Chapter II - Universitas Sumatera Utara

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
Universitas Sumatera Utara
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.
Universitas Sumatera Utara
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
Universitas Sumatera Utara
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
Universitas Sumatera Utara
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
Universitas Sumatera Utara
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
Universitas Sumatera Utara
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)
Universitas Sumatera Utara
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
Universitas Sumatera Utara
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
Universitas Sumatera Utara
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.
Universitas Sumatera Utara
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.
Universitas Sumatera Utara
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 :
Universitas Sumatera Utara
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,
Universitas Sumatera Utara
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
Universitas Sumatera Utara
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)
Universitas Sumatera Utara
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
Universitas Sumatera Utara
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
Universitas Sumatera Utara
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
Universitas Sumatera Utara
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
Universitas Sumatera Utara
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.
Universitas Sumatera Utara