BAB IITINJAUAN PUSTAKA

4

BAB IITINJAUAN PUSTAKA

2.1 Termoelektrik Thermoelektrik merupakan fenomena fisika yang terjadi karena konversi energi panas menjadi energi listrik.Thermoelektrik terdiri dari bahan semikonduktor tipe N dan semikonduktor tipe P. prinsip dasar konversi energi pada thermoelektrik ini di dasarkan pada efek seebeck.Fenomena termoelektrik ini ditemukan pertama kali oleh ilmuwan jerman pada tahun 1821, Thomas Johann Seebeck.Ia menghubungkan tembaga dan besi dalam sebuah rangkaian. Diantara kedua logam tersebut di letakkan jarum kompas. Ketika salah satu sisi logam tersebut dipanaskan, jarum kompas ternyata bergerak. Thomas J. seebeck memahami ini sebagai gejalah medan magnetik dengan asumsi hanya gejalah magnetiklah yang akan terjadi pada percobaannya, sehingga efek ini dinamkaannya dengan istilah termomagnetik. hingga pada akhirnya fisikawan dari denmark Hans Christian Orsted menyempurnakan teori Thomas J. Seebeck tersebut,dengan mengatakan bahwa ada arus yang mengalir dalam proses tersebut tidak hanya medan magnetik saja dan jika menciptakan suatu loop tertutup untuk sistem tersebut, maka akan memperoleh EMF (Electromotion Force) dengan nilai sebesar microvolt per kelvin, atau kenaikan 1mV setiap 1 kelvinnya untuk EMF yang dapat dihasilkan oleh sistem tersebut. fenomena yang terjadi pada thermoelektrik tersebut dikenal dengan efek seebeck. Pada tahun 1934 Jean Charles Peltier menemukan fenomena termoelektrik yang berlawanan dengan milik Thomas Johann Seebeck, Charles Peltier mencoba melakukan percobaan yang berbeda dengan Seebeck. Ketika arus listtrik melewati persambungan dari pada konduktor yang saling berbeda jenis maka akan timbul perbedaan suhu di kedua konduktor tersebut. Konduktor yang satu akan menyerap panas dari lingkungan dan konduktor yang satu lagi akan melepas panas ke lingkungan. Sekarang sistem termoelektrik sedang banyak dikembangkan diberbagai negara agar dapat digunakan sebagai sumber energi alternatif, pengembangan termoelektrik tersebut sangat pesat, terutama pada negara-negara yang sedang

Universitas Sumatera Utara

5

bekembang.Termoelektrik kadang digunakan sebagai pengganti solarcell yaitu solartermal, dengan mengubah nilai panas dari pada matahari menjadi energi listrik. Efisiensi dari pada modul-modul termoelektrik yang ada pada saat ini masih terbilang rendah, oleh karena itu penelitian akan termoelektrik terus di tingkatkan oleh para pengembang serta peneliti untuk mencapai nilai efisiensi yang cukup tinggi agar dapat mendekati efisiensi Carnot.

2.2 Efek seebeck Efek seebeck merupakan suatu fenomena yang terjadi pada suatu bahan semikonduktor dimana perbedaan temperatur menghasilkan energi listrik.Di dalam sebuah semikonduktor intriksi, seperti germanium murni atau silikon murni.terdapat dua jenis pembawa arus: elektron dan hole. Elektron-elektron pembawa arus adalah elektron-elektron pada tingkat-tingkat energi tertinggi di dalam pita valensi, yang telah menerima cukup energi ( biasanya dalam bentuk panas) sehingga dapat menyeberangi celah ‘terlarang’ yang relatif sempit ke pita konduksi.

Gambar 2.1 Efek Seebeck


6

Untuk bahan-bahan semikonduktor yang tipikal, celah energi ini besarnya sekitar satu elektrovolt. Tempat-tempat kosong ini disebut sebagai hole(lubang), dan demi kepentingan teoritis untuk menjelaskan berbagai karakteristik bahan semikonduktor, maka kita akan memandang hole sebagai sebuah pembawa muatan positif, yang memiliki muatan +e, mobilitas µh. Semikonduktor yang tersusun oleh type N dan type P akan mengalami perpindahan muatan elektron akibat energi panas yang diberikan. Elektron pembawa muatan akan dipengaruhi oleh energi eksternal biasanya berupa energi panas yang menyebabkan elektron valensi pada atom akan bereaksi atau mengalami perpindaha µh dan masa efektif yang setara dengan massa elektron. Elektron dan hole bergerak dalam pengaruh medan listrik, dan keduanya bergerak kearah yang berlawanan; sehingga, masingmasingnya memberikan kontribusi pada arus total kearah yang sama. Proses inilah yang terjadi terhadap semikonduktor sehingga efek seebeck bisa mengkonversi energi panas menjadi energi listrik. Perubahan nilai tegangan yang terjadi pada modul termoelektrik sesuai dengan besar nilai beda suhunya disebut koefisien Seebeck atau sensitifitas termoelektrik.Dalam perhitungan tegangan yang dapat dihasilkan oleh proses termoelektrik ini adalah : V

αAB=ΔT .............................................................................................................(2.1) T2

V= ∫T1 �αB (T) − αA (T)�dT.............................................................................. .(2.2)

Dimana αA dan αB adalah koefisien Seebeck dari logam A dan B sebagai fungsi dari temperatur, T2 dan T1 adalah temperatur persambungan dari kedua konduktor. Koefisien Seebeck adalah besaran nonlinier sebagai fungsi dari temperatur. Jika nilai koefisien Seebeck konstant untuk jangkauan temperatur yang diukur maka rumus dapat disederhanakan menjadi : V= (αA − αB )*(T2 − T1 ) .............................................................................. ....(2.3)

Tegangan ataupun arus listrik dapat timbul pada persambungan dua buah konduktor pada proses termoelektrik dikarenakan adanya pergerakan dari elektron pada konduktor, yang diakibatkan oleh energi berlebih yang diberikan oleh beda suhu (∆T = T2 – T1) yang memaksa elektron pada konduktor berpindah, semakin

besar nilai beda suhu pada konduktor maka akan semakin besar nilai arus dan tegangan yang dihasilkan.


7

Parameter yang paling penting dalam menentukan daya dari pada termoelektrik generator adalah efisiensi dan daya keluarannya. Efisiensi adalah sebuah rentang atau jarak jangkau dari sebuah daya keluaran listrik oleh termoelektrik generator, secara matematis efisiensi modul termoelektrik adalah: 𝑃𝑃

𝜂𝜂 = 𝑞𝑞𝑜𝑜 ............................................................................................................ ....(2.4) ℎ

Daya keluaran dari termoelektrik adalah nilai energi yang terdisipasi pada beban. Daya panas yang diterima modul termoelektrik pada sisi pans diberikan oleh : 1

qh =αTh I+ 2 I2 R+KΔT..................................................................................... ....(2.5) 1

v= 2 αΔT ........................................................................................................ ....(2.6) dan arusnya adalah : I=

αΔT 2R

............................................................................................................. ....(2.7)

maka daya keluarannya : Po =

(αΔT)2 4R

....................................................................................................... ....(2.8)

2.3 Modul Termoelektrik Modul termoelektrik adalah sebuah alat yang mengaplikasikan fenomena termoelektrik sebagai dasar kerjanya yang berfungsi sebagai alat pengkonversi energi panas menjadi energi listrik, demikian juga sebaliknya mengkonversi energi listrik menjadi energi panas.Modul termoelektrik tersusun dari sekumpulan matrik yang tersusun atas beberapa sambungan konduktor, yang mana konduktorkonduktor tersebut tersusun secara seri dan paralel.Setiap susunan dari pada konduktor tersebut memiliki fungsinya masing-msing, susunan seri untuk meningkatkan tegangan keluaran yang dihasilkan oleh modul dan susunan paralel untuk meningkatkan arus keluaran dari modul termoelektrik. Dalam pembuatan sebuah modul termoelektrik yang harus diperhatikan adalah Figure of Merit dari bahan pembentuk. Figure of Merit merupakan faktor utama yang harus diperhatikan dari suatu bahan konduktor dalam pembuatan sebuah modul termoelektrik, kesanggupan bahan untuk menghantarkan listrik dengan baik, dapat terjadinya perpindahan elektron pada bahan, yang hanya


8

dengan beda suhu yang relatif rendah dan kesanggupan bahan untuk menerima panas yang tinggi secara terus menerus dalam waktu yang lama itu semua diperlukan untuk membentuk modul yang baik. Modul Termoelektrik yang sekarang beredar dipasaran menggunakan bahan semikondukktor sebagai komponen utamanya (Bi2Te3, PbTe, dan SiGe) dan tembaga (Cu) sebagai akselerator atau pembantu dalam proses perpindahan elektron untuk meningkatkan nilai keluaran dari modul. Pada saat ini Bi2Te3 memiliki Figure of Merit yang paling tinggi, namun karena terurai dan teroksidasi pada suhu 500oC pengguaannya masih terbatas. Rendahnya Figure of merit dari pada bahan penyusun modul menyebabkan rendahnya nilai efisiensi konversi yang dihasilkan oleh modul termoelektrik, yang mana saat ini nilai efisiensi dari pada modul termoelektrik masih dibawah 10% dan terus menurun pada penggunaannya sebagai sebuah generator, namun setelah pihak Yamaha.Co,Ltd berhasil menaikkan Figure of Merit dari pada bahan sebesar 40% dari yang ada selama ini, meningkatkan semangat para peneliti lain untuk ikut juga dalam pengembangan tersebut.

Gambar 2.2 Contoh modul termoelektrik elemen TEG

Dalam

pengaplikasiannya

termoelektrik

pada

suatu

peralatan

membutuhkan penyetelan yang cukup baik, dikarenakan sebagian besar dari komponen-komponen listrik sangat sensitif dengan panas. Panas yang berlebih dapat mempengaruhi efisinsi bahkan kinerja komponen listrik yang lain. Pada tahun 1977, NASA menerbangkan sebuah pesawat ulang-aling pertama didunia yang menggunakan modul termoelektrik pada bagian sumber tenaganya yaitu pesawat voyager I dan voyager II, karena pesawat tersebut diperuntukkan untuk


9

mencari informasi mengenai luar angkasa sehingga pesawat tersebut memerlukan tenaga yang stabil untuk dapat mengelola data sampel yang didapat. Pada bagian modul termoelektrik yang digunakan oleh pesawat voyager I dan II adalah jenis RTGs (Radioisotop Terrmoelektric Generators).RTGs merupakan modul termoelektrik yang menggunakan radiasi sebagai sumber panasnya, dan pada bagian pemanasnya RTGs menggunakan Plutonium238.Sistem tersebut mampu menghasilkan energi listrik sebesar 400W secara kontinu tanpa perawatan apapun. Keberhasilan NASA ini memberikan peluang yang luas dalam aplikasi lainnya.Salah satunya adalah yang dikerjakan oleh salah satu perusahaan mobil yang cukup terkenal yaitu NISSAN, dengan memanfaatkan panas dari mesin mobil. Seperti yang kita ketahui, bahan bakar yang kita gunakan untuk kendaraan kita tidak semuanya berubah menjadi tenaga penggerak, jika kita persentasekan, dari 100% bahan bakar yang kita pakai, hanya sekitar 30% dari bahan bakar tersebut yang kita gunakan untuk menjalankan kendaraan kita, sebagian besar energi dari bahan bakar tersebut berubah menjadi bentuk panas di radiator dan gas buangan. Diantara kedua panas tersebut, gas buangan memiliki perbedaan panas yang lebih tinggi, yakni sekitar 300 - 700 derajat Celcius, sehingga lebih baik untuk dikonversikan menjadi energi penggerak mobil. Dengan memanfaarkan gas buangan ini, mobil-mobil produksi NISSAN mampu menghemat bahan bakar sebesar 10%.

2.4 Sensor Sensor sering didefinisikan sebagai “alat yang menerima dan merespon sebuah sinyal atau rangsangan” Sensor sebenarnya adalah alat yang menyeleksi setiap data (sinyal) atau rangsangan. Ada dua jenis sensor yaitu : sensor lansung dan sensor kompleks. Sensor langsung mengubah rangsangan menjadi sinyal listrik atau merubah sebuah sinyal listrik melalui sebuah efek fisis ataupun respon elektrik, sedangkan pada sebuah sensor kompleks membutuhkan transducer energi tambahan sebelum sensor


10

langsung dapat ditambahkan agar dapat menghasilkan energi keluaran berupa energi listrik.

2.4.1

Sensor Arus

Sensor arus adalah perangkat yang mendeteksi arus listrik baik itu AC ataupun DC pada komponen listrik dan menghasilkan sinyal sebanding dengan arus yang dideteksi. Sinyal yang dihasilkan oleh sensor arus bisa dalam wujud tegangan analog atau digital dan bisa juga merupakan hambatan arus, respon inilah yang menjadi pembacaan oleh alat ukur Berdasarkan cara kerjanya sensor arus terbagi menjadi dua, yaitu sensor arus analog dan sensor arus terpadu. Sensor arus analog adalah sensor arus yang memanfaatkan sifat dari komponen-komponen listrik dasar seperti dioda atau resistor, dan disusun sedemikian rupa sehingga dapat memberikan suatu respon yang dibutuhkan oleh penggunanya.Sensor arus terpadu ialah sensor arus yang sudah terakit siap pakai untuk keperluan yang dibutuhkan.Salah satu jenis sensor arus terpadu adalah ACS712, yaitu jenis sensor arus rangkaian terpadu (IC).ACS 712 merupakan salah satu sensor arus yang beredar di pasaran dengan sistem kerja pada low-offset, dan linear-hall.Sebagai sensornya digunakan sambungan tembaga didalam, untuk menciptakan medan magnet yang mana melalui medan magnet inilah ACS 712 menghitung arus.

Gambar 2.3 sensor arus IC ACS-712

Keakuratan dari ACS712 ini tergantung pada seberapa dekat sinyal magnet ke transducer hall, ketepatan dan besar tegangan yang dihasilkan oleh ACS712 sudah diatur oleh low-offset, tembaga-penstabil BiCMOS Hall-IC, yang mana sudah rancang pada saat pembuatan di pabrik. Keluaran dari pada ACS712 merupakan slop yang positif, ketika sebuah arus yang meningkat nilainya


11

melewati jalur tembaga konduksi primer (dari pin 1 dan 2 ke pin 3 dan 4), dimana yang mana jalur digunakan untuk mengukur nilai arus tersebut, hambatan dalam sebesar 1,2mΩ

Gambar 2.4 diagram dari ACS-712

2.4.2

Sensor Tegangan

Sensor tegangan adalah sebuah alat yang digunakan untuk mengukur nilai tegangan atau melakukan pembatasan pada tegangan tertentu.Jika dilihat dari sinyal keluarannya sensor tegangan ada dua tipe yaitu sensor tegangan digital dan sensor tegangan analog.Sensor tegangan digital adalah sensor tegangan yang telah terpabrikasi dan disusun sedemikian rupa, namun sensor tegangan digital tetap membutuhkan komponen-komponen tambahan untuk menghasilkan keluaran yang baik dan dapat dibaca oleh perangkat mikrokontrol.Sedangkan sensor tegangan analog hanya memanfaatkan sifat dari komponen dasar elektronik seperti halnya resistor yang dirangkai secara seri. Resistor yang dirangkai secara seri akan memisahkan tegangan sesuai dengan besar perbandingan nilai resistor yang kita pilih dengan nilai hambatan total dikalikan dengan tegangan masukannya. 𝑉𝑉𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜 = 𝑅𝑅 Atau

𝑅𝑅

𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡

∗ 𝑉𝑉𝑖𝑖 ........................................................................................... ....(2.9)

𝑉𝑉𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜 = 𝑅𝑅 ∗ 𝐼𝐼𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡 ............................................................................................ . (2.10)


12

R1 10 K R2 1K

Gambar 2.5. Sensor tegangan Dalam hal ini kita memanfaatkan sifat resistor pada rangkaian seri, yaitu resistor sebagai pembagi tegangan.Dengan mengatur hambatan dengan parameter yang kita inginkan maka kita dapat mendeteksi tegangan sesuai dengan parameter yang kita buatSensor tegangan analog inipun tetap membutuhkan rangkaian tambahan agar keluaran yang dihasilkan oleh sensor dapat dibaca oleh mikrokontrol seperti halnya sensor digital yaitu, rangkaian pengkondisi sinyal.Rangkaian pengkondisi sinyal yang digunakan untuk setiap sensorpun disesuaikan dengan keluaran yang dihasilkan oleh masing-masing sensor.

2.4.3

Sensor Termal

Sensor Termal adalah alat yang dapat mendeteksi perubahan suhu dengan keluarannya berupa signal listrik sehingga nilai tersebut dapat terukur. Nilai yang diukur oleh sensor termal adalah perubahan suhu pada suatu benda sumber panas, bukan intensitas panas dari benda tersebut. Jenis sensor termal begitu banyak beredar dipasaran, yaitu thermistor (NTC (Negative Termal Coeficient), PTC (Positive Termal Coeficient) dan CTR (Critical Temperatur Resistance)), termokopel, RTD (Resistance Temperature Detector), sensor termal rangkaian terpadu (IC) masing-masing sensor memiliki batasan-batasannya tersendiri dan bahkan memiliki kondisi khusus atau parameter tersendiri dalam melakukan indikasi terhadap panas, dan salah satu sensor termal yang paling sering digunakan dipasaran dan terutama diindustri adalah termokopel.Termokopel memiliki jenis respon yang sama dengan sensor termal jenis IC, yaitu termokopel merasakan perubahan suhu dan mengindikasikannya dengan perubahan nilai tegangan. Termokopel mampu mengukur temperatur dalam jangkauan suhu yang


13

cukup besar dengan batas kesalahan pengukuran kurang dari 1oC. Untuk mengukur perubahan panas yang terjadi pada benda, gabungan dua jenis konduktor sering digunakan pada ujung termokopel yang menyentuh benda panas yang akan diukur. Konduktor tersebut kemudian akan mengalami gradiasi suhu dan mengalami perubahan tegangan yang berbeda sesuai dengan kenaikan temperatur.Termokopel mengukur temperatur diantara dua titik acuan, dan bukannya temperatur absolut. Cara kerja dari sebuah termokopel adalah dengan menetapkan suatu suhu referensi pada salah satu ujung termokopel (termokopel akan menjadikan suhu sekitar menjadi suhu acuannya) dan ujung termokopel yang lain diarahkan ke pada benda yang ingin diukur suhunya. Termokopel yang digunakan pada alat ini adalah termokopeltipe K. Termokople tipe K sering digunakan untuk pemakaian umum, harga lebih murah dibandingkan dengan termokopel jenis yang lainnya. Kelebihan termokopel dari pada sensor termal yang lain sehingga termokopel lebih sering digunakan adalah: 1. Respon yang cepat terhadap perubahan suhu 2. Akurasi yang tepat dalam pengukuran suhu 3. Baik digunakan untuk pengukuran variasi suhu dengan jarak kurang dari 1cm 4. Termokopel tidak mudah rusak dalam penggunaannya (pengukuran yang lari). Namun termokopel tidak luput dari pada beberapa kekurangannya:Kalibrasinya yang sulit, Hanya dapat digunakan mengukur beda suhu tidak langsung nilai suhu tersebutDalam penggunaannya yang membedakan suhu benda yang diukur dengan suhu ruangan membuat hal tersebut menjadi kelemahan terbesar bagi termokopel, oleh karena itu termokopel sering di bantu pada rangkaian standarnya dengan menambahkan diode atau komponen lain yang sensitif dengan kenaikan suhu pada persambungan komponen agar tidak mengalami gradiasi suhu yang tinggi.

Gambar 2.6 Termokopel


14

2.5 MAX 6675 MAX 6675 adalah pengubah sinyal termokopel menjadi digital dengan masukan data 12-bit ADC (Analog to Digital Converter). MAX 6675 menyesuaikan masukan dari sisi dingin termokopel dan mengoreksinya, sebuah kontroler digital, interface SPI (Serial Peripheral Interface) yang compatibel, dan logic kontrol yang terasosiasi. MAX 6675 didesain untuk bekerja dengan mikrokontrol pengukur panas pintar lainnya, kontrol proses atau aplikasi monitoring Pada MAX 6675 juga sudah terdapat pengkondisi sinyal untuk mengubah sinyal dari termokopel menjadi tegangan yang sesuai dengan kriteria dari input channel dari ADC. Masukkan dari T+ dan T- terhubung ke sirkuit yang ada pada MAX 6675 yang berfungsi untuk mengurangi noise-noise yang ikut masuk bersamaan dengan input dari termokopel. Sebelum diubah tegangan dari termokopel menjadi temperatur yang ekuivalent, MAX 6675 melakukan penyelarasan terhadap sisi dingin termokopel dengan sebuah acuan 0oC virtual milik MAX 6675. Untuk tipe termokopel tipe-K tegangan berubah 41µV/oC, yang kira-kira karakteristik termokopelnya sama dengan persamaan liniear berikut : 𝑉𝑉𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜 = (41𝜇𝜇𝜇𝜇/℃) ∗ (𝑇𝑇𝑅𝑅 − 𝑇𝑇𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎 ) ∗ 5 .......................................................... ..(2.11) Dimana : -

Vout adalah tegangan keluaran termokopel (µV)

-

TR adalah temperatur remote persambungan termokopel (oC)

-

Tamb adalah temperatur sekitar (oC) Fungsi dari termokopel adalah untuk merasakan perbedaan temperatur

antara kedua ujung dari pada sisi termokopel. Sisi panas termokopel mampu membaca dari 0oC hingga +1023,75oC. Pada sisi dinginnya (udara sekitar MAX 6675) hanya dapat membaca mulai dari -20oC hingga +85oC. MAX 6675 merasakan dan mengoreksi perbedaan antara udara sekitar dengan cold-junction termokopel. MAX 6675 mengubah pembacaan temperatur udara sekitar dengan menggunakan dioda pengecek suhu. Untuk membaca suhu sebenarnya dari termokopel, MAX 6675 mengukur tegangan keluaran dari coldjunction termokopel dan dari dioda pengecek suhu.Rangkaian dalam alat melewatkan tegangan dioda dan cold-junction termokopel ke ADC untuk pembacaan temperatur dari hot-junction termokopel.


15

Performa optimal dari MAX 6675 diperoleh pada saat temperatur pada cold-junction termokopel dan MAX 6675 berada pada suhu yang sama. Untuk mengurangi ralat dari pembacaan MAX 6675 usahakan menjauhkan MAX 6675 dari peralatan yang memiliki suhu yang cukup tinggi.

2.6 Mikrokontrol Mikrokontroler adalah mikrokomputer chip-tunggal yang dirancang secara spesifik untuk aplikasi-aplikasi kontrol dan bukan untuk aplikasi-aplikasi serbaguna.Aplikasi-aplikasi yang tipikal meliputi kontrol perangkat perangkatperangkat peripheral seperti motor, penggerak, printer, dan komponen-komponen subsistem minor. Mikrokontroller sesuai dengan namanya adalah suatu alat atau komponen pengontrol atau pengendali yang berukuran mikro atau kecil. Bila dibandingkan dengan mikroprosesor, mikrokontroller jauh lebih unggul karena terdapat berbagai alasan diantaranya : 1. Tersedianya Input/Outout I/O dalam mikrokontroller sudah tersedia, sementara pada mikroprosesor dibutuhkan IC tambahan untuk menangani I/O tersebut, IC yang dimaksud adalah PPI 8255. 2. Memori Internal Memori merupakan media untuk menyimpan program dan data sehingga mutlak harus ada. Mikroprosesor belum memiliki memori internal sehingga memerlukan IC memori eksternal Dengan kelebihan-kelebihan diatas mikroprosesor tetap digunakan sebagai dasar dalam mempelajari mikrokontroller. Inti kerja dari keduanya adalah sama, yakni sebagai pegendali suatu sistem. Dengan menggunakan mikrokontroller maka: 1. Sistem elektronik akan menjadi lebih ringkas. 2. Rancang bangun sistem elektronik akan lebih cepat karena sebagian besar dari sistem adalah perangkat lunak yang mudah dimodifikasi. 3. Pencarian gangguan lebih mudah ditelesuri.


16

Mikrokontroller adalah otak dari suatu sistem elektronika seperti halnya mikroprosesor sebagai otak komputer. Namun mikrokontroller memiliki nilai tambah karena didalamnya sudah terdapat memori dan sistem input/output dalam suatu kemasan IC. Mikrokontroller AVR (Alf and Vegard’s RISC processor) standart memiliki arsitektur 8-bit, dimana semua instruksi dikemas dalam kode 16-bit dan sebagian besar instriksi dieksekusi dalam satu siklus clock. Berbeda dengan instruksi MCS-51 yang membutuhkan 12 siklus clock karena memiliki arsitektur CISC (seperti komputer).Bentuk dari mikrokontroler dapat dilihat dari gambar 2.7 berikut.

Gambar 2.7 mikrokontroler

Secara umum, AVR dapat dikelompokkan menjadi 4 kelas, yaitu keluarga ATTiny, keluarga AT90Sxx, keluarga ATMega dan AT89RFxx.Pada dasarnya yang membedakan masing-masing kelas adalah memori, peripheral, dan fungsinya. Dari segi arsitektur dan instruksi yang digunakan, mereka dikatakan hampir sama. Oleh karena itu, dipergunakan salah satu AVR produk Atmel sesuai dengan kebutuhan, yaitu ATMega328.ATMega328 adalah mikrokontroller keluaran dari atmel yang mempunyai arsitektur RISC Reduce Instruction Set Computer) yang dimana setiap proses eksekusi data lebih cepat dari pada arsitektur CISC (Completed Instruction Set Computer). Mikrokontroller ini memiliki beberapa fitur antara lain :


17

a. 130 macam instruksi yang hampir semuanya dieksekusi dalam satu siklus clock. b. 32 x 8-bit register serba guna. c. Kecepatan mencapai 16 MIPS dengan clock 16 MHz. d. 32 KB Flash memory dan pada arduino memiliki bootloader yang menggunakan 2 KB dari flash memori sebagai bootloader. e. Memiliki EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read Only Memory) sebesar 1KB sebagai tempat penyimpanan data semi permanent karena EEPROM tetap dapat menyimpan data meskipun catu daya dimatikan. f. Memiliki SRAM (Static Random Access Memory) sebesar 2KB. g. Memiliki pin I/O digital sebanyak 14 pin 6 diantaranya PWM (Pulse Width Modulation) output. h. Master / Slave SPI Serial interface. Mikrokontroller ATmega 328 memiliki arsitektur Harvard, yaitu memisahkan memori untuk kode program dan memori untuk data sehingga dapat memaksimalkan kerja dan parallelism.Instruksi – instruksi dalam memori program dieksekusi dalam satu alur tunggal, dimana pada saat satu instruksi dikerjakan instruksi berikutnya sudah diambil dari memori program.Konsep inilah yang memungkinkan instruksi – instruksi dapat dieksekusi dalam setiap satu siklus clock. 32 x 8-bit register serba guna digunakan untuk mendukung operasi pada ALU ( Arithmatic Logic unit ) yang dapat dilakukan dalam satu siklus. 6 dari register serbaguna ini dapat digunakan sebagai 3 buah register pointer 16-bit pada mode pengalamatan tidak langsung untuk mengambil data pada ruang memori data. Ketiga register pointer 16-bit ini disebut dengan register X ( gabungan R26 dan R27 ), register Y ( gabungan R28 dan R29 ), dan register Z ( gabungan R30 dan R31 ). Hampir semua instruksi AVR memiliki format 16-bit.Setiap alamat memori program terdiri dari instruksi 16-bit atau 32-bit. Selain register serba guna di atas, terdapat register lain yang terpetakan dengan teknik memory mapped I/O selebar 64 byte. Beberapa register ini digunakan untuk fungsi khusus antara lain sebagai register control Timer/ Counter, Interupsi, ADC, USART, SPI, EEPROM,


18

dan fungsi I/O lainnya. Register – register ini menempati memori pada alamat 0x20h – 0x5F.

2.7 Heatsink Heatsink adalah material yang dapat menyerap dan mendisipasi panas dari suatu tempat yang bersentuhan dengan sumber panas dan membuangnya, dengan mentransfer panas yang dihasilkan oleh peralatan elektronik atau peralatan mekanikal ke pada pendingin yang ada disekitar, dan sering kali pendingin ini adalah udara bebas.Setelah panas ditransfer ke pendingin meninggalkan alat, hal ini memungkinkan temperatur pada alat kembali ke pada suhu standar.Teknologi pendingin ini ditemukan oleh Daniel L Thomas pada tahun 1982. Untuk mengetahui cara kerja heatsink, kita harus tahu bahwa energi panas adalah sebuah respon dari sebuah proses sebuah arus listrik melewati suatu benda atau hambatan panas akan dihasilkan, nilai panas tersebut setara dengan nilai tegangan jatuh jika memiliki sebuah heatsink. Dan kita harus mengetahui jenis bahan yang digunakan dan juga hambatan termal yang mana hambatan termal. Sifat dari hambatan termal sama seperti hambatan listrik, semakin tinggi nilai panas makan semakin tinggi pula nilai hambatan termal pada benda atau hambatan tersebut,dimensi heatsink yang digunkan dapat dilihat pada gambar 2.7

Gambar 2.8 Heatsink

Sebuah heatsink dirancang untuk meningkatkan luas kontak permukaan dengan fluida

disekitarnya, seperti udara. Kecepatan udara pada lingkungan

sekitar, pemilihan material, desain sirip (atau bentuk lainnya) dan surface treatment adalah beberapa faktor yang mempengaruhi tahanan thermal dari


19

heatsink. Thermal adhesive (juga dikenal dengan thermal grease) ditambahkan pada dasar permukaan heatsink agar tidak ada udara yang terjebak di antara heatsink dengan bagian yang akan diserap panasnya.

2.8 Asas Black Asas Black adalah suatu prinsip dalam yang dikemukakan oleh joseph asas black. Asas ini menjabarkan: •

Jika dua buah benda yang berbeda yang dicampurkan, benda yg panas memberi pada benda yang dingin sehingga suhu akhirnya sama

•

Jumlah kalor yang diserap benda dingin sama dengan jumlah kalor yang dilepas benda panas

•

Benda yang didinginkan melepas kalor yang sama besar dengan kalor yang diserap bila dipanaskan

Ilmuwan Inggris Yoseph Black sekitar tahun 1761 ia mengukur kalor laten uap air dan menemukan azas yang disebut azas Black.Bunyi Asas Black adalah sebagai berikut:"Pada pencampuran dua zat, banyaknya kalor yang dilepas zat yang suhunya lebih tinggi sama dengan banyaknya kalor yang diterima zat yang suhunya lebih rendah"Joseph black merumuskan perpindahan kalor antara dua benda yang membentuk suhu termal sebagai berikut:

Qlepas = Qrima Keterangan:

Qlepas :besar kalor yang diberikan(J) Qterima : besar kalor yang diterima (J)

Bila kalor yang dilepas atau yang diterima oleh sebuah benda hanya menyebabkan perubahan suhu benda tersebut, maka jumlah kalor tersebut adalah Q = m x cx∆𝑡𝑡..................................................................................................(2.12) Keterangan: Q

: kalor yang diserap atau dilepaskan (J)

m

: massa zat (gram)

ΔT

: perubahan suhu (0C)

C

: kalor jenis zat (kalori/gram. 0C)


20

2.9 Regulasi Tegangan dengan IC XL6009 Regulasi tegangan secara umum merupakan pengaturan tegangan, yaitu mengatur suatu tegangan agar sesuai dengan tegangan yang dibutuhkan.prinsip kerja dari regulasi tegangan dengan xl6009 ini dengan mengatur PWM pada rangkaian, kontorl PWM ini dapat dikerjakan oleh komponen seperti transistor. Dengan semakin cepat kontorl PWM maka tegangan keluaran yang dihasilkan semakin tinggi.Untuk meregulasi suatu tegangan dapat menggunakan dioda zener ataupun sebuah IC regulator. Penggunaan IC regulator pada suatu sumber tegangan DC merupakan cara yang paling baik untuk menghasilkan tegangan konstan. Dalam IC regulator terdapat rangkaian pengaman yang melindungi IC dari arus atau daya yang terlalu tinggi dan pembatas arus yang dapat mengurangi voltase keluaran jika batas arus terlampaui, seperti IC XL6009 pada gambar 2.11.

Gambar 2.9 IC XL6009

IC regulator XL6009berfungsi sebagaipenguat tegangan input, DC / DC converter yangmampu menghasilkantegangan outputbaik positif atau negatif. Umumnya IC XL6009 digunakan pada rangkaian adaptor notebook, inverting converter dan alat elektronik portable lainnya.IC XL6009 terdiri dari lima buah pin seperti yang terlihat pada gambar 2.12. dan tabel 2.2.

Gambar 2.10. Konfigurasi pin IC XL6009


21

Tabel 2.1. Keterangan Pin IC XL6009 Nomor Pin

Nama Pin

Keterangan

1

GND

Pin Ground.

2

EN

Pin Enable.

3

SW

Pin Switch Daya output

4

VIN

Pin Supply Voltage Input 3.6V – 36V

5

FB

Pin Feedback.

Tabel 2.2. Spesifikasi IC XL6009 Parameter

Symbol

Nilai

Satuan

Input Voltage

Vin

-0.3V – 36

V

Feedback Pin Voltage

VFB

-0.3 – Vin

V

EN Pin Voltage

VEN

-0.3 – Vin

V

Output Swicth Pin Voltage

VOutput

-0.3 – 60

V

Power Dissipation

PD

Internal Terbatas mW

Tabel 2.3. Karakteristik Arus XL6009 Simbol

Parameter

Uji Kondisi Vin

VFB

=

Min

Typ

Max

Satuan

1.213

1.25

1.287

V

-

92

-

%

3.6V

Umpan

untuk

10V

,

Balik

Vout = 12V

Tegangan

Iload = 0.1A 0.5A Vin = 12V ,

Efisiensi

1

Vout = 18V Iout = 3A


22

2.9.1 Rangkaian Sistem Parameter XL6009 Rangakain sistem parameter XL6009 yaitu untuk mengatur suatu tegangan agar sesuai dengan tegangan yang

dibutuhkan Rangkaian dari system parameter

xl6009 dapat dilihat pada gambar 2.10 VOUT L 33µH/5A

D1 IN5824

R2

13.4K

SW VIN

+12V

CIN 220µF

4

3 XL6009 1 GND

25V

5

COUT 220µF/50V

FB

2 EN

ON OFF

1K R1

Gambar 2.11. Rangkaian Sistem Parameter XL6009

Adapun cara kerja rangakain gambar 2.11. yaitu, Ketika switch tertutup maka tegangan input langsung terhubung dengan induktor sehingga energi terkumpul pada induktor, dan pada saat yang sama kapasitor menyuplai energi ke beban. Kemudian ketika switch terbuka maka induktor terhubung dengan output dan juga kapasitor, sehingga energi ditransfer dari induktor ke kapasitor dan beban.Untuk mengetahui tegangan keluaran yang dihasilkan IC XL6009 dapat menggunakan rumus sebagai berikut: R2

Vo = 1.25 �1 + R1�.........................................................................................(2.13) 2.10 Joule Thief Joule thief merupakan rangkaian yang berosilasi yang berfungsi sebagai penguat tegangan

yang

kecil

dan

biasanya

digunakan

pada

rangkaian

beban

ringan.Rangkaian ini dapat menggunakan hampir semua energi dalam baterai, bahkan jauh di bawah tegangan di mana sirkuit lainnya menganggap baterai


23

sepenuhnya habis (atau "mati")." Joule Thief " diciptakan oleh Clive Mitchell dan rangkaian ini pada awalnya terdiri dari satu baterai, satu BC549 NPN transistor, koil dengan dua gulungan, satu resistor ( 1000 ohm ), dan LED putih tunggal. Clive awalnya menamakan sirkuit ini dengan "Vampire Torch", karena mengisap sisa-sisa terakhir dari energi baterai.joule thief ini adalah sebuah rangkaian yang memanfaat sumber energi sekecil apapun untuk menyalakan lampu ataupun alat elektronik lainnya. Pada tahun 1999 mazalah Every Pratical Electronics (EPE) memuat sebuah rangkaian dengan judul “One Volt LED - A Bright Light” oleh Z. Kaparnik.Sirkuit dasar terdiri dari transformator, ZTX450 NPN tegangan transistor converter berdasarkan osilator blocking, yang awalnya digunakan pada tabung vakum / termionik katup.rangkaian ini merupakan variasi dari rangkaian Joule thief. Sejak saat itu joule thief mulai di kenal bahkan sirkuit baru yang dibuat oleh Mitchell pada dasarnya sama dengan sirkuit yang dibuat oleh Kaepernick, kecuali nilai-nilai komponen. Rangkaian Kaeparnik menggunakan nilai resistor 10K meskipun ia menyatakan bahwa resistansi yang lebih rendah, seperti 2K, akan menghasilkan arus yang lebih tinggi. Kaparnik juga menyatakan bahwa transistor NPN dengan VCE yang lebih rendah menghasilkan hasil yang lebih baik. Dia menguji tiga transistor: ZTX450 pada efisiensi 73%, ZTX650 pada efisiensi 79%, BC550 pada efisiensi 57%. Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada gambar 2.11 berikut ini:

Gambar 2.12 Rangkaian Joule thief


24

Prinsip kerja dari rangkaian joule thief ini menggunakan prinsip kerja osilator armstrong. Rangkaian dasar dibuat dengan memberikan panjar maju pada sambungan emitor-basis dan panjar mundur pada kolektor.Saat awal transistor diberi daya, resistor R1 membawa transistor ke titik pengoperasian Q pada bagian tengah garis beban (lihat gambar 2.11).Keluaran transistor (pada kolektor) secara ideal adalah 0 volt. Saat terjadi hantaran arus awal pada saat dihidupkan, terjadi derau (noise) yang akan terlihat pada kolektor. Namun biasanya berharga sangat kecil.Misalnya kita mempunyai isyarat -1 mV yang nampak pada kolektor. Induktor akan membalik tegangan ini dan menurunkannya dengan faktor 10 (dengan perbandingan lilitan pada primer primer-sekunder 1:10). Isyarat sebesar +0,1 mV akan nampak pada rangkaian basis. Perhatikan bahwa transistor memiliki 𝛽𝛽 = 100. Dengan +0,1 mV berada pada basis, Q akan memberikan

isyarat keluaran sebesar -10 mV pada kolektor. Perubahan polaritas dari + ke – pada keluaran akibat adanya

karakteristik dasar penguat emitor bersama.

Tegangan keluaran sekali lagi akan mengalami penurunan oleh induktor dan diberikan pada basis Q . Isyarat kolektor sebesar -10 mV sekarang akan menyebabkan terjadinya tegangan sebesar + 1 mV pada basis. Melalui penguatan transistor, tegangan kolektor akan segera menjadi -100 mV. Proses ini akan berlangsung, menghasilkan tegangan kolektor sebesar -1 V dan akhirnya -10 V. Pada titik ini, transistor akan membawa garis beban sampai mencapai kejenuhan (perhatikan daeran ini pada garis beban). Sampai pada titik ini tegangan kolektor tidak akan berubah. Dengan tanpa adanya perubahan pada Vcpada kumparan primer 1L, tegangan pada kumparan sekunder secepatnya akan menjadi nol. Tegangan basis secapatnya akan kembali pada titik Q. Penurunan tegangan basis ke arah negatif ini (dari jenuh ke titik Q) membawa Vcke arah positif. Melalui induktor, ini akan nampak sebagai tegangan ke arah positif pada basis. Proses ini akan berlangsung melewati titik Q sampai berhenti pada saat titik cutoff dicapai. induktor selanjutnya akan berhenti memberikan masukan tegangan ke basis. Transistor segera akan berbalik arah. Resistormenyebabkan tegangan basis naik lagi ke titik Q. Proses ini akan terus berulang.


BAB IITINJAUAN PUSTAKA

Recommend Documents