bab i pendahuluan

BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Termoelektrik merupakan material yang terbuat dari semikonduktor yang salah
satu kegunaannya untuk keperluan pembangkit tenaga listrik. Material semikonduktor
dapat diklasifikasikan berdasarkan tipenya, yakni material tipe-n dan tipe-p. Material
semikonduktor yang digunakan untuk termoelektrik yaitu material yang mampu
bekerja pada suhu tinggi. Pada dasarnya prinsip termoelektrik dapat merubah energi
kalor menjadi energi listrik (generator termoelektrik) atau sebaliknya dari energi listrik
menjadi energi kalor (pendinginan termoelektrik).
Pendingin termoelektrik (TEC) merupakan piranti zat padat (solid state device)
yang berfungsi untuk mengkonversikan energi listrik menjadi energi kalor untuk
pendinginan atau pemanasan yang bekerja menurut efek peltier. Piranti tersebut
memiliki keunggulan ukuran yang sederhana dibandingkan dengan mekanisme
pendinginan dan pemanasan tradisional (Elsheikh et al., 2013). Prinsip kerja dari efek
peltier menyatakan apabila kedua sambungan diberi sumber listrik arus searah (DC)
maka kedua sisi TEC akan menghasilkan perbedaan suhu. Penggunaan material TEC
sebagai konversi energi memiliki banyak keuntungan diantaranya yaitu tanpa
menghasilkan gas beracun karbondioksida maupun polutan, mampu menghasilkan
energi dalam skala besar maupun kecil, dan tahan lama dalam penggunaannya.
Pada sisi lain, teknologi TEC sudah dan sedang mengalami perkembangan yang
signifikan. Aplikasi TEC sebagai pengendalian temperatur sudah banyak digunakan
sebagai air conditioner (AC) maupun lemari pendingin untuk makanan dan minuman.
Selain itu, aplikasi TEC telah digunakan di berbagai bidang, tidak hanya sebagai
pengendalian suhu tetapi juga digunakan pada bidang militer, ruang angkasa,
instrumen, dan industri atau produk komersial untuk pendingin suatu piranti tertentu
1
2
(Huang et al., 1999). Kemampuan dari material TEC bergantung pada besarnya nilai
parameter yang ada di dalamnya sehingga dapat mempengaruhi besarnya nilai Figure
of Merit (Z) material tersebut (Heylen, 1975). Rendahnya nilai Z dapat menyebabkan
rendahnya efisiensi konversi energi yang dihasilkan. Idealnya, material termoelektrik
memiliki parameter, konduktivitas listrik yang tinggi dan konduktivitas panas yang
rendah.
Banyak peneliti yang mulai mengarahkan tujuan penelitiannya pada analisis
karakteristik dan teknik pembuatan dari modul termoeleketrik. Tujuan sistem analisis
tersebut sebagai tambahan untuk meningkatkan parameter material termoelektrik
dalam pembuatan material yang memiliki kinerja yang tinggi (Huang et al., 1999).
Dalam hal ini sifat atau karakteristik dinamis dan statis dari material termoelektrik
dapat diuji dengan metode pengukuran dan pengontrolan secara real time. Metode
pengukuran untuk menentukan kemampuan TEC dapat dilakukan dengan memberikan
daya listrik pada kedua ujung sambungan termoelektrik. Selama ini pengukuran yang
dilakukan masih bersifat konvesional, dimana metode ekperimen yang digunakan,
dengan memberikan daya listrik diatur secara manual dari power supply dan masih
merupakan sistem yang terpisah dengan sensor yang digunakan untuk mengukur
perbedaan suhu termoelektrik. Dengan demikian perlu adanya pengembangan suatu
sistem akuisisi data yang bersifat otomatis yang dapat mempermudah para peneliti
untuk meneliti dan merekayasa material termoelektrik.
Sistem akusisi data merupakan pemroses besaran fisik ke dalam besaran listrik
yang diukur dan dikonversikan ke dalam bentuk sinyal digital untuk pemrosesan,
analisis, dan penyimpanan ke dalam komputer. Kemajuan teknologi Integrated Circuit
(IC) dan elektronika saat ini telah menghasilkan platform baru dalam sistem akusisi
data, salah satunya sistem akuisisi data berbasis pada mikrokontroler yang sebelumnya
sangat populer dan masih digunakan karena harganya yang murah. Salah satu
keuntungan dari penggunaan piranti mikrokontroler dapat mempermudah untuk
perancangan suatu sistem yang interaktif karena piranti tersebut sudah dilengkapi
3
dengan beberapa modul yang ada didalamnya seperti Pulse Width Modulation (PWM),
Analog to Digital Converter (ADC), komunikasi serial, I2C, dan lain sebagainya.
Mikrokontroler juga dapat dikombinasikan dengan piranti lain seperti modul
termolektrik yang dimana pengontrolan daya listrik dikendalikan oleh sinyal PWM
sehingga pada sisi panas dan sisi dingin TEC terjadi perbedaan suhu. Perbedaan suhu
tersebut dapat diukur menggunakan sensor suhu analog yang nantinya akan
dikonversikan ke dalam sinyal digital oleh ADC mikrokontroler. Tersedianya platform
mikrokontroler saat ini memungkinkan perlu adanya pengembangan sistem akusisi
data dan kontrol yang mampu menganalisis kemampuan modul TEC yang murah dan
mudah diperoleh oleh penggunanya.
Salah satu aplikasi pengembangan dari sistem termoelektrik dapat digunakan
pada sistem pemanas Electronic Nose agar pembacaan data sensor gas menjadi lebih
stabil. Namun mengingat saat ini, instrumen pengujian dan pengukuran TEC yang
dikomersialkan memiliki harga dan biaya perawatan yang tinggi sehingga penulis
mengambil tema penelitian, implementasi sistem akuisisi data dan kontrol yang
sederhana dan murah berbasis pada open source arduino untuk analisis kemampuan
modul TEC.
1.2 Rumusan Masalah
Dari latar belakang permasalahan yang penulis paparkan sebelumnya, maka yang
menjadi pokok pembahasan dalam penelitian ini yaitu:
1. Bagaimana cara merancang dan mengimplementasikan sistem akusisi data dan
kontrol berbasis mikrokontroler arduino untuk menganalisis kemampuan modul
TEC?
2. Apakah pengaruh pada variasi nilai PWM (Pulse Width Modulation) dapat
mengendalikan daya listrik pada beban modul TEC?
3. Bagaimana cara menentukan karakteristik dinamis dan statis pada modul TEC?
4
1.3 Batasan Masalah
Sesuai dengan latar belakang permasalahan di atas, maka penelitian tugas akhir
ini penulis menitik beratkan pada aspek-aspek:
1.
Pengukuran suhu pada termoelektrik dengan menggunakan dua sensor suhu
LM35DZ dan kalibrasi sensor suhu dapat dilakukan dengan menyesuaikan
persamaan matematis yang ada pada datasheetnya.
2.
Pemasangan heatsink dan kipas yang diletakan pada sisi bagian panas modul
termoelektrik untuk mempercepat pembuangan panas.
3.
Pengujian sistem menggunakan prinsip pendinginan termoelektik (thermoelectric
cooling) pada modul termoelektrik.
4.
Pengontrolan TEC pada pendekatan kontrol open loop.
1.4 Tujuan Penelitian
Dalam tinjauan non-teknis, pembuatan tugas akhir ini bertujuan untuk memenuhi
salah satu syarat untuk memperoleh gelar sarjana dari Jurusan Fisika, Universitas
Gadjah Mada. Sementara dalam aspek teknis, untuk menjawab rumusan masalah yang
telah dipaparkan diatas, tujuan dari penulisan laporan tugas akhir ini yaitu:
1.
Merancang dan mengimplementasikan sistem akusisi data dan kontrol berbasis
mikrokontroler arduino untuk analisis kemampuan modul TEC.
2.
Mengatur
sinyal
PWM
pada
mikrokontroler
arduino
sehingga
dapat
mengendalikan daya listrik DC pada beban modul TEC.
3.
Dapat menentukan karakterstik dinamis dan statis modul TEC.
1.5 Manfaat Penelitian
Manfaat penelitian ini adalah dapat mengimplementasikan suatu perangkat
mikrokontroler arduino untuk analisis kemampuan modul TEC.
5
1.6 Sistematika Penulisan
Skripsi ini terdiri dari 6 BAB, pembahasan masing-masing bab adalah:
BAB I PENDAHULUAN
Bab ini membahas latar belakang permasalahan, perumusan masalah, batasan
masalah, tujuan penelitian dan manfaat penelitian.
BAB II TINJAUAN PUSTAKA
Bab ini membahas tentang penelitian sebelumnya, yang berhubungan dengan
penelitian ini.
BAB III DASAR TEORI
Membahas tentang peralatan dan konsep dasar yang dibutuhkan untuk
membangun alat pengukuran seperti termoelektrik, mikrokontroler arduino, sensor
suhu LM35, rangkaian pengkondisian sinyal, regulator tegangan, rangkaian driver
termoelektrik, sinyal PWM. Tak lepas juga dari teori yang mendukung alat ukur
software dan hardware.
BAB IV PERANCANGAN SISTEM
Menjelaskan proses perancangan dari sistem terkait perancangan sistem akusisi
data hardware, software dan antarmuka dengan komputer.
BAB V PENGUJIAN SISTEM DAN PEMBAHASAN
Menjelaskan tentang penggunaan alat dan implementasinya pada pengukuran
suhu pada modul TEC.
BAB VI PENUTUP
Berisi tentang kesimpulan dan saran dari pembuatan alat maupun hasil
pengukuran.