perancangan penempatan kawat pemanas agar panas yang dihasilkan dapat tersebar diseluruh bagian bantal sesuai dengan harapan. 5. Tahap kelima yaitu melakukan rancangan disain rangkaian beserta nilainilai komponen yang terpasang sesuai dengan perhitungan yang didapat. 6. Tahap keenam yaitu melakukan pengumpulan komponen-komponen elektronika yang akan digunakan dalam menyusun rangkaian yang telah ditentukan berdasarkan hasil perancangan. Apabila komponen yang digunakan tidak tersedia pada blok rangkaian yang memakai komponen tersebut di pasaran, dilakukan proses modifikasi atau penggantian
komponen yang baru dan memiliki fungsi yang sama. Jika semua komponen tersedia di pasaran maka dapat dilanjutkan ke tahap berikutnya. 7. Tahap ketujuh yaitu perakitan komponen-komponen yang membentuk suatu rangkaian berdasarkan rancangan yang dibuat paa papan Breadboard. Selanjutnya merangkai rangkaian pada masing-masing blok. Kemudian melakukan uji rangkaian pada masing-masing blok rangkaian dengan memberikan catu daya DC pada rangkaian, maka dapat diketahui kinerja yang dihasilkan oleh masing-masing blok rangkaian. Apabila dalam rangkaian mengalami masalah, maka dilakukan analisa kerusakan, kesalahan penggunaan atau pemasangan komponen, dan jika memungkinkan rangkaian bisa dimodifikasi atau rancangan rangkaian diperbaiki. Apabila rangkaian sudah bekerja sesuai yang diharapkan, maka dapat dilanjutkan ketahap berikutnya. 8. Tahap kedelapan yaitu melakukan uji rangkaian pada keseluruhan rangkaian yang dijadikan satu rangkaian. Apabila pada kinerja rangkaian ada yang mengalami masalah, yaitu kesalahan penggunaan, atau kesalahan pemasangan komponen, maka dilakukan analisa kerusakan dan jika memungkinkan rangkaian dapat dimodifikasi atau rancangan rangkaian diperbaiki. Apabila rangkaian sudah bekerja sesuai dengan yang diharapkan, maka dapat dilakukan ketahap berikutnya. 9. Selanjutnya setelah semua rangkaian telah diuji coba, maka tahap selanjutnya adalah mendisain pola pada papan PCB sesuai dengan pola
rangkaian yang telah mengalami ujicoba. Disain pada papan PCB adalah meliputi : Pengambaran jalur-jalur rangkaian pada aplikasi computer yaitu pada aplikasi diptrace dan mencetak pada plastik transparan untuk dilakukan penyablonan pada papan PCB. Kemudian setelah selesai menyablon jalur-jalur rangkaian pada PCB, kemudian melarutkan papan PCB tersebut kedalam larutan Feri Klorida agar didapatkan pola yang diinginkan. Kemudian akan pengeboran pada jalur-jalur tersebut sesuai dengan kaki-kaki komponen yang akan dipasang. 10. Tahap kesepuluh yaitu melakukan pemasangan komponen-komponen pada papan PCB yang telah diberikan pola dan diberi lubang untuk menempatkan kaki-kaki komponen sesuai dengan posisi masing-masing yang telah ditentukan dari hasil rancangan sebelumnya. 11. Kemudian ditahap ini yaitu melakukan tes uji rangkaian kembali setelah perakitan komponen pada papan PCB tersebut. Ini dilakukan untuk mengatahui apakah rangkaian yang dibuat pada papan PCB telah bekerja normal dan baik sesuai dengan yang diharapkan. Kalau tidak bekerja dengan normal, maka dilakukan perbaikan dan pengujian kembali, dan bila sudah dapat bekerja dengan normal, maka dapat dilakukan ketahap berikutnya. 12. Kemudian melakukan pemasangan alat pada cassing alat yang sudah sesuai rangcangan.
Setelah tahapan-tahapan yang dilakukan di atas selesai dan alat sudah bekerja normal sesuai dengan yang diharapkan, maka selanjutnya menuju keproses tahapan akhir yaitu pembuatan laporan Tugas Akhir.
3.1.1 Perancangan dan Pembuatan Konstruksi dan Disain Alat Dalam perancangan konstruksi dan disain alat kontrol suhu bantal penghangat ini, agar dalam pembuatannya dapat bekerja dengan baik dan lancar, maka susunan perancangan mengikuti tahapan-tahapan berikut ini. Tahapantahapan pembuatan konstruksi dan disain alat dapat dijelaskan dengan tahapantahapan di bawah ini : 1. Perancangan Konstruksi Bantal Penghangat. 2. Perancangan Konstruksi Kawat Pemanas. 3. Perancangan Box Cassing Alat. 3.1.1.1 Perancangan Konstruksi Bantal penghangat Perancangan konstruksi bantal penghangat ini menggunakan bahan dasar spons dimana ukuran spons pada bantal di bagian sisi atas, tengah dan bagian bawah adalah sama, yaitu berukuran panjang 40 cm, lebar 30 cm, dan tinggi bantal adalah 9 cm. Dimensi bentuk dari bantal penghangat dapat dilihat pada Gambar 3.2 di bawah ini.
40cm
Bagian Atas Bantal
30cm
3cm
(a). Bagian Atas Bantal.
40cm
Bagian Tengah Bantal
30cm
3cm
(b). Bagian Tengah Bantal.
40cm
Bagian Bawah Bantal
30cm
3cm
(c). Bagian Bawah Bantal. Gambar 3.2 Bagian-bagian Belahan Bantal penghangat. (Sumber : Hasil Perancangan) 3.1.1.2 Perancangan Konstruksi Kawat Pemanas Perancangan elemen pemanas menggunakan kawat pemanas yang terjual di pasaran. Kawat pemanas ini terbuat dari logam campuran yaitu dari bahan
krom, besi, dan alluminium. Panjang kawat yang dipakai dalam perancangan di sini adalah 12 meter degan diameter 0,3 milli meter.
Kawat Pemanas
Isolasi Asbes
Gambar 3.3 Perancangan Kawat Pemanas. (Sumber : Hasil Perancangan) Dilihat dari Gambar 3.3 di atas, di dalam perancangan sebelum kawat diletakan pada bantal, sebelumnya kawat terlebih dahulu dilapisi atau di isolasi dengan bahan asbes yang berbentuk benang, ini agar kawat tidak langsung menyentuh bantal yang berbahan spons seingga tidak lebur atau meleleh nantinya dengan menggunakan lem kayu (lem fox) untuk merekatkan benang asbes agar tidak tedapat kerenggangan pada saat benang asbes dililitkan pada kawat. 3.1.1.3 Perancangan Box Cassing Alat Perancangan box cassing alat dibuat dari bahan acrylic transparan dengan dimensi cassing berukuran 25 cm x 20 cm x 7 cm. Bentuk menyerupai box yang dapat dipisah, bagian atas dapat dilepas dengan melepas baut pengunci yang tepasang di bagian samping dan depan pada box cassing, dan dua buah engsel kupu-kupu yang berfungsi untuk dapat membuka bagian atas box yang terdapat di
samping-samping box cassing tersebut. Berikut dapat dilihat bentuk dari box
7 cm
cassing alat seperti yang terlihat pada Gambar 3.4 di bawah ini.
20
cm
On Off
25 cm
Gambar 3.4 Konstruksi Cassing Alat. (Sumber : Hasil Perancangan) 3.1.2 Perancangan dan Pembuatan Rangkaian Dalam perancangan dan pembuatan alat kontrol suhu bantal penghangat dalam pengontrolan elemen pemanas secara close loop dibuat rangkaian saklar suhu On/Off dengan pengontrolan tegangan AC. Agar dalam pembuatannya teratur dan sesuai dengan yang diharapkan maka dikerjakan sesuai dengan tahapan-tahapan sebagai berikut : 1. Perancangan Rangkaian Pembagi Tegangan (Vref). 2. Perancangan Rangkaian Sensor Suhu (Vin). 3. Perancangan Rangkaian Penyangga/Buffer. 4. Perancangan Rangkaian Penguat Selisih/Komparator. 5. Perancangan Rangkaian Penguat Membalik/Inverting.
6. Perancangan Rangkaian Trigger Triac dengan Optocoupler TLP621. 7. Perancangan Rangkaian Catu Daya 12 Volt DC. Kalau digambarkan secara keseluruhan sesuai dengan tahapan-tahapan di
Comparator error Pembagi Rangkaian Vref + Tegangan Buffer Vin Vref merupakan tegangan yang menyatakan suhu
Penguat Inverting Output Sensor berupa Tegangan (V)
Rangkaian Trigger TRIAC
Bantal Pemanas
Sensor Suhu
atas, maka dapat dilihat pada Gambar 3.5 di bawah ini.
Gambar 3.5 Blok Rangkaian Kontrol Alat Bantal Penghangat. (Sumber : Hasil Perancangan) Dari Gambar 3.5 di atas dapat dijelaskan bahwa terdapat dua masukan yang akan menjadi input dari rangkaian komparator yaitu pembagi tegangan dan sinyal fedback dari sensor suhu. Dalam rangkaian penguat selisih/komparator terdapat istilah tegangan referensi (Vref) sebagai pembagi tegangan dan tegangan (Vin) sebagai tegangan inpu-tan dari sensor suhu LM35DZ. Besarnya tegangan input-an dapat berubah-ubah sesuai dengan berubahnya suhu yang disensor oleh LM35DZ. Dengan adanya dua masukan yang menuju ke komparator, maka komparator akan bekerja untuk memproses kedua masukan sebagai perbandingan dengan hasil error. Error dapat berpolaritas positif (+) atau berpolaritas negatif (-) untuk mengakibatkan optocoupler bekerja sesuai dengan tegangan kerja adalah 5 Volt reverse voltage (VR), sehingga output dari pothotransistor pada optocoupler akan
Output
dapat mengalirkan arus picu ke-gate pada triac sehingga triac dapat mengalirkan tegangan AC ke beban yaitu bantal penghangat tersebut. Apabila tegangan referensi (Vref) diberikan yaitu 0,40 Volt, dan tegangan keluaran dari sensor suhu (Vin) lebih kecil dari tegangan referensi (Vref) yaitu 0,36 Volt, maka keluaran dari rangkaian komparator akan berpotensial negatif (-) adalah sebesar -0,4 Volt, ini akan dibalikan oleh rangkaian penguat inverting dengan penguatan 10 kali untuk menjadi berpolaritas positif (+) menjadi +4,4 Volt, sehingga dapat memicu optocoupler untuk dapat men-trigger gate pada triac sehingga tegangan AC akan dapat mengalir ke pemanas untuk bekerja menghasilkan panas atau dalam keadaan on. Selanjutnya apabila keluaran dari sensor suhu (Vin) sudah mencapai 0,40 Volt mewakili suhu adalah 400 C, dan tegangan referensi (Vref) adalah sama dengan 0,40 Volt (Vref = Vsensor suhu), maka keluaran dari komparator adalah 0 Volt. Keluaran dari penguat membalik juga akan menjadi 0 Volt, ini tidak akan bisa memicu optocoupler sehingga optocoupler tidak akan men-trigger gate pada triac dengan kata lain triac akan memutus tegangan AC kebantal pemanas dan bantal pemanas tidak lagi bekerja untuk menghasilkan panas atau dalam keadaan off. 3.1.2.1 Blok Perancangan Rangkaian Pembagi Tegangan (Vref) Dalam perancangan pembagi tegangan yang presisi, dapat dilihat pada Gambar 3.6 di bawah ini.
Gambar 3.6 Aplikasi Penggunaan IC TL431 Sebagai Regulator Tegangan. (Sumber : Hasil Perancangan)
R1
+12V
R3 POT (Themset)
IC TL431
R2 Input Buffer
0V
Gambar 3.7 Pembagi Tegangan sebagai Tegangan Referensi (Vref). (Sumber : Hasil Perancangan) Dilihat dari Gambar 3.7 di atas, untuk memperoleh tegangan referensi yang presisi digunakan IC TL431 sesuai dengan datasheet (+ 2.5 V precision voltage reference) yang berfungsi sebagai regulator dengan output + 2,5 V. digunakannya IC TL431 ini adalah agar nantinya tegangan maksimal output-nya tidak melebihi + 2.5 V sehingga tidak terlalu jauh membandingkan tegangan output dari IC LM35DZ. Themset yang digunakan adalah trimpot/potensio meter dengan besaran 5 KΩ dan R2 adalah 22 KΩ dimana untuk membentuk rangkaian
pembagi tegangan yang akan menentukan harga tegangan referensi (Vref) 0 V/00 C-0,47 V/470 C.untuk R1 ditentukan dengan besaran 1 KΩ. R1 ini berfungsi untuk menghalangi arus langsung melalui IC TL431 dari sumber sesuai dengan datasheet dan penambahan dioda zener IN4148 pada power supply yang diserikan ke Ground adalah agar dalam pengukuran tegangan referensi benar-benar mendapatkan 0 Volt. Melalui persamaan (2-29), maka dapat diperoleh Vout maksimal dari rangkaian pembagi tegangan adalah sebesar :
Vout = Vin ´
R2 R1 + R2
= 2.5V ´
5 KW 2.2 KW + 5KW
= 2.5V ´ 0.185V = 0.462V
3.1.2.2 Blok Perancangan Rangkaian Sensor Suhu IC LM35DZ Dalam perancangan rangkaian sensor suhu menggunakan IC LM35DZ yang telah langsung dikalibrasi dalam satuan 0C. Output dari sensor suhu berupa tegangan (Vout) akan mengalami perubahan 10 mV untuk disetiap perubahan temperatur 10 C. dari persamaan (2-12), dengan T adalah temperatur yang dideteksi dalam derajad celcius. Untuk memurnikan Vout dari IC LM35DZ, maka dipasang pada pin1 dan pin3 sebuah kapasitor milar yaitu (C1) 0,1µF. Persamaan untuk memperoleh hasil perhitungan dapat menggunakan persamaan seperti di bawah ini :
Vout = 10mV . T Misalkan pada suhu 360 C, output dari IC LM35DZ pada pin ke-2 dapat dihitung sebagai berikut : Vout = 10 mV x 360 C = 360 mV atau 0,36 V Dan misalnya pada suhu 400 C, maka output-nya adalah : Vout = 10 mV x 400 C = 400 mV atau 0,40 V
+12V
ICLM35DZ +Vs
GND
Vout
3
C1
1
2 V Input To Comparator
0V
Gambar 3.8 Rangkaian Sensor Suhu IC LM35DZ. (Sumber : Hasil Perancangan) 3.1.2.3 Perancangan Rangkaian Penyangga/Buffer. Rangkaian penyangga mempunyai penguatan hampir satu dan impedansi rendah sehingga penyangga ini hanya menyajikan beban ringan kepada rangkaian peka. Penyanggan ini akan menerima input-an/masukan dari rangkaian pembagi tegangan yang menjadi tegangan referensi mewakili suhu. Dalam rangkaian ini digunakan IC LM324 yang memiliki empat buah rangkaian Op-Amp.
Gambar 3.9 Diagram Koneksi pada Masing-masing Op-Amp pada IC LM324. (Sumber : Hasil Perancangan)
Tujuan menggunakan penyangga ini adalah agar tegangan tidak drop/turun akibat pembebanan oleh blok rangkaian berikutnya yaitu pada rangkaian penguat selisih/komparator dan memberikan arus pendorong yang cukup untuk beban. Tegangan output-nya adalah sama dengan tegangan inputnya. Penyangga ini mempunyai umpan balik negatif 100% karena keluarannya dijumpper kembali langsung dengan masukan yang membalikannya. Rangkaian penyangga/Buffer ini dapat dilihat pada Gambar 3.10 IC Op-Amp LM324.
IC LM 324-3
VReferensi
+ 10 8
3
Input Pembagi Tegangan +12V
-
9
IC LM 324 4 V+ 11
V-
GND
Gambar 3.10 Rangkaian Penyangga/Buffer. (Sumber : Hasil Perancangan) Sesuai dengan persamaan (2-13) yang menyatakan bahwa tegangan output dari rangkaian penyangga adalah sama besar dengan tegangan input-nya. Vout = Vin Misalkan Vin yang masuk ke rangkaian Buffer dari rangkaian pembagi tegangan Vref adalah sebesar 0,36 V, maka Vout dari rangkaian penyangga adalah sebesar 0,36 V juga. Vout = Vin 0,36V = 0,36 V 3.1.2.4 Blok Perancangan Rangkaian Penguat Selisih/Komparator Rangkan penguat selisih ini berfungsi untuk membandingkan kedua masukan (V1) dari keluaran sensor suhu IC LM35DZ dan (V2) keluaran dari rangkaian pembagi tegangan. Pada Gambar 3.11 di bawah ini menunjukkan rangkaian penguat selisih. R2
IC LM 324-2
R1
Vin IC LM 35DZ
6 R3
5
-
2 +
7
Output
+12V IC LM 324 4 V+
R4
VReferensi
11
0V
GND
V-
Gambar 3.11 Rangkaian Penguat Selisih/Komparator. (Sumber : Hasil Perancangan) Ramgkaian
penguat
selisih/komparator
membandingkan kedua masukan yaitu VRef dan VLM
ini 35DZ
berfungsi
untuk
yang terlihat pada
Gambar 3.11 di atas. Misalkan tegangan masukan VLM 35DZ adalah 0,36 V, dan tegangan masukan VRef lebih tinggi dari 0,36 V, yaitu 0,40 V, maka keluaran dari rangkaian penguat selisih berpotensial negatif (-). Sedangkan apabila tegangan masukan dari VLM 35DZ adalah 0,40 V dan tegangan masukan dari VRef yaitu 0,36 V, maka keluaran dari rangkaian penguat selisih akan berpotensial positif (+). Jika tegangan masukan dari keduanya sama (VRef = VLM 35DZ), maka keluaran tegangan dari rangkaian penguat selisih adalah 0 Volt. Keluaran/error dari rangkaian penguat selisih ini dirancang agar mampu memicu rangkaian trigger triac sehingga dapat mengalirkan tegangan AC ke beban adalah sebesar + 5 Volt. Sesuai dengan persamaan (2-11) maka didapat perhitungan sebagai berikut.
Vout = (V 1 + V 2) ´
R2 R3
Vout = (V 3 + V 4) ´
R4 R3
atau,
Dengan anggapan bahwa, R1 = R3 dan R2 = R4. Tegangan keluaran dari penguat selisih/komparator dapat dihitung dengan persamaan (2-12), yaitu :
Apabila, Vref
= 0,40 Volt
VLM35DZ = 0,36 Volt
Vout
= (VinLM35DZ - Vref)
R2 R3
= (0,36V – 0,40V)
100kW 10kW
= - 0,04 V . 10 = - 0,4 Volt Polaritasnya negatif (-) Apabila, Vref
= 0,40 Volt
VLM35DZ = 0,40 Volt
Vout
= (VinLM35DZ - Vref)
R2 R3
= (0,40V – 0,40V)
100kW 10kW
= 0 . 10 = 0 Volt Apabila, Vref
= 0,40 Volt
VLM35DZ = 0,41 Volt
Vout
= (VinLM35DZ - Vref)
R2 R3
100kW 10kW
= (0,41V – 0,40V) = 0,01 V . 10
= 0,1 Volt Polaritasnya positif (+) 3.1.2.5 Blok Perancangan Rangkaian Penguat Membalik/Inverting Rangkaian dasar penguat inverting adalah seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3.12, dimana sinyal masukannya dibuat melalui input inverting. Seperti tersirat pada mananya tentu sudah menduga bahwa fase keluaran dari penguat inverting ini akan selalu berbalikan dengan input-nya. Apabila isyarat diberikan positif (+) yang masuk pada penguat inverting, maka keluaran akan berbalik menjadi negatif (-). R6
IC LM 324-4
14
Output
+
4 -
+12V
R5
Term inal Input
13
12
0V IC LM 324 4 V+ 11
V-
GND
Gambar 3.12 Rangkaian Penguat Membalik/Inverting. (Sumber : Hasil Perancangan) Penguatan (Vout) dari rangkaian penguat inverting adalah - 10 kali dari input-nya, karena R6 yang digunakan adalah 100kΩ sedangkan untuk R5 digunakan 10kΩ. sesuai dengan persamaan (2-8) berikut ini.
Av = -
=-
Rf Rin 100kW 10kW
= -10
Perhitungan tegangan keluaran penguat inverting sesuai dengan persamaan (2-8) adalah sebagai berikut. Vout = - Av . Vin Apabila Vin = - 0,4 Volt, maka keluaran dari penguat inverting mengikuti persamaan berikut ini :
Vout = - Av . Vin = - 10 . (- 0,4V) = + 4 Volt Sedangkan apabila Vin = 0,1 Volt, maka : Vout = - Av . Vin = - 10 . 0,1 Volt = - 1 Volt Dan apabila Vin = 0 Volt, maka : Vout = - Av . Vin = - 10 . 0 Volt = 0 Volt
3.1.2.6 Blok Perancangan Rangkaian Trigger Triac dengan Optocoupler TLP621 Rangkaian trigger triac terdiri dari dua komponen optocoupler dan triac. Dimana Optocoupler berfungsi sebagai isolasi antar rangkaian pengolah sinyal DC dengan rangkaian pengolah sinyal AC, dan triac berfungsi sebagai sakelar elektrik tegangan AC untuk penyalaan bantal penghangat. Triac dapat melewati tegangan AC dari 0 Volt AC sampai 220 Volt AC. Triac tidak akan menghantar atau Off meskipun diberikan tegangan maju sampai pada tegangan break over-nya triac tersebut dicapai. Pada Gambar 3.13 di bawah ini menunjukkan rangkaian trigger triac.
AC Vcc + R7
Vin
Pemanas
Vsat
VF
R8
fuse
IF
Gambar 3.13 Rangkaian Trigger Triac dengan Optocoupler TL621. (Sumber : Hasil Perancangan)
Saat tegangan input (VF) berubah, jumlah cahaya yang mengenai phototransistor juga berubah. Hal ini berarti arus (If) mengalir melalui kolektor dan keluaran dari optocoupler memiliki tegangan sebesar VSAT yang akan berubah sesuai dengan tegangan input-nya. Berdasarkan prinsip kerja dari optocoupler tersebut, maka nilai R7 dan R8 dapat ditentukan dengan persamaan berikut sesuai dengan nilai yang tertera pada datasheet. Diketahui bahwa : Vcc
= 12 Volt
If
= 10 mA
Vf
= 1,3 Volt
VSAT
= 0,4 Volt
Sehingga, R7
=
Vcc - Vf If
=
12Volt - 1,3Volt 10mA
= 1,07 kΩ dan nilai dari R8 dapat ditentukan sebagai berikut :
R8
=
Vcc - Vf - Vsat IR8
=
12Volt - 1,3Volt - 0,4Volt 0,03
= 343,3 Ω Untuk menentukan besarnya arus yang mengalir melalui gate pada triac, dapat ditentukan dengan persamaan sebagai berikut : VR8 = Ig x R8
77,24 = IG x 343,3 IG
=
77,24Volt 343,3W
= 0,224 mA 3.1.2.7 Blok Perancangan Rangkaian Catu Daya 12Volt DC Rangkaian catu daya berfungsi untuk memberikan daya kepada masingmasing komponen rangkaian sehingga sistem beroperasi secara normal. Rangkaian catu daya ada bermacam-macam tergantung dari tingkat kestabilan yang diinginkan dan tegangan keluaran yang dibutuhkan untuk pengoperasian suatu rangkaian. Terdapat dua jenis rangkaian catu daya yang memenuhi kebutuhan tersebut, yaitu sumber daya dengan regulasi linier (Linier Regulated Power Supply) dan sumber daya dengan regulasi switching (Switching Regulated Supply). Dalam rangkaian catu daya yang digunakan dalam perancangan ini menggunakan sumber daya dengan regulasi linier dengan menggunakan IC regulator (IC penstabil tegangan), maka bentuk dari rangkaian catu daya yang dibuat akan sederhana, ekonomis, dan tegangan keluaran yang dihasilkan akan tetap konstan tergantung dari pemilihan IC regulator sesuai dengan kebutuhan daya. Pada Gambar 3.14 di bawah ini memperlihatkan rancangan catu daya 12 Volt yang digunakan.
Trafo 1A 220VAC
AC1
IN
0 AC
Minus
Plus C1
12
R1 + -
AC2
A
AN7812 OUT GND
+12VDC + -
C2
K
GND
Gambar 3.14 Rancangan Rangkaian Catu Daya 12 Volt DC. (Sumber : Hasil Perancangan) Prinsip kerja dari rangkaian catu daya DC di atas adalah tegangan dari PLN 220V AC diturunkan (Step Down) terlebih dahulu dengan bantuan dari trafo penurun tegangan sehinnga menjadi 12V AC, karena rangkaian membutuhkan tegangan searah maka gelombang tegangan keluaran dari trafo skunder disearahkan terlebih dahulu dengan penggunaan dioda jembatan penyearah. Karena keluaran gelombang dari dioda jembatan masih belum berupa gelombang tegangan DC murni sehingga pemasangan capasitor elektrolit (C1) 2200µF/25volt secara parallel membantu untuk menyaring tegangan keluaran dioda sehingga menghasilkan gelombang yang konstan. Karena rangkaian di-supply oleh tegangan 12V DC, maka terminal keluaran pada capasitor (C1) dehubungkan dengan IC regulator AN7812. Untuk meningkatkan kestabilan tegangan keluaran pada IC regulator, maka ditambahkan capasitor elektrolit (C2) 1000µF/16Volt. Dan sebagai indikator aktif dan tidaknya rangkaian catu daya, dipasang sebuah LED dengan tahanan sebesar 1 kΩ dengan perhitungan sebagai berikut.
Diketahui tegangan sumber (Vs) = 12 Volt, arus yang diberikan untuk LED adalah sebesar 10mA dan tegangan yang diberikan agar LED bekerja (menyala) normal adalah sebesar 3 Volt. Dengan menggunakan persamaan (2-19), maka diketahui : Jadi, R=
Vs - 2Volt I
=
12Volt - 2Volt 10mA
=
10Volt 10mA
=
1kΩ
3.2 Prinsip Kerja Rangkaian Kontrol Suhu Bantal penghangat Secara keseluruhan prinsip kerja rangkaian kintrol bantal penghangat ini dimulai dari suhu didalam bantal penghangat terukur oleh sensor suhu IC LM35DZ yang diberikan supply daya +12 Volt dari rangkaian kontrol bantal penghangat. Dengan disensornya suhu oleh sensor suhu LM35DZ, maka pin ke-2 dari sensor suhu LM35DZ sebagai Vout/tegangan keluaran yang akan mengalami perubahan tegangan sebesar 10 mV untuk setiap perubahan kenaikan temperatur suhu 10 C memenuhi persamaan (2-13) dengan T adalah temperatur yang dideteksi dalam derajad Celsius (0C). Untuk memurnikan Vout dari LM35DZ dipasang pada Pin 1 dan pin 3 dengan sebuah kapasitor milarr (C1)
100 nF.
Misalkan saat suhu yang disensor oleh LM35DZ adalah sebesar 0,360 C, maka Vout dari LM35DZ pin ke-2 adalah sebesar 0,371 Volt menurut pengukuran,
sedangkan menurut perhitungan adalah sebesar 0,36 Volt. Hal ini disebabkan oleh beberapa faktor yaitu, pengkalibrasian alat yang tidak tepat, dan nilai komponen yang digunakan memiliki niai toleransi yang cukup besar yaitu 5%. Vout dari LM35DZ ini nantinya akan menjadi Vin ke rangkaian penguat selisih/komparator. Untuk tegangan referensi agar mengasilkan tegangan yang presisi, digunakan IC TL431 yang sesuai dengan datasheet (+2,5 V precision voltage reference) berfungsi sebagai regulator tegangan dengan output +2,5 Volt. Alasan menggunakan IC TL431 ini adalah agar nantinya tegangan maksimal output-nya tidak melebihi tegangan +2,5 V sehingga dapat membandingkan tegangan output dari sensor suhu LM35DZ tidak terlalu jauh. Potensio 5 kΩ, dan R3 sebesar 22 kΩ membentuk rangkaian pembagi tegangan yang akan mementukaan harga tegangan referensi (Vref) 0 V - 0,462 V). R4 ditentukan nilainya sebesar 1 kΩ. R4 ini digunakan untuk membatasi arus langsung melalui TL431 sesuai dengan datasheet dan untuk mendapatkan hasil pengukuran output dari tegangan referensi benar-benar 0 Volt, maka dipasang dioda zener IN4148 pada power supply. Menurut persamaan (2-29), maka didalam perhitungan didapat Vout maksimal dari pembagi tegangan adalah 0, 47 V. apabila dinyatakan dalam temperatur maka menyatakan maksimal suhu adalah 470 C. Sebelum digunakan sebagai tegangan referensi (Vref), Vout dari pembagi tegangan tadi masuk ke rangkaian penyangga/buffer. Tujuan manggunakan rangkaian penyangga ini adalah agar tegangan tidak turun karena pembebanan pada blok rangkaian sebelumnya yaitu rangkaian pembagi tegangan. Penyangga ini memiliki upan balik negatif 100% karena keluarannya disambung langsung dengan masukan yang membalikkan sehingga tegangan keluarannya adalah sama dengan masukan. Output dari
rangkaian penyangga ini yang akan menjadi Vref dalam rangkaian penguat selisih/komparator nantinya. Rangkaian penguat selisih/komparator pada IC LM324 pada Op-Amp 2 akan melakukan perbandingan terhadap V1 dan V2 yang masuk ke dalam kedua input dari penguat selisih tersebut. Dalam perancangan rangkaian ini, Vout dari rangkaian penyangga (Vref) terhubung dengan masukan membalik/inverting (-), sedangkan untuk Vout dari Sensor LM35DZ (Vin) yang terhubung dengan masukan tak membalik/non-inverting (+) pada rangkaian penguat selisih/komparator yang berfungsi untuk membandingkan kedua masukan Vref dan VLM35DZ sehingga akan timbul error dari pembanding tersebut. Error ini dapat perpolaritas positif (+) maupun negatif (-), misalkan tegangan masukan VLM35DZ 0,36 V dan masukan Vref diberi tegangan acuan/referensi lebih tinggi dari 0,36 V, yaitu 0,40 V, maka keluaran dari penguat selisih berpolaritas negatif (-). Sedangkan apabila masukan VLM35DZ tegangannya 0,41 V dan tegangan masukan Vref diberi tegangan lebih rendah yaitu 0,40 V, maka keluaran dari penguat selisih akan berpotensial positif (+), jika kedua masukannya sama (Vref = VLM35DZ), keluaran tegangan dari penguat selisih adalah 0V. Error yang dirancang agar dapat men-trigger triac sebagai sakelar elektrik adalah sebesar +5 Volt, sesudah dikuatkan terlebih dahulu sebesar 10 kali oleh rangkaian inverting. Hasil perbandingan/error selanjutnya masuk ke blok rangkaian inverting dengan penguatan 10 kali, hal ini dikarenakan hasil Vout dari rangkaian penguat selisih/komparator sangatlah kecil atau tidak mampu memberikan respon ke blok rangkaian trigger triac sehingga triac tidak dapat bekerja (ON). Selanjutnya output dari rangkaian penguat selisih yang polaritasnya negatif (-) ini akan dikuatkan oleh penguat mambalik/inverting yang tadinya berpolaritas negatif (-)
menjadi berpolaritas positif (+) sebesar +5 V, akan membuat optocoupler aktif dan memberikan arus pada gate triac, sehingga triac dapat mengalirkan tegangan AC ke bantal penghangat dan menghasilkan panas. Selanjutnya apabila VLM35DZ sama dengan tegangan Vref, maka Vout dari rangkaian penguat selisih akan sama dengan 0 Volt, atau kurang dari batas error +5 Volt bahkan berpolaritas negatif (), maka optocoupler tidak aktif sehingga tidak memberikan arus picu pada triac maka triac tidak lagi mengalirkan tegangan AC ke bantal penghangat sehinga tidak lagi menghasilkan penas. Demikian seterusnya rangkaian kontrol bantal penghangat listik akan bekerja.
3.3
Perancangan Penggunaan Alat Bantal penghangat Dalam Gambar 3.15 di bawah memperlihatkan ilustrasi penggunaan alat
bantal penghangat.
Gambar 3.15 Ilustrasi Penggunaan Alat Bantal penghangat. (Sumber : Hasil Perancangan)
Cara penggunaan alat bantal penghangat ini sangatlah mudah, karena dapat digunakan diseluruh tubuh, tidak cuma dikepala saja, tapi dapat juga digunakan dibagian tubuh seperti, lengan, pinggang, paha, dan juga dapat digunakan pada telapak kaki. Alat ini aman untuk digunakan, karena dalam pembuatan bantal yang terdapat elemen pemanas di dalamnya tersebut sudah dilapisi dengan beberapa lapisan. Hanya saja apabila digunakan dalam keadaan berkeringat, cukup dengan melapisi handuk kering di atas bantal agar air keringat tidak dapat menetes kedalam rangkaian elemen pemanas didalam bantal. Hasil panas yang tercipta pada bantal penghangat dapat diatur sesuai dengan keinginan pengguna. 3.4
Lokasi Penelitian Sebelumnya penulis melakukan survey ke daerah pemukiman penduduk
yang menggunakan penghangat seperti handuk yang direndam air hangat atau dengan merendam kaki dengan air hangat. Tempat yang dijadikan survey adalah desa macang bebandem kabupaten Amlapura. Daerah ini memiliki suhu yang relatif rendah disaat musim dingin tiba. Dalam melakukan tahap perancangan, pembuatan, dan pengujian alat bantal penghangat ini dilakukan di ruang Lab Jurusan Teknik Elakktronika Universitas Pendidikan Ganesha. 3.6
Instrumen Penelitian Adapun peralatan yang digunakan saat melakukan penelitian dapat dilihat
peda Tabel 3.1 di bawah ini :
Tabel 3.1. Nama dan Jumlah Instrumen yang digunakan dalam Proses Penelitian. No.
Nama Alat
Jumlah
Fungsi Mengukur besaran suhu yang terbaca
1.
Thermometer Digital
1 buah
2.
Multimeter Digital
3 buah
3.
Multitester Analog
1 buah
4.
Kalkulator
1 buah
dari bantal penghangat Mengukur Besaran tegangan yang terdapat pada titik-titik pengukuran Mengukur Besaran tegangan yang terdapat pada titik-titik pengukuran Membantu dalam proses perhitungan
Serta bahan-bahan dan peralatan yang digunakan dalam pembuatan alat bantal penghangat ini dapat dilihat pada Tabel 3.2 dan Tabel 3.3 sebagai berikut : Tabel 3.2. Daftar Nama Alat dan Fungsi Alat.
No.
Nama Alat
Fungsi
Jumlah
1
Cutter
Untuk memotong bagian-bagian bahan
1 buah
Untuk memotong bagian-bagian yang 2
Gunting
3
Spidol
Untuk memberikan tanda pada bahan
1 buah
4
Penggaris
Untuk mengukur ukuran bahan
1 buah
lebih pada bahan
1 buah
Tabel 3.3. Daftar Nama Bahan-bahan Pembuatan Alat. No
Nama Bahan
Jumlah/Ukuran
1
Spons
40 cm x 30 cm
2
Kawat Pemanas
12 meter
3
Benang Asbes
2 meter
4
Lem fox putih (kayu)
1 bungkus
5
Acrylic Transparan
3.7
25 x 20 cm x 2 buah, 7 x 15 cm x 2 buah
Pengumpulan Data Apabila hasil perancangan dan pembuatan telah sesuai dengan tahapan-
tahapan yang telah ditetapkan sebelumnya maka, rangkaian kontrol suhu pada alat bantal penghangat dilakukan pengujian perblok. Melakukan pencatatan dan pengumpulan data , yaitu melakukan pengukuranpengukuran tegangan dari tiaptiap blok rangkaian dengan menggunakan alat ukur multitester digital. Apabila hasil pengujian rangkaian perblok rangkaian kontrol suhu telah sesuai dengan yang ditentukan melalui perancangan perhitungan sebelumnya maka proses uji alat keseluruhan dilakukan. Data-data yang diambil dari pengumpulan data untuk pengujian alat meliputi besaran tegangan pada titik-titik pengujian, serta kondisi elemen pemanas. Setelah diperoleh data melalui pengukuran-pengukuran dan pengamatan maka data yang didapat kemudian dilakukan analisa data. 3.8
Analisa Data
Data-data yang diambil dalam pengumpulan data sebelumnya terdiri dari data hasil pengamatan dan pengukuran pada setiap rancangan, baik dari rancangan bentuk konstruksi dan disain maupun data-data tentang pengujian rangkaian kontrol suhu bantal penghangat pada setiap blok rangkaian penunjang. Apabila telah sesuai dengan perancangan sebelumnya dengan batas toleransi yang ditetapkan maka dilakukan pengujian alat secara keseluruhan. Pengujian alat keseluruhan dimulai dengan memberikan set-point 0,400 Volt. Kondisi dari elemen Kawat pemanas tercatat dalam sebuah tabel yang disajikan secara jelas. Untuk melengkapi dan memperjelas dalam pembacaan tabel maka dibuat suatu grafik hubungan antara suhu dengan tegangan yang diperlukan untuk pencapaian suatu titik suhu dalam pengujian alat. Selanjutnya dilakukan pembahasan melalui tabel yang dibuat.
