Pemanas dengan Sistem Pendeteksi Suhu Otomatis dan Pengaman

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