BAB 3 METODE PENELITIAN

BAB 3
METODE PENELITIAN
3.1 Spesifikasi Alat
Dalam perancangannya penulis membuat alat medis Patient Warmer
dengan dimensi, panjang 38cm, lebar 32cm dan tinggi 10cm. Kemudian
perencanaan untuk supply tegangan yang akan masuk ke Alat sebesar 220 Volt
AC, Single phase dengan frekwensi 50 Hz. Sementara untuk pengaman dari
adanya arus berlebih yang akan masuk ke sistem karena adanya short circuit,
faktor lingkungan dan lain-lain maka penulis mengamankan system tersebut
dengan adanya fuse sebesar 3 A.
Adapun elemen yang digunakan dalam hal ini adalah elemen kering
dengan spesifikasi elemen tersebut adalah 380 watt.
Alat yang penulis buat
dibangun dengan empat jangkauan suhu. Adapun jangkauan suhu tersebut adalah :
32°C, 38°C, 43°C, 46°C. Sementara untuk menampilkan settingan suhu dan suhu
real pada sistem ini, penulis menggunakan tiga buah seven segment sebagai
indikator display. Untuk menentukan besarnya setting suhu yang kita inginkan
penulis menggunakan karakteristik dari dua buah push button yang berfungsi
37
sebagai Up dan Down Counter. Adapun penjelasan dari penceranaan dari
beberapa diagram blok yang membangun sistem ini di jelaskan di bawah ini.
3.1 Perencanaan Diagram Blok
Untuk memudahkan penulis menuangkannya dalam bentuk suatu alat yang
nyata, maka penulis membuat dan menyusun suatu sistem-sistem yang terkait
pada alat tersebut dalam bentuk blok diagram.
Gambar 3.1 Diagram Blok Pemodelan Alat Patient Warmer Berbasis Digital
Adapun keterangan dari diagram blok diatas adalah sebagai berikut:
1. Setting suhu berfungsi untuk menentukan besarnya suhu yang akan
gunakan. Adapun range pemilihan suhu yang dapat digunakan yaitu sebesar
320C, 38 0C, 430C, dan 460C.
38
2. Sensor Suhu 1 berfungsi untuk mendeteksi panas yang dihasilkan oleh
elemen.
3. Sensor Suhu 2 sebagai sistem keamanan jika terjadi kerusakan
pada
sensor 1.
4. Komparator 1 berfungsi untuk membandingkan antara nilai tegangan yang
berasal dari rangkaian setting suhu dengan tegangan sensor suhu 1.
5. Komparator 2 berfungsi untuk membandingkan antara nilai tegangan yang
berasal dari rangkaian setting suhu dengan tegangan sensor suhu 2.
6. Buffer 1 dan 2 berfungsi untuk untuk menjaga agar tegangan yang
dihasilkan oleh keluaran LM 35 tetap/konstan.
7. Heater berfungsi untuk menghasilkan panas yang nantinya panas tersebut
di deteksi oleh sensor suhu.
8. Display berfungsi untuk menampilkan
parameter-parameter
yaitu
menampilkan suhu yang diinginkan dan suhu yang keluar dari selang.
Rangkaian-rangkaian diatas merupakan suatu sistem yang sinkron
sehingga membentuk dan menciptakan sistem kerja. Besarnya suhu untuk
melakukan mengaktifkan heater disetting pada rangkaian setting suhu. Rangkaian
ini yang berfungsi memberikan berapa suhu yang akan digunakan dalam
pemanasan. Pada alat ini penulis memberikan range suhu yang dapat digunakan
yaitu dari 32 0C, 380C, 43 0C, dan 460C.
Kemudian keluaran dari rangkaian setting suhu akan dimasukkan ke
dalam blok komparator. Dimana blok komparator ini akan membandingkan nilai
antara output dari setting suhu dengan sensor suhu utama yang sebelumnya telah
mengalami proses bufferisasi.
39
Sensor suhu 1 akan mendeteksi besarnya panas yang terdapat pada
elemen. Di komparator ini akan terjadi 2 kondisi, yaitu output akan bernilai +SAT
atau –SAT. Komparator akan +SAT jika nilai output setting suhu yang
dimasukkan ke dalam blok komparator lebih besar dari nilai output sensor suhu.
Hal ini menyebabkan elemen dalam kondisi aktif. Sebaliknya jika nilai output
setting suhu sama dengan atau lebih kecil dari nilai output sensor suhu utama,
maka komparator akan –SAT sehingga menyebabkan elemen dalam keadaan
mati.
Sensor suhu 2 berfungsi sebagai sistem keamanan pada sistem ini.
Kerjanya rangkaian ini sinkron dengan kerja dari rangkaian sensor suhu 1. Jika
suhu yang dihasilkan lebih besar dari pada suhu yang disetting, maka lampu
indikator akan menyala dan bunyi buzzer. Display akan menampilkan parameterparameter dari settingan suhu yang kita pilih dan juga rangkaian ini akan
menampilkan berapa besar temperatur yang dikeluarkan oleh selang.
Gambar 3.2 Pemodelan Alat Patient Warmer Berbasis Digital
40
3.2 Perencanaan Rangkaian Setting Suhu
Rangkaian setting suhu berfungsi untuk menentukan berapa besar
temperatur yang akan digunakan. Dua buah push button digunakan untuk memilih
besarnya suhu yang akan digunakan.
Gambar 3.3 Rangkaian setting suhu
Inputan dari push button dari tombol up atau tombol down, akan masuk
ke dalam IC 4011 yang berfungsi sebagai gerbang NAND. Misalnya kita akan
menaikkan suhu dari 32 0C menjadi 380C.
Maka ketika tombol up ditekan sekali, sinyal inputan tersebut akan
masuk kedalam IC 4011. Dalam IC 4011 output yang dihasilkan akan berlogika
high jika salah satu dari inputannya bernilai 0. Dari keterangan tersebut maka
output dari IC 4011 pada kondisi ini akan berlogika low karena inputan dari kedua
IC ini berlogika high. Lalu output yang dihasilkan ini akan mentrigger IC 74193
41
yang masuk melalui pin 5. IC 74193 ini akan memberikan sinyal inputan kepada
IC 4028 yang berfungsi sebagai dekoder. Setelah mengalami proses dekoderisasi
pada IC 4028, maka sinyal yang telah didekoderisasi tersebut akan dikeluarkan
pada salah satu pin pada IC 4028 ini yaitu pin 3, 14, 2, dan 15.
Ini ditandai dengan perpindahan LED yang dipasang pararel. Setelah itu
output dari IC 4028 akan diterima oleh IC 4066. Dimana IC 4066 berfungsi
sebagai saklar bilateral. Kerja dari IC 4066 ini harus disinkronkan dengan adanya
perhitungan nilai-nilai suhu yang akan digunakan.
Adapun perhitungan dari nilai suhu yang akan digunakan adalah sebagai
berikut.
1. Suhu yang digunakan sebesar 320C
Diketahui
: R7 = 330 Ω
Vcc = 5 Volt
Ditanya
: VR
Dijawab
: Vout
= (R7 X Vcc)
(VR + R7)
0,32 V = (330 Ω X 5V)
(VR + 330 Ω)
{(0,32 VR) + (0,32 V X 330 Ω)} = 1650
(0,32 VR + 105,6 V) = 1650
VR
= 1650 – 105,6
0,32
42
VR
= 1544,4
0,32
= 4826,25 Ω
= 4,83 KΩ
2. Suhu yang digunakan sebesar 380C
Diketahui
: R7 = 330 Ω
Vcc = 5 Volt
Ditanya
: VR
Dijawab
: Vout
= (R7 X Vcc)
(VR + R7)
0,38 V = (330 Ω X 5V)
(VR + 330 Ω)
{(0,38 VR) + (0,38 V X 330 Ω)} = 1650
(0,38 VR + 125,4 V) = 1650
VR
= 1650 – 125,4
0,38
VR
= 1524,6
0,38
= 4012,10 Ω
= 4,01 KΩ
43
3. Suhu yang digunakan sebesar 430C
Diketahui
: R7 = 330 Ω
Vcc = 5 Volt
Ditanya
: VR
Dijawab
: Vout
= (R7 X Vcc)
(VR + R7)
0,43 V = (330 Ω X 5V)
(VR + 330 Ω)
{(0,43 VR) + (0,43 V X 330 Ω)} = 1650
(0,43 VR + 141,9 V) = 1650
VR
= 1650 – 141,9
0,43
VR
= 1508,1
0,43
= 3507,20 Ω
= 3,50 KΩ
4. Suhu yang digunakan sebesar 460C
Diketahui : R7 = 330 Ω
Vcc = 5 Volt
Ditanya
: VR
44
Dijawab
: Vout
= (R7 X Vcc)
(VR + R7)
0,46 V = (330 Ω X 5V)
(VR + 330 Ω)
{(0,46 VR) + (0,46 V X 330 Ω)} = 1650
(0,46 VR + 151,8 V) = 1650
VR
= 1650 – 151,8
0,46
VR
= 1498,2
0,46
= 3256,95Ω
= 3,25 KΩ
Tabel 3.1 Perencanaan setting suhu
SETTING
NILAI VR
V REFERENSI ( mV)
32 0C
4,83 kΩ
320
38 0C
4,01 kΩ
380
43 0C
3,50 kΩ
430
46 0C
3,25 kΩ
460
3.4 Perencanaan Rangkaian Sensor Suhu 1 dan 2
Rangkaian sensor suhu merupakan suatu rangkaian yang difungsikan
untuk mendeteksi berapa besar temperatur yang ada di elemen. Sensor suhu yang
45
digunakan dalam tahap perencanaan alat ini adalah LM 35. Kemudian dalam
menyangga output dari LM 35 ini, maka penulis merancangnya dengan dibangun
oleh sebuah LM 741. LM 35 ini merupakan suatu sensor suhu yang perubahannya
linier terhadap suhu yang dideteksi. Dengan ketentuan perubahan linier 10 mV
setiap kenaikan 1 0C.
Gambar 3.4 Rangkaian sensor suhu 1 pada rangkaian kontrol heater
Output dari LM 35 ini akan dimasukkan ke dalam rangkaian
buffer. Rangkaian buffer ini dibentuk oleh LM 741. Tujuan dari memasukkan
output dari LM 35 ke rangkaian buffer adalah untuk menjaga agar tegangan yang
dihasilkan oleh keluaran LM 35 tetap/konstan.
Gambar 3.5 Rangkaian sensor suhu 2 pada rangkaian suhu lebih
46
Karena kita mengetahui fungsi dari rangkaian buffer adalah menguatkan
arus pada output buffer dengan penguatan tegangan yang sama. Selain itu
rangkaian buffer juga berfungsi untuk mengubah impedansi input yang tinggi ke
impedansi input yang rendah. Setelah melalui proses bufferisasi baru kemudian
tegangan tersebut disupply ke rangkaian komparator.
3.5
Perencanaan Rangkaian Suhu Lebih
Rangkaian sensor lebih adalah sistem keamanan jika terjadi kerusakan
sensor 1. Apabila kita tinjau dari rangkaian diatas, penulis merencanakan
rangkaian suhu lebih tersebut didukung oleh LM 35 untuk mendeteksi panas dan
LM 741 untuk menyangga tegangan yang dihasilkan oleh LM 35 agar tetap stabil
sebelum diberikan ke rangkaian komparator. Dan juga memanfaatkan kerja dari
LM 741 yang penulis aplikasikan sebagai penguat non inverting.
Gambar 3.6 Rangkaian suhu lebih
47
Sebelum output dari setting suhu dibandingkan dengan sensor pengaman,
terlebih dahulu nilai keluaran setting suhu tersebut penulis masukkan ke dalam
rangkaian penguat non inverting. Gunanya adalah sebagai faktor penguatan.
Karena bahwa ketika suatu elemen tidak aktif yang diakibatkan output dari
rangkaian komparator bernilai –SAT, maka masih ada panas berlebih dari elemen
tersebut.
Untuk menghindari buzzer berbunyi pada rangkaian sensor suhu lebih ini,
maka sebelum output dari rangkaian setting suhu tersebut dibandingkan dengan
rangkaian sensor pengaman terlebih dahulu dan dikuatkan dengan menggunakan
rangkaian penguat non inverting.
Terdapat juga komparator yang bangun oleh sebuah LM 741. Ini berfungsi
untuk membandingkan antara inputan yang berasal dari sensor pengaman dengan
inputan yang berasal dari penguatan non inverting. Sebagai indikator pada
rangkain ini penulis menggunakan switching dan buzzer, dalam perancangannya
penulis membangunnya dengan memanfaatkan kerja dari transistor dan buzzer
sebagai pemberi informasi. Sebenarnya kerja dari rangkaian ini sangat
dipengaruhi oleh adanya kerja dari rangkaian komparator. Dimana transistor akan
berlaku sebagai saklar tertutup jika output yang dihasilkan oleh komparator
bernilai +SAT. Dengan demikian basis pada transisitor akan terbias.
Dengan terbiasnya basis pada transistor maka akan terjadinya close loop
pada rangkaian switching dan buzzer. Dengan demikian buzzer akan berbunyi.
Dan sebaliknya transistor akan berlaku sebagai saklar terbuka jika output yang
dihasilkan oleh komparator bernilai -SAT. Dengan demikian basis pada transistor
tidak terbias. Dengan tidak terbiasnya basis pada transistor maka akan terjadinya
48
open loop pada rangkaian switching dan buzzer. Dengan demikian buzzer tidak
berbunyi.
Dalam tahap ini penulis merancang penguatan sebesar 2 X terhadap
setiap nilai tegangan setting suhu yang digunakan. Dengan contoh, jika kita
menggunakan setting suhu sebesar 320 C, maka buzzer akan berbunyi pada suhu
diatas 34 0 C. Begitupun dengan nilai tegangan setting suhu yang lainnya. Untuk
mendapatkan faktor penguatan tersebut, maka kita harus merancang dan
menghitung nilai Ri yang terdapat pada rangkaian penguat non inverting. Adapun
cara untuk mencari nilai Ri yang digunakan adalah:
Diketahui
: Rf = 6,8 KΩ
Ei = 0,32V
Vout = 0,34 V
Ditanya
: Ri
Dijawab
:
Vout
= {(Rf/Ri) + 1}X Ei
0,34 V
= {(6,8 KΩ/Ri) + 1)}X 0,32 V
0,34 V = (15 KΩ + Ri) X 0,32 V
Ri
0,34 V Ri = 2,176 KΩ + 0,32 Ri
0,02 Ri
= 2,176 KΩ
Ri
= 2,176 KΩ
0,02
Ri
= 108,8 KΩ
49
Untuk mendapatkan nilai Ri sebesar 108,8 KΩ tentulah sulit. Kemudian
untuk mempermudah hal ini, penulis mengganti nilai Ri tersebut sebesar 100 KΩ.
Tabel 3.2 Nilai-nilai penguatan di setiap setting suhu
Tegangan Suhu
Perencanaan Toleransi
Faktor Penguatan (A)
( Ei )
tegangan suhu ( Vout )
0,32 V
0,34 V
1,062
0,38 V
0,40 V
1,052
0,43 V
0,45 V
1,046
0,46 V
0,48 V
1,043
3.5 Perencanaan Rangkaian Kontrol Heater
Rangkaian kontrol heater ini mengendalikan kerja dari heater. Adapun
pendukung dari rangkaian ini adalah buffer, komparator, switching, dan
optoisolator. Pada perencanaannya, buffer dan komparator menggunakan IC LM
741, switching memanfaatan kerja dari transistor yang akan mengalami keadaan
saturasi atau cut off, dan optoisolator menggunakan MOC 3020.
Ketika alat dalam kondisi on, rangkaian kontrol heater ini sudah aktif.
Besarnya suhu yang digunakan untuk pemanasan dan juga sebagai referensi dari
kestabilan kontrol heater ini sendiri tergantung dari setting suhu yan digunakan.
Hal ini bisa terjadi karena output dari komparator benilai +SAT akibat adanya
50
perbedaan nilai tegangan yang masuk antara nilai tegangan setting suhu yang
dimasukkan pada kaki 3 dengan nilai tegangan yang masuk pada kaki 2 yang
berasal dari nilai pendeteksian oleh sensor suhu yang dikonversikan menjadi
tegangan.
Buffer akan menyangga tegangan yang berasal dari output sensor suhu
yang dipasang didalam selang. Dimana fungsi dari sensor suhu itu sendiri adalah
mendeteksi perubahan panas yang terdapat didalam selang. Adapun fungsi dari
penyanggaan yang dilakukan oleh buffer adalah agar tegangan yang masuk ke
komparator bernilai tetap atau stabil. Setelah itu nilai tegangan keluaran dari
buffer (kaki 6) akan dibandingkan dengan nilai tegangan setting suhu yang dipilih.
Proses perbandingan tersebut akan dimasukkan ke dalam komparator.
Gambar 3.7 Rangkaian kontrol heater
Keluaran dari buffer (kaki 6) akan dimasukkan ke kaki 2 pada komparator.
Sedangkan setting suhu yang dipilih akan dimasukkan ke kaki 3 pada komparator.
Output yang dihasilkan oleh komparator hanya akan berlaku dua kondisi saja.
51
Yaitu output akan bernilai +SAT jika nilai tegangan yang masuk pada kaki 3 lebih
besar daripada input yang masuk pada kaki 2. Dan sebaliknya output dari
komparator akan bernilai –SAT jika tegangan yang masuk pada kaki 2 lebih besar
daripada input yang masuk pada kaki 3.
Kemudian transistor akan berfungsi sebagai saklar tertutup jika basis
pada transistor tersebut terbias, sehingga menyebabkan akan terjadinya
pergerakan arus dari basis ke emiter dan dari kolektor ke emiter. Terbiasnya basis
tersebut memiliki syarat yang utama yaitu basis akan terbias jika nilai tegangan
yang melewati basis tersebut + 0,7 V. Sementara jika output dari komparator
tersebut bernilai +SAT, maka basis tersebut sudah tentu terbias. Karena +SAT
sama dengan bernilai + supply yang digunakan untuk catu daya komparator
tersebut.
Dalam hal ini catu daya yang digunakan sebesar +12 V. Setelah basis
pada transistor terbias, maka lampu pada MOC pun akan ikut terbias. Untuk
menjaga agar tegangan yang melewati lampu pada MOC tidak berlebihan yang
dapat menyebabkan putusnya lampu tersebut, maka tegangan yang berasal dari
kolektor, penulis hubungkan terlebih dahulu dengan tahanan sebesar 10 KΩ.
Setelah lampu pada MOC menyala, secara otomatis DIAC pada MOC tersebut
akan terbias. Dengan terbiasnya DIAC tersebut, maka gate pada TRIAC akan
terbias. Dengan terbiasnya gate pada TRIAC, akan terjadi aliran arus dari kaki
main terminal 1 menuju kaki main terminal 2 sehingga heater pun akan ikut aktif.
Pada perencanaannya, penulis menggunakan LM 35 sebagai sensor suhu.
LM 35 tersebut akan mendeteksi besarnya panas per derajat celcius. Dengan
aiknya suhu yang dideteksi oleh LM 35, semakin lama proses naiknya suhu
52
tersebut akan sama bahkan lebih besar dengan nilai setting suhu yang digunakan.
Karena kita mengetahui setiap perubahan 1 0 C akan sebanding dengan 10 mV.
Ketika nilai tegangan yang masuk pada kaki 2 di komparator lebih besar dari nilai
setting suhu yang masuk pada kaki 3, maka hal ini akan menyebabkan terjadinya
proses pembalikkan fasa.
Awalnya output dari komparator bernilai +SAT, akan berpindah menjadi
–SAT. Hal ini akan menyebabkan basis pada transistor tidak terbias sehingga
menyebabkan transistor difungsikan sebagai saklar terbuka. Dengan kondisi
transistor yang dianalogikan sebagai saklar terbuka, maka lampu pada MOC pun
tidak menyala yang mengakibatkan DIAC dan gate pada TRIAC tidak terbias.
Dengan adanya kondisi itu, maka heater pun akan mati.
3.6 Perencanaan Rangkaian Display
Rangkaian display ini berfungsi menampilkan berapa besarnya suhu yang
disetting dan suhu yang dikeluarkan pada selang. Rangkaian ini menggunakan IC
3162 sebagai perubah dari data analog menjadi data digital dan IC 3161 sebagai
dekoder untuk IC 3162. Selain itu untuk menampilkan data-data tersebut yang
sudah dirubah menjadi data-data digital dan didekoderisasi, harus didukung media
untuk menampilkan data-data tersebut.
Dalam penampilan rangkain ini penulis gunakan adalah 3 seven segment.
Dua buah seven segment untuk menampilkan besarnya suhu. Kemudian 1 buah
seven segment lagi untuk menampilkan satuan dari suhu tersebut dengan satuan
derajat celcius. Masukan dari rangkaian display ini terletak pada kaki pin 11 pada
IC 3162. Kemudian sebagai faktor kalibrasi yang terdapat pada pin 8 dan pin 9
53
pada IC 3162, penulis rancang dengan menggunakan sebuah variabel resistor
dengan nilai tahanan sebesar 50 KΩ. Sedangkan sebagai faktor penguatan baik
yang terdapat pada pin 13 dan 11 pada IC 3162.
Gambar 3.8 Rangkaian display