Pemanas dengan Sistem Pendeteksi Suhu Otomatis dan Pengaman Kebocoran Panas Yulisdin M ukhlis Any K. Yapie 1,2
I
1
Jurusan Teknik E1ektro Universitas Gunadarma 2
[email protected]
Abstrak Industri yang menggunakan pemanas listrik, membutuhkan perangkat yang dapat mengontrol suhu agar mendapatkan suhu konstan. Selain itu, dibutuhkan juga pengontrol dan pendeteksi panas di luar tungku, untuk mendeteksi kebocoran yang terjadi pada dinding penyekat. Hal ini akan diwujudkan pada suatu rancang bangun sistem pemanas dengan sistem pendeteksi suhu otomatis dan pengendali kebocoran panas dengan mempergunakan pemanas untuk aksi kendali dua tingkat. Tingkat suhu yang ingin dicapai dapat diatur pada tingkat an tara tertentu dan ditampilkan oleh 7-segmen 3 digit. Kinerja rangkaian melalui pendeteksi suhu akan mengubah besaran suhu ke tegangan lalu diumpankan ke rangkaian pembanding. Selanjutnya rangkaian pembanding akan membandingkan tegangan masukan dengan tegangan acuan. Keluaran rangkaian pembanding akan diteruskan oleh rangkaian rele pada setiap tingkat pengendalian. Rele yang telah bekerja akan menyambungkan atau memutus pemanas. Kata kunci: pemanas listrik, pengontrol, pendeteksi, pembanding,
rele
Electric Heater with Automatic Temperature and Heat Leakage Safety System
Detector
Abstract Industry that use electric heater, requires peripheral that can control temperature in order to get constant temperature. In other hand, it also requires controller and heat detector outside the stove, to detect leakage that happened on the wall insulat~r. This condition will be developed at the design of heater system with automatic temperature detector and heat leakage controller by utilizing heaterfor two-storey control action. Desired temperature can be arranged at certain level and presented by 3 digits of seven segment. Circuit performance passed by temperature detector turns temperature quantity to voltage then pass through to circuit comparator. Circuit comparator then compares input voltage with reference voltage. Circuit comparator output will be continued by a relay in each control level. Relay that has worked willjoint or break stove. Keywords: electric heater, controller, detector, comparator, relay
PENDAHULUAN Banyak industri saat ini memanfaatkan kemajuanelektronika untuk proses produksinya. Akibatnya mereka tidak memerlukan banyak karyawan untuk proses produksi tetsebut. Salah satu contoh ada1ah industri yang membutuhkan pemanas (heater) da1amproses industrinya.
186
Penggunaan pemanas da1am industri tidak 1epasdari beberapa permasa1ahan.Salah satunya, pemanas harus memiliki keteba1an dinding standar agar suhu panas yang dihasi1kan oleh pemanas tersebut tidak sampai dirasakan di 1uarpemanas (Naga, 1991).Selain itu perlu diperhatikan bahwa bahan yang digunakan untuk membuat dinding tersebut harus kuat, supaya tidak mudah terjadi ke-
Jurnalllmiah Teknologi & Rekayasa, Volume15 No.3, Desember2010
boeoran. Apabila sampai terjadi keboeoran, akan menimbulkan efek yang eukup fatal seperti terganggunya sistem di luar pemanas atau bahkan dapat merusak sistem tersebut. Selain itu, pemanas juga tidak mampu untuk mendapatkan suhu optimal yang telah ditentukan sehingga proses industri tidak berjalan dengan semestinya. Berkaitan dengan permasalahan tersebut, dalam tulisan ini akan dibahas peraneangan rangkaian elektronika yang dinamakan "Pemanas dengan Sistem Pendeteksi Suhu Otomatis dan Pengaman Keboeoran Panas". Rangkaian ini berfungsi untuk mendeteksi dan menampilkan suhu di dalam pemanas dan juga di luar pemanas tersebut seeara bergantian. Manfaatnya, keboeoran antara sekat pada dinding pemanas dapat dideteksi dengan memantau perubahan suhu di kedua ruangan. Selain itu rangkaian pemanas inijuga mampu mengaktifkan dirinya seeara otomatis apabila suhu yang dikehendaki berubah. Hal ini untuk mempertahankan kondisi ruangan tersebut sehingga selalu memiliki suhu yang tetap. Apabila terjadi keboeoran pada penyekat dinding pemanas dan terjadi kenaikan suhu meneapai nilai ambang yang telah ditentukan di luar pemanas, maka seeara otomatis pemanas listrik akan mati. Pada prinsipnya, dengan pemanas ini perubahan suhu dapat dikendalikan dan tidak menganggu atau merusak sistem di luarnya. METODE PENELITIAN
Penelitian ini diawali dengan identifikasi kebutuhan terhadap sistem pemanas pada industri. Langkah penelitian berikutnya adalah melakukan peraneangan terhadap sistem tersebut dengan pemilihan komponenkomponen elektronika yang dapat memenuhi kebutuhan. Pengujian dilaksanakan pada setiap bagian, untuk mendapatkan kinerja alat yang sesuai dengan yang diharapkan.
r
PEMBAHASAN Perancangan Alat
Blok diagram pemanas dengan sistem pendeteksi suhu otomatis dan pengaman keboeoran panas yang mempunyai tampilan 3 digit diperlihatkan pada Gambar I. Blok eatu daya menggunakan trafo penurun tegangan dihubungkan dengan rangkaian dioda pada eatu daya atau penyearah jembatan. Rangkaian tersebut disebut penyearah jembatan karena menggunakan 4 dioda 1N400 1 (D1, D2, D3, D4) yang dibuat menjadi satu paket (Elektro Indonesia, 2005). Rangkaian jembatan tersebut berfungsi sebagai penyearah dari masukan tegangan AC 0-12 V pada transformator sehingga keluaran dari rangkaian penyearah tersebut akan menjadi 12 V. Selanjutnya keluaran tegangan yang telah melalui penye-arah jembatan tersebut akan mengisi muatan p'adakapasitor 1000 uF yang dipasang sejajar. Pada umumnya kapasitor berfungsi sebagai penyaring riak sinyal AC
I II I I I 1-11-1.1-1
Gambar I. Blok Diagram
Mukhlis. Yapie. Pemanasan dengan",
187
Gambar 2. Rangkaian Pemanas dengan Sistem Pendeteksi Suhu Otomatis dan Pengaman Kebocoran Panas
yang masih ada di dalam rangkaian DC. Artinya, semakin banyak menggunakan kapasitor semakin baik (Soeparlan dan Yahdi, 1995). Rangkaian keseluruhan dari rancangan diperlihatkan pada Gambar 2. Setelah melalui kapasitor, tegangan akan melalui IC6 7809 yang berfungsi sebagai pengatur (regulator) tegangan untuk untuk mengubah keluaran tegangan menjadi sebesar +9Y. Tegangan juga melalui IC7909 yang berfungsi mengubah keluaran tegangan menjadi sebesar -9V. Kedua keluaran tersebut digunakan sebagai V+ dan V- pada IC 741 (alldatasheet, 2009). Selain itu, keluaran dari transformator sebesar 9V dihubungkan dengan dua dioda 1N400 1 yang dipasang sejajar. Dioda berfungsi sebagai penyearah sinyal AC menjadi DC. Keluaran kemudian disaring oleh kapasitor sebesar 1000uF untuk menyaring sinyal AC yang masih ada di dalam rangkaian DC. Salah satu keluaran, sebesar 9V, digunakan pada IC723; dan keluaran yang lainnya dihubungkan dengan IC
pengatur tegangan IC7805 untuk menghasilkan tegangan sebesar 5V. Tegangan sebesar 5V ini yang nantinya digunakan pada blok transduser IC LM35 qan blok penampil 7 segmen. Blok penampil menggunakan Pengubah Analog ke Digital (AID Converter) dan multiplekser IC CA3162E. Pengubah AID berfungsi untuk merubah data analog yang masuk pada pin 11menjadi data digital dalam bentuk biner. Pada IC ini digunakan masukan tinggi pada pin 11 dan masukan rendah pada pin 10. Pin 10 dihubungkan dengan pentanahan (ground). Selain itu IC CA3162E juga berfungsi sebagai multi-plekser, yaitu rangkaian kombinasional yang menyeleksi informasi biner dari banyak saluran masukan dan mengeluarkannya ke satu saluran keluaran. Penyeleksian saluran masukan dikendalikan oleh saluran pemilih. Selain itu yang berfungsi sebagai dekoder adalah IC A316IE. Dekoder berfungsi untuk mengubah bilangan dalam bentuk biner menjadi bentuk desimal
'
188
Jurnalllmiah
Teknologi & Rekayasa,
Volume 15 No, 3, Desember 2010
yang nantinya ditampilkan pada penampil 7 segmen(alldatasheet, 2009). Blok pengatur tegangan (Voltage Regulator)digunakan sebagai sensor dan saklar yang nantinya menentukan nilai te-gangan yang diinginkan. Pada rangkaian tersebut, tegangan yang dihasilkan berkisar 8 Volt. Rangkaian ini dihubungkan pada eatu daya dengantegangan 9V.IC 723 digu-nakan sebagaipengatur tegangan. IC ini mampu menghasilkan arus sampai dengan 150 mA. Jika menginginkanlebih dari itu, dapat ditambahkan tahanan eksternal untuk mendapatkan arusyang diinginkan. Selain itu, IC723 mempunyai kemampuan untuk menghasilkan tegangan keluaran yang dapat diatur dari 2 V sampai 37 V. Tegangan masukan maksimal meneapai40 V dan dapat digunakan baik secara linier atau regulator switching. LM 723 juga berguna untuk aplikasi yang membutuhkanberagam pengukuran, seperti pengendali suhu dan pengatur (alldatasheet, 2009). Tahanan Rl dan R2 dipasang sejajar yang terhubung pada pin 6 dan 5. Pin 6 berfungsi sebagaitegangan aeuan (Vref) dan pin 5 berfungsi sebagai masukan tak membalik (noninverting). Tegangan diberikan pada pin 12 dan pin 11. Pin 7 dihubungkan dengan kondisi rendah. Keluaran yang dihasilkan akan terlihat pada pin 10 yang terhubung dengan pin 2. Pin 2 berfungsi sebagai pembatas arus (currentlimit). Transduser merupakan perangkat yang mampu merubah besaran fisis menjadi suatu besaran listrik (Cooper, 1978).Blok transduser menggunakan dua IC LM35 yang merupakan sensor suhu. Perubahan suhu yang diterima oleh LM35 sebagai transduser pertama akan diubah menjadi besaran listrik berupa tegangan yang kemudian akan diteruskan oleh pembanding (komparator). Tegangan yang keluar dari LM35 masih dalam satuan Volt sedangkan penampil hanya mampu menampilkan dalam skala mili volt. Oleh karena itu tegangan perlu diturunkan dengan pembagi tegangan. Fung-si dari tahanan-tahanan tersebut adalah seba-gai pembagi tegangan yang nantinya akan menurunkan tegangan dengan skala 10 mV/OC(alldatasheet, 2009). Rangkaian pemanas dengan sistem pendeteksi suhu otomatis dan pengaman
Mukhlis. Yapie, Pemanasan dengan...
keboeoran panas ini menggunakan 2 transduser. Transduser pertama akan diteruskan ke penampil dan pembanding yang nantinya dapat membuat pemanas aktif atau tidak aktif. Transduser kedua berfungsi sebagai pendeteksi dan pengaman keboeoran pada dinding pemanas. Di samping itu transduser kedua juga akan diteruskan ke pembanding dan penampil. Apabila terjadi keboeoran yang menyebabkan suhu di luar pemanas meningkat, maka seeara otomatis rangkaian akan mematikan pemanas tersebut. Blok pembanding merupakan pembanding antara suhu yang diinginkan dengan suhu yang diterima oleh sensor. Untuk menentukan berapa suhu yang diinginkan dilakukan dengan mengatur tegangan aeuan pembanding sebesar 50 K. Suhu yang telah diterima oleh transduser akan diubah menjadi tegangan dalam skala volt. Tegangan diturunkan dengan pembagi tegangan sehingga keluaran transduser menjadi berskala miliVolt. Salah satu kaki pembanding dihubungkan dengan pengatur tegangan yang menghasilkan tegangan dalam skala Volt, sedangkan kaki pembanding yang satunya terhubung dengan transduser yang memiliki tegangan dengan skala miliVolt. Rangkaian ini memerlukan penguat tak membalik untuk menaikkan kembali tegangannya. Penguatan tersebut menggunakan Rf = 100 ill dan Ri = 30 ill. Besaran tegangan keluaran dari penguat tak membalik dapat dihitung dengan Persamaan 1. Pada kondisi penguat sebagaimana digunakan dalam rangkaian ini, rumus tegangan keluarannya dapat dihitung dengan Persamaan 2. Sebagai eontoh, jika tegangan aeuan besarnya 600C, maka tegangan yang dihasilkan oleh transduser adalah 600 mV. Berdasarkan Persamaan 2, besaran tegangan keluaran adalah 4,3 x 600 atau 2,58 Volt. Dengan dasar ini maka kaki pembanding yang terhubung dengan pengatur tegangan yang berfungsi sebagai tegangan aeuan diatur sebesar 2,58 Volt. _ Rf Vout-(-+l).Vin (1) Ri Vout
= (lOOK + I). Vin = 4,3 Vin
(2)
30K
189
I
Ii
Untuk mendapatkan kondisi tinggi, salah satu kaki pembanding yang terhubung dengan transduser harns lebih dari 2,58 Volt. Selama tegangan yang dihasilkan oleh transduser kurang dari 2,58 Volt, maka transistor akan menyumbat (cut off). Kondisi rele tetap terhubung dan pemanas aktif. Apabila tegangan yang dihasilkan oleh transduser lebih dari 2,58 Volt, maka transistor akan jenuh sehingga kondisi rele berubah menjadi terbuka. Pemanas menjadi tidak aktif. Fungsi dari transistor 2N2222 adalah sebagai saklar (alldatasheet, 2009). Prinsip kerja dari kedua pembanding adalah sama, yaitu untuk mengatur suhu di dalam atau suhu di luar sistem pemanas. Pembanding atas berfungsi sebagai pengaman untuk mendeteksi kebocoran di luar pemanas. Apabila suhu yang terdeteksi melebihi tegangan acuTabell. Titik D (miliVolt) 360 400 460 500 560 600 660 700
an, maka secara otomatis rele akan memutuskan pemanas, sehingga pemanas akan mati. Pembanding bawah berfungsi untuk mengaktifkan dan mematikan pemanas secara otomatis sesuai dengan suhu pengaturan, sehingga nantinya akan didapatkan suhu tetap. Ketika ada tegangan yang melewati basis, transistor akan mendapatkan arus yang cukup untuk mengubah keadaan dari menyumbat menjadi jenuh. Saat transistor berada dalam keadaan jenuh, maka tegangan antara kolektor dan emitor hampir mendekati 0, sehingga transistor seperti mengalami hubungan singkat (Santoso, 2003). Dengan memanfaatkan keadaan jenuh dan matinya transistor, maka transistor dapat digunakan sebagai saklar elektronik untuk piranti elektronik.
Pengujian Sensor Suhu Nilai Nilai Suhu oleh Suhu Penampil eq 7 Segmen (OC) 36.0 37.2 40,0 40,8 46,0 46,3 50,0 51,0 56,0 56,2 60,0 60,3 66,0 66,1 70,0 70,3
Tabel2. Tegangan di Titik Basis dan Emitor: Kondisi Tegangan Tegangan Transistor Basis (Vb) Emitor (Ve) Menyumbat 4,5 Volt 0,75Volt Jenuh 0,05Volt 4,0 Volt Tabel3. Pengujian pada Rangkaian Pembanding dan Penguat Tak Membalik V10 (mY) 360 400 460 500 560
VoutTerukur (V) 1,6 1,8 2,01 2,2 2,43
VoutPerhitungan (V) 1,55 1,72 1,98 2,15 2,41
Tabel 4. Kondisi Transistor Sebagai Saklar Kondisi Tegangan Tegangan Kondisi Transistor Basis (VB) Kolektor Pemanas
~ Menyumbat Jenuh
190
0,03 Volt 3,4 Volt
4,4 Volt 0,03 Volt
aktif tidak aktif
Jurnal Ilmiah Teknologi & Rekayasa,
Volume 15 No.3, Desember 2010
Tabel5. Kecepatan Rambat Suhu Terhadap Waktu Aktif-Tak AktifPemanas Waldu (Menit)
Sensor Dalam (OC)
Sensor Luar (0C)
Keterangan
34
23
Kedua Led mati (Pemanas Aktif)
2
47
24
Kedua Led Mati (Pemanas Aktif)
3
55,3
25,4
Kedua Led Mati (Pemanas Aktif)
4
58,8
26,9
Kedua Led Mati (Pemanas Aktif)
5
55,1
30,4
Led Merah Mati, Led Koning Menyala (Pemanas Tak Aktif)
6
55,6
31,4
Kedua Led Nyala (Pemanas Tak Aktif)
32,1
Led Merah Menyala, Led Koning Mati (Pemanas Tak Aktif)
7
53,2
Pengujian Rangkaian
Setelah rangkaian sistem pemanas dengan pendeteksi suhu otomatis dan pengaman kebocoran panas yang mempunyai tampilan 3 digit ini terwujud, maka perlu dilakukan pengujian per blok di beberapa titik untuk mengetahui fungsi dan kerja alat secara keseluruhan (Laboratorium Teknik Elektro, 2004). Hasil pengujian terhadap sensor suhu diperlihatkanpada Tabell. Besaran suhu oleh transduser diubah menjadi besaran tegangan dalam miliVolt. Besaran suhu ditampilkan oleh rangkaian penampil dengan satuan derajat Celcius (0C). Hasil pengujian menunjukkan nilai suhu yang sebenamya dan juga nilai suhu yang ditampilkan oleh 7-segmen. Pada blok penampil juga terdapat transistor jenis PNP yang berfungsi sebagai saklar dan penahan arns yang nantinya akan menentukan tingkat kecerahan dari 7 segmen tersebut. Pada saat kondisi jenuh, tegangan basis harns berada di bawah 0,7 Volt. Tabel2 memperlihatkan hasil pengukuran pada kaki basis dan kaki emitor pada kondisi transistor menyumbat ataupun kondisi jenuh.
Mukhlis, Yapie. Pemanasan dengan...
Hasil pengujian pada rangkaian pembanding dan penguat tak membalik ditunjukkan Pada Tabel 3. Masukan V.m adalah besaran suhu dari sensor yang telah diubah oleh transduser menjadi nilai tegangan. Tegangan kemudian dimasukkan ke dalam penguat tak membalik, yang hasilnya adalah Vout.Tegangan Vout kemudian dibandin gkan dengan tegangan acuan untuk menetapkan suhu yang diinginkan pada sistem pemanas. Hasil pengujian pada kondisi transistor sebagai saklar disajikan pada Tabel 4. Sebagai penjelasan Tabel 4, saat kondisi tinggi, arns yang mengalir dapat dihitung menggunakan Persamaan 3.
Is =
fin
-
VSE
(3)
RI1
Is-- 3,4-0,7 15K Is = 0,18 mA Tegangan (Ie) sebesar 10 mA dibutuhkan untuk mengaktitkan rele. Transistor yang digunakan, yaitu tipe 2N2222, memiliki nilai Psebesar 75 (alldatasheet, 2009). Besaran Is' dapat dihitung berdasarkan Persamaan 4.
191 t
IB'= I!~ IB '=lOmA/75=013mA '
(4)
Terlihat bahwa IBlebih besar daripada
nilai IB', sehingga transistor berada dalam kondisi jenuh. Pada kondisi ini rele dipasang pada kondisi NC, ketika transistor jenuh maka NC akan membuka menjadi NO sehingga pemanas mati. Pada saat transistor mendapatkan masukan rendah, maka besaran IB menjadi negatif. Besaran IBdihitung dengan menggunakan Persamaan 2. IB= (0,03-0,7)/15ill IB = -0' 045 mA
menyebabkan peningkatan suhu di dinding luar pemanas Sistem pengaman kebocoran untuk berbagai suhu ruang pemanas yang berbeda selisihnya dapat diatur agar suhu dinding luar tetap sarna. Rangkaian ini akan lebih baik dan lebih sederhana jika menggunakan mikrokontroler. Penggunaan tahanan peubah pada rangkaian ini sebaiknya menggunakan jenis potensio multiturn agar didapatkan nilai yang lebih akurat. Sebagai saran selanjutnya, alat ini sebaiknya menggunakan dua buah penampil, agar kebocoran panas yang terjadi akibat radiasi panas dapat cepat terdeteksi.
Pada kondisi ini, tegangan Vio yang masuk ke kaki basis nilainya mendekati nol
DAFTAR PUSTAKA
sehingga arus pada kaki basis (IB) nilainya negatif. Masukan basis-emitor VBE pada transistor mendapatkan bias mundur sehingga transistor akan berada pada kondisi menyumbat. Pada kondisi menyumbat arus Ie akan sarna dengan nol, sehingga kumparan rele akan menutup dan pemanas akan aktif. Tabel 5 menunjukkan hasil pengambilan data terhadap waktu yang dibutuhkan bagi sistem pemanas untuk aktif tak aktif dan kecepatan rambat panas terhadap dinding lapisan akibat radiasi panas yang ditimbulkan oleh pemanas listrik. Led Merah dan Kuning adalah tanda bagi saklar atau transistor, dalam membuat kondisi pemanas aktif dan tak aktif. Sistem pemanas akan aktif apabila ke dua led tersebut mati, yang berarti masingmasing transistor berada pada kondisi jenuh.
Elektro Indonesia. 2005. http://www.elektroindonesia.com/elektro/tut34.gif. 8 Pebruari 2009. Laboratorium Teknik Elektro. 2004. Buku Panduan Praktikum Elektronika Digital. Universitas Gunadarma. Jakarta. Laboratorium Teknik Elektro. 2004. Buku Panduan Praktikum Elektronika Analog. Universitas Gunadarma. Jakarta. Leksono, Edi. 1995. Teknik Kontrol Automatik: Sistem Pengaturan. Terjemahan. Jilid I. Erlangga. Jakarta. Naga, Dali S. 1991. Fisika llmu Panas. Gunadarma. Jakarta. Pakpahan, Sahat, 1978. lnstrumentasi Elektronik dan TelaiikPengukuran. Terjemahan. Erlangga. Jakarta. Rio, S. Reke, Masamori, lida. 1982. Fisika dan Teknologi Semikonduktor. Pradnya Paramita. Jakarta. Santoso, Joko. 2003. Prinsip-prinsip Elektronika. Terjemahan. Salemba Teknika. Jakarta. Soeparlan, Soepono; Yahdi, Umar. 1995. Teknik Rangkaian Listrik. Jilid 2. Seri Diktat Kuliah. Gunadarma. Jakarta. Soeparlan, Soepono; Yahdi, Umar. 1995. Teknik Rangkaian Listrik. Jilid 1. Seri Diktat Kuliah. Gunadarma. Jakarta. --.2009. http://www.alldatasheet.com. 13Pebruari 2009.
SIMP ULAN DAN SARAN
Rangkaian ini menggunakan dua buah sensor LM35 yang berfungsi untuk mengindera suhu. Tegangan keluaran sebesar 10mV setiap kenaikan 10C diletakkan di dalam pemanas. Fungsi tegangan tersebut adalah sebagai pendeteksi suhu dalam dan di luar tungku sehingga apabila terjadi kebocoran suhu pada dinding penyekat dapat dideteksi. Suhu yang meningkat di dalam pemanas, setelah selang waktu tertentu, akan
192
I I
Jurnal Ilmiah Teknologi & Rekayasa. Volume15 No.3, Desember 2010
--.J
