BAB III PERANCANGAN ALAT

31
BAB III
PERANCANGAN ALAT
3.1 Perancangan dan tahap-tahap dalam perancangan
Perancangan adalah tahap terpenting dari seluruh proses pembuatan alat.
Tahap pertama yang paling penting dalam perancangan adalah membuat diagram
blok rangkaian, kemudian memilih komponen dengan karakterisitik yang sesuai
dengan kebutuhan. Untuk pemilihan komponen ini diperlukan data book serta
petunjuk lain yang dapat membantu dalam mengetahui spesifikasi dari komponen
tersebut sehingga komponen yang didapat merupakan pilihan yang tepat bagi alat
yang akan dibuat. Tahap perancang ini dimulai dari pembuatan diagram blok
rangkaian, pemilihan komponen pengaturan tata letak komponen (pembuatan
layout), pemasangan komponen sampai dengan proses finishing.
Perancangan alat ini mempunyai tujuan untuk mendapatkan hasil akhir
yang baik seperti yang diharapkan dengan memperhatikan penggunaan komponen
yang murah serta mudah didapatkan di pasaran. Selain itu dengan adanya
perancangan tersebut akan mempermudah kita mencari dan memperbaiki
kerusakan peralatan atau rangkaian tersebut.
Dengan adanya perancangan yang baik maka didapatkan suatu alat yang
sesuai dengan keinginan dari perancang alat itu sendiri. Dalam pembuatan alat ini
31
32
terdapat beberapa langkah perencanaan dan perancangan yang saling berkaitan
satu dengan lainnya. Secara garis besar, langkah-langkah perencanaan dan
perancangan terdiri atas dua bagian yaitu perencanaan elektronik dan perancangan
mekanik. Pada tahap perencanaan elektronik adalah dengan merancang
penyusunan rangkaian-rangkaian yang akan dibutuhkan.
3.2 Diagram Blok
Blok diagram rangkaian merupakan salah satu bagian terpenting dalam
perancangan suatu alat, karena dari blok diagram rangkaian inilah dapat diketahui
cara kerja rangkaian keseluruhan. Sehingga keseluruhan blok diagram rangkaian
tersebut akan menghasilkan suatu sistem yang dapat difungsikan atau dapat
bekerja sesuai dengan perancangan.
Tegangan
Panel
user
Modul
Thermoelektrik
Suhu °C
Kipas angin (Fan)
Gambar 3.1 Diagram Blok Rangkaian Keseluruhan
3.3 Perancangan tegangan
Dalam perancangan tegangan ini dibutuhkan rangkaian catu daya yang
memberikan supply tegangan pada alat pengendali kulkas kecil ini. Rangkaian
catu daya mendapatkan sumber tegangan dari PLN sebesar 220 VAC. Tegangan
33
220 VAC ini kemudian diturunkan menjadi 12 VDC melalui adaptor sebagai
penurun tegangan.
Pemakaian daya spesifik kW/TR merupakan indikator yang bermanfaat
dari kinerja sistim kulkas. Dengan mengukur tugas temperature yang ditampilkan
dalam TR dan input kW, kW/TR digunakan sebagai indikator kinerja energi.
Menghasilkan rumus daya P = V x
I.hasilnya = V A . P = 220 V x 10 Amp= 2200 VA. Seharusnya, untuk 1 Phase : P
= V x I x Cos Q (phi). Contoh : 1. P = 220 V x 10 Amp x 0,8 = 1760 watt. 2. P =
220 V x 10 Amp x 1 = 2200 watt. Jadi kalau dirumah, beban pemakaian
mempunyai Cos Q (Power factor) 0.8, maka dengan berlangganan 2200 VA
(Limiter 10 Amp), kita hanya bisa memakai 1760 watt saja. Untuk 3 Phase : P = V
x I x V3 (akar tiga) x Cos Q. Contoh : 1. P = 380 V x 10 Amp x 1,73 x 0,8 =
5259.2 watt. 2. P = 380 V x 10 Amp x 1,73 x 1 = 6574 watt. Dalam perhitungan 3
phase harus selalu desertakan V3 (akar tiga), Cos Q adalah Power Factor
LM 7812
Gambar 3.2 Rangkaian catu daya
34
3.4 Perancangan Panel User
Dalam perancangan berikutnya adalah merancang panel user. Panel user
ini berfungsi sebagai pusat kendali kulkas kecil yang dapat user kendalikan. Panel
user yang digunakan sangat sederhana, hanya mencakup satu buah switch toogle
dan 2 buah lampu (LED). Switch tersebut memiliki 3 buah posisi masing-masing
adalah posisi kulkas off, kulkas on sebagai pendingin dan kulkas on sebagai
pemanas sedangkan, 2 buah LED yang digunakan hanya untuk memberi tanda
kepada user, mode mana yang sedang diaktifkan oleh kulkas mini. Skema panel
user seperti terlihat pada Gambar 3.3.
Gambar 3.3 Skema panel user
Untuk switch power digunakan switch toogle. Pertimbangan penggunaan
jenis switch tersebut sangatlah jelas. Switch on-off tidak memerlukan user untuk
menekan terus tombol untuk melihat kulkas bekerja. Switch toogle digunakan
untuk mempermudah user dalam memilih mode yang diinginkan. Posisi awal
panel user ketika power dinyalakan adalah semua lampu dalam keadaan padam.
35
Keadaan ini akan dipertahankan terus sampai user menentukan pilihan.
Ketika user telah menentukan pilihan, maka lampu dari mode yang dipilih akan
menyala, sedangkan lampu lainnya akan padam. Ketika user kembali menekan
mode yang off maka semua lampu kembali padam menandakan tidak ada mode
yang user pilih. Pemasangan lampu menggunakan prinsip pull up, artinya lampu
menyala ketika kaki katoda LED tersambung ke ground. Kaki katoda LED
tersambung langsung ke switch toogle, sehingga switch toogle dapat men-set
lampu mana yang menyala dan padam. Kaki anoda LED terhubung ke resistor dan
resistor tersebut dihubungkan ke tegangan VCC. Dapat dilihat pada Gambar 3.4.
Gambar 3.4 Perancangan lampu LED
Dengan demikian, suatu lampu indikator dalam perangkat elektronika
yang biasanya memiliki fungsi untuk menunjukkan status dari perangkat
elektronika tersebut. Dalam perancangan panel user telah selesai dilakukan panel
user
ini
akan
memberikan
kemudahan-kemudahan
untuk
user
dalam
mengoperasikan keranjang ini. Tingkat keamanan dan kenyamanan juga telah
dipertimbangkan dalam perancangan panel user ini.
36
3.5 Perancangan Modul Thermoelectric (Peltier)
Tahap selanjutnya dalam perancangan kulkas kecil ini adalah melakukan
Perancangan Modul Thermoelectric (Peltier) merupakan solid stste technology
yang bisa menjadi alternatif pendingin selain sistem kompresi uap. Dibandingkan
dengan teknologi kompresi uap yang masih menggunakan refrigeran sebagai
media penyerap panas dan teknologi pendingin. Seperti dijelaskan sebelumnya,
perancangan pada tugas akhir ini hanya menggunakan Modul Thermoelectric
(Peltier). Ketika disupply tegangan DC 12volt-15volt salah satu sisi akan menjadi
panas, sementara sisi lainnya akan dingin namun kelemahan Peltier adalah Arus
yang dibutuhkan cukup besar, hingga 5-7 Amper agar bisa bekerja optimal apabila
kita bisa membuat sisi panas serendah mungkin, maka sisi dingin akan bisa sangat
dingin. Modul ini akan mengalirkan suhu dingin ke ruangan kulkas termoelektrik
sebagai pendingin dibuat menjadi sebuah modul semi konduktor yang jika dialiri
arus listrik DC maka kedua sisi modul termoelektrik ini akan mengalami panas
dan dingin.
Tentunya, perancangan juga membatasi udara yang akan masuk ke dalam
ruangan kulkas dengan tujuan untuk mengoptimalkan penurunan suhu ruangan
kulkas. Dengan demikian, sistem dapat bekerja sesuai dengan lebih optimal.
Sebelum memulai melakukan perancangan, terlebih dahulu kita membuat
perbandingan antara modul thermoelectric dan zat refrigrant. Pembandingan ini
dilakukan untuk mengetahui apakah penggunaan modul thermoelectric telah
cocok untuk diimplementasikan dalam perancangan ini.
37
Tabel 3.1. Perbandingan Modul Thermoelectric dengan Zat Refrigator
Kebutuhan akan
ruang instalasi
Tingkat
kompleksitas
Kisaran harga
Modul Thermoelektrik
Zat Refrigator
Kecil, karena hanya berukuran 4
x 4 cm dengan ketebalan 4mm
dan hanya membutuhkan
komponen pendukung heatsink
dan Fan (kipas angin) Rendah
Besar, karena
membutuhkan tabung
sebagai tempat
penyimpana zat refrigrant,
compressor dan komponen
pendukung lainnya Tinggi
Relatif lebih sederhana untuk
yang tidak membutuhkan
komponen pendukung yang
banyak Terjangkau
Membutuhkan lebih
banyak komponen yang
lebih kompleks Mahal
Hanya membutuhkan komponen
memerlukan komponen yang
murah dipasaran dan tidak butuh
software atau program yang
mahal
Mahal yang lebih banyak
dan kompleks(compressor,
tabung refrigerant), sangat
wajar bila harga lebih
mahal
Tabel di atas menunjukkan bahwa zat refrigerant memang memiliki
kelemahan, yaitu membutuhkan tempat yang besar untuk penginstalasian karena
harus menggunakan tabung tempat penyimpanan zat refrigrant, compressor dan
komponen pendukung lainnya. Modul thermoelectric menggunakan bahan
bismuth telleruude sebagai bahan pembuatannya yang hanya berukuran 4 x 4 cm
dan dengan ketebalan hanya 4 mm, seperti terlihat pada Gambar 3.5.
38
Gambar 3.5 Bismuth Telluride Pada Modul Thermoelectric
Modul thermoelectric merupakan modul yang bekerja berdasarkan prisip
efek Seebeck yaitu pada saat diaktifkan maka pada slah satu sisi modul
thermoelectric akan menjadi hangat sedangkan pada sisi yang lainnya akan
menjadi dingin. Besarnya perbedaan suhu antara sisi hangat modul dengan sisi
dingin modul berkisar antara 55 °C, jadi jika suhu pada bagian sisi hangat modul
bernilai sebesar 70 °C maka suhu pada sisi dingin modul bernilai sebesar 15 °C.
Untuk mengoptimalkan penurunan suhu pada sisi dingin modul digunakan
sebuah heatsink CPU biasanya memiliki thermal paste yang merupakan senyawa
dibuat untuk membantu dengan transfer panas. Yang dipasang tepat menempel
pada sisi hangat modul dengan tujuan agar kalor yang berada pada sisi hangat
modul dapat dialirkan pada heatsink sehingga suhu pada sisi hangat modul akan
mengecil dan berdampak pada sisi dingin modulpun akan menjadi semakin
dingin. Sebelum menempelkan modul thermoelectric dengan heatsink terlebih
dahulu dioleskan pasta heatsink tepat pada bagian heatsink yang akan menempel
39
dengan modul thermoelectric dengan tujuan agar lebih mengoptimalkan
perpindahan kalor ke heatsink. Pada bagian atas heatsink dipasang sebuah kipas
angin (fan) dengan tujuan agar kalor yang telah dialirkan dari modul
thermoelectric dapat dialirkan keudara sehingga dapat lebih mengoptimalkan
proses pelepasan kalor. Pada pemasangan modul thermoelectric ini dengan
heatsink digunakan sebuah pengganjal yang terbuat dari bahan yang tidak baik
untuk mengalirkan kalor (isolator) sebagai penghambat merambatnya kalor pada
sisi hangat modul ke sisi dingin modul ketika memasangkan baut sebagai perekat
antara dinding kulkas, modul thermoelectric dan heatsink dengan tujuan lebih
mengoptimalkan kinerja modul thermoelectric.
Gambar 3.6 Perancangan Modul Thermoelectric
3.6 Perancangan Sistem Perpindahan Kalor
Terdapat 3 jenis perpindahan kalor, yakni konduksi, konveksi dan
radiasi.Pada perancangn sistem perpindahan kalor ini digunakan suatu sistem
perpindahan kalor secara konduksi. Kalor adalah energi yang berpindah
yaituketika salah satu bagian benda yang bersuhu tinggi bersentuhan dengan
40
benda yang bersuhu rendah, energi berpindah dari benda yang bersuhu tinggi
menuju bagian benda yang bersuhu rendah karena mendapat tambahan energi
maka molekul-molekul penyusun benda bergerak semakin cepat. Molekul lain
yang berada di sebelahnya bergerak lebih lambat karena molekul tersebut tidak
bersentuhan langsung dengan benda yang bersuhu tinggi. Ketika bergerak,
molekul tersebut memiliki energi kinetik.
Molekul-molekul yang bergerak lebih cepat (energi kinetiknya lebih besar)
menumbuk temannya yang ada di sebelah. Karena ditumbuk alias ditabrak oleh
temannya, maka molekul- molekul yang pada mulanya bergerak lambat menjadi
bergerak lebih cepat. Pada mulanya molekul bergerak lambat (v kecil) sehingga
energinya juga kecil. Setelah bergerak lebih cepat (v besar), energi kinetiknya
bertambah. Molekul tadi menumbuk lagi molekul yang ada di sebelahnya dan
menjadi bergerak lebih cepat. Karena v besar, energinya pun bertambah.
Demikian seterusnya mereka saling tumbuk menumbuk, sambil berbagi energi
Ketika benda yang memiliki perbedaan suhu saling bersentuhan, terdapat
sejumlah kalor yang mengalir dari benda atau tempat yang bersuhu tinggi menuju
benda atau tempat yang bersuhu rendah.
Ketika mengalir, kalor juga membutuhkan selang waktu tertentu. Perlu
diketahui bahwa setiap benda (khususnya benda padat) yang dilewati kalor pasti
mempunyai bentuk dan ukuran yang berbeda. Ada benda padat yang panjang, ada
juga benda padat yang pendek. Ada yang gemuk (luas penampangnya besar), ada
juga yang kurus (luas penampangnya kecil). Untuk mengetahui secara pasti
hubungan antara jumlah kalor yang mengalir melalui suatu benda selama selang
waktu tertentu akibat adanya perbedaan suhu.
41
Gambar 3.7 Aliran perpindahan kalor
Benda yang terletak di sebelah kiri memiliki suhu yang lebih tinggi (T1)
sedangkan benda yang terletak di sebelah kanan memiliki suhu yang lebih rendah
(T2). Karena adanya perbedaan suhu (T1 - T2), kalor mengalir dari benda yang
bersuhu tinggi menuju benda yang bersuhu rendah (arah aliran kalor ke kanan).
Benda yang dilewati kalor memiliki luas penampang (A) dan panjang (l).
Perancangan ruang kulkas yaitu dibuat agar ruangan kulkas tidak terkontaminasi
dengan udara yang berada diluar ruangan kulkas dengan tujuan agar suhu yang
berada pada ruangan kulkas tidak bercampur dengan suhu udara yang berada pada
luar kulkas maka dari itu dipasang sebuah karet pengganjal di sekeliling pintu
kulkas bagian dalam.
Pada bagian dalam kulkas dibuat suatu ruangan yang dialiri suhu dingin
dari modul thermoelectric. Untuk lebih mengoptimalkan merambatnya suhu
dingin dari modul thermoelectric ke dinding ruangan kulkas digunakan material
yang dapat dengan mudah mengalirkan kalor (koduktor). Untuk dapat mengetahui
suatu material dapat dengan mudah menglirkan kalor atau tidak dapat dilihat pada
nilai konduktivitas material tersebut, yaitu jika nilai konduktivitas suatu material
42
semakin tinggi maka sifat material tersebut untuk mengalirkan kalor akan semakin
baik, sebaliknya jika nilai konduktivitas suatu material semakin rendah maka
sifatmaterial tersebut untuk mengalirkan kalor akan semakin buruk maka
digunakan alumunium tipis sebagai material dinding ruangan kulkas. Berikut ini
nilai konduktivitas termal beberapa benda yang diperoleh melalui percobaan.
Tabel 3.2 Nilai Konduktivitas Beberapa Benda
Jenis benda
Konduktivitas Termal (k)
J/m.s.Co
Kkal/m.s.Co
Perak
420
1000 x 10-4
Tembaga
380
920 x 10-4
Alumunium
200
500 x 10-4
Baja
40
110 x 10-4
Es
2
5 x 10-4
Kaca (biasa)
0,84
2 x 10-4
Bata
0,84
2 x 10-4
Air
0,56
1,4 x 10-4
Tubuh manusia
0,2
0,5 x 10-4
Kayu
0,08-0,16
0,2 x 10-4 – 0,4 x 10-4
Gabus
0,042
0,1 x 10-4
43
3.8 Operasional Sistem
Untuk melihat cara sistem bekerja, prosesnya ditampilkan seperti terlihat
pada gambar 3.8 dibawah ini.
Kalor pada benda
Udara bebas di luar kulkas
Dinding kulkas
Heatsink
Sisi dingin modul
Thermoelektrik
Sisi dingin modul
Thermoelektrik
Sisi panas modul
Thermoelektrik
Sisi panas modul
Thermoelektrik
Heatsink
Dinding kulkas
Udara bebas di luar kulkas
Benda di ruang kulkas
(a)
(b)
Gambar 3.8 Blok diagram perpindahan kalor pada kulkas mini
(a) Sebagai Pendingin (b) Sebagai Pemanas
44
Penjelasan mengenai gambar 3.8 di atas adalah sebagai berikut :
a. Sebagai Pendingin
Pada saat kulkas diakifkan di mode pendingin, sisi modul thermoelectric
yang menempel pada dinding kulkas menjadi dingin. Perpindahan kalor dari
benda yang dimasukkan ke dalam kulkas secara sistematisnya yaitu kalor yang
dikandung oleh benda dialirkan ke dinding kulkas secara konduksi melalui
material yang dari benda yang menempel pada dinding kulkas. Kalor yang berada
di dinding kulkas kemudian dialirkan ke sisi dingin modul thermoelectric,
kemudian dialirkan kembali ke sisi hangat modul thermoelectric menuju ke
heatsink dan dialrkan ke udara bebas di luar kulkas dengan bantuan kipas angin
(fan) dan akhirnya benda menjadi dingin.
b. Sebagai Pemanas
Pada saat kulkas diakifkan di mode pemanas, sisi modul thermoelectric
yang menempel pada dinding kulkas menjadi hangat. Pada mode ini, kalor
dialirkan ke dalam ruangan kulkas sehingga ruangan kulkas menjadi hangat.
Perpindahan kalor pada mode pemanas secara sistematisnya yaitu kalor yang
dikandung oleh udara bebas dialirkan ke sisi dingin modul thermoelectric
kemudian, kalor tersebut dialirkan kembali ke sisi hangat modul thermoelectric
yang menempel pada dinding kulkas, selanjutnya kalor tersebut dialirkan secara
konduksi ke dinding kulkas. Kalor yang berada di dinding kulkas kemudian
dialirkan ke benda yang berada di dalam ruangan kulkas melalui material yang
dari benda yang menempel pada dinding kulkas, dan akhirnya benda menjadi
hangat.
45
3.9 Cara Kerja Rangkaian
Dalam rangkaian ini mengunakan tegangan sumber 220 VAC yang
kemudian diturunkan tegangannya dengan menggunakan sebuah adaptor menjadi
12 Volt. Didalam adaptor terdapat komponen-komponen dan terdapat gelombang
keluarannya kemudian di searahkan dengan menggunakan penyearah sistem
jembatan. Kemudian keluarannya di filter oleh filter kapasitor, agar tegangan
keluarannya mendekati tegangan DC rata – rata.
Untuk membuat tegangan tersebut tetap stabil, maka digunakanlah sebuah
regulator tegangan yaitu LM7812 sebagai penstabil tegangan dan menghasilkan
tegangan tetap 12 Volt DC. Tegangan 12 Volt digunakan untuk mensuplai modul
thermoelectric, kipas angin (fan) dan lampu LED. Alat bekerja menggunakan tiga
buah mode yaitu off,on sebagai pendingin dan on sebagai pemanas. Tiga buah
mode ini dapat dipilih menggunakan panel user. Pada mode pendingin kulkas
akan bekerja sebagai pendingin ruangan kulkas. Sisi modul thermoelectric yang
menempel pada dinding kulkas akan menjadi dingin dan menyerap kalor yang
dikandung oleh benda yang dimasukkan ke dalam kulkas. Pada mode pemanas,
user dapat menggunakan ruangan kulkas sebagi pemanas yang dapat digunakan
untuk berbagai kebutuhan. Sisi modul thermoelectric yang menempel pada
dinding kulkas akan menjadi hangat dan mengalirkan kalor menuju benda yang
dimasukkan ke dalam kulkas. Dengan ini dapat dilihat dibawah ini rangkaian
keseluruhan prosea tejadinya pendinginan dan pemanas pada kulkas kecil ini
seperti terlihat pada gambar 3.9 dibawah ini.
46
Gambar 3.10 Rangkaian Keseluruhan Alat