aplikasi alat kontrol suhu otomatis pada bantal penghangat sebagai

APLIKASI ALAT KONTROL SUHU OTOMATIS PADA
BANTAL PENGHANGAT SEBAGAI ALAT TERAPI
ALTERNATIF
Oleh
Ngurah Agung Putra Wijaya
NIM. 0605031060
JURUSAN DIII TEKNIK ELEKTRONIKA
FAKULTAS TEKNIK DAN KEJURUAN
UNIVERSITAS PENDIDIKAN GANESHA
SINGARAJA
2010
BAB III
METODELOGI PENELITIAN
3.1
Perancangan Alat
Dalam merancang dan membuat alat kontrol suhu bantal penghangat ini ada
suatu tahapan-tahapan agar dalam pembuatannya dapat menjadi teratur dan lancar.
Berikut ini adalah tahapan-tahapan yang dilakukan, dapat dilihat melalui gambar
flow chart di bawah ini :
Gambar 3.1 Flow Chart Pembuatan Alat Kontrol Suhu Bantal penghangat.
(Sumber : Hasil Perancangan)
Flow Chart pada Gambar 3.1 di atas adalah merupakan gambaran awal
dalam pembuatan rangkaian bantal penghangat beserta tahapan-tahapan yang
dimulai dari awal sampai akhir. Berikut adalah penjelasannya :
1. Tahap pertama yang dilakukan adalah pengumpulan dasar-dasar teori
yang berkaitan dengan alat yang akan dibuat. Hal ini dilakukan agar
memudahkan dalam perhitungan, penentuan nilai-nilai komponen, dan
pengenalan-pengenalan karakteristik komponen yang akan digunakan.
2. Tahap kedua adalah tahap yang dimana untuk merancang cassing alat
sesuai rancangan awal dengan disain alat kontrol bantal penghangat
tersebut.
3. Tahap ketiga merupakan perancangan bentuk bantal penghangat sesuai
dengan rancangan awal yang telah ditentukan berikut bahan, ukuran dari
bantal penghangat.
4. Tahap keempat merupakan perancangan penempatan kawat pemanas
agar panas yang dihasilkan dapat tersebar diseluruh bagian bantal sesuai
dengan harapan.
5. Tahap kelima yaitu melakukan rancangan disain rangkaian beserta nilainilai komponen yang terpasang sesuai dengan perhitungan yang didapat.
6. Tahap keenam yaitu melakukan pengumpulan komponen-komponen
elektronika yang akan digunakan dalam menyusun rangkaian yang telah
ditentukan berdasarkan hasil perancangan. Apabila komponen yang
digunakan tidak tersedia pada blok rangkaian yang memakai komponen
tersebut di pasaran, dilakukan proses modifikasi atau penggantian
komponen yang baru dan memiliki fungsi yang sama. Jika semua
komponen tersedia di pasaran maka dapat dilanjutkan ke tahap
berikutnya.
7. Tahap ketujuh yaitu perakitan komponen-komponen yang membentuk
suatu rangkaian berdasarkan rancangan yang dibuat paa papan
Breadboard. Selanjutnya merangkai rangkaian pada masing-masing
blok. Kemudian melakukan uji rangkaian pada masing-masing blok
rangkaian dengan memberikan catu daya DC pada rangkaian, maka
dapat diketahui kinerja yang dihasilkan oleh masing-masing blok
rangkaian. Apabila dalam rangkaian mengalami masalah, maka
dilakukan analisa kerusakan, kesalahan penggunaan atau pemasangan
komponen, dan jika memungkinkan rangkaian bisa dimodifikasi atau
rancangan rangkaian diperbaiki. Apabila rangkaian sudah bekerja sesuai
yang diharapkan, maka dapat dilanjutkan ketahap berikutnya.
8. Tahap kedelapan yaitu melakukan uji rangkaian pada keseluruhan
rangkaian yang dijadikan satu rangkaian. Apabila pada kinerja rangkaian
ada yang mengalami masalah, yaitu kesalahan penggunaan, atau
kesalahan pemasangan komponen, maka dilakukan analisa kerusakan
dan jika memungkinkan rangkaian dapat dimodifikasi atau rancangan
rangkaian diperbaiki. Apabila rangkaian sudah bekerja sesuai dengan
yang diharapkan, maka dapat dilakukan ketahap berikutnya.
9. Selanjutnya setelah semua rangkaian telah diuji coba, maka tahap
selanjutnya adalah mendisain pola pada papan PCB sesuai dengan pola
rangkaian yang telah mengalami ujicoba. Disain pada papan PCB adalah
meliputi : Pengambaran jalur-jalur rangkaian pada aplikasi computer
yaitu pada aplikasi diptrace dan mencetak pada plastik transparan untuk
dilakukan penyablonan pada papan PCB. Kemudian setelah selesai
menyablon jalur-jalur rangkaian pada PCB, kemudian melarutkan papan
PCB tersebut kedalam larutan Feri Klorida agar didapatkan pola yang
diinginkan. Kemudian akan pengeboran pada jalur-jalur tersebut sesuai
dengan kaki-kaki komponen yang akan dipasang.
10. Tahap kesepuluh yaitu melakukan pemasangan komponen-komponen
pada papan PCB yang telah diberikan pola dan diberi lubang untuk
menempatkan kaki-kaki komponen sesuai dengan posisi masing-masing
yang telah ditentukan dari hasil rancangan sebelumnya.
11. Kemudian ditahap ini yaitu melakukan tes uji rangkaian kembali setelah
perakitan komponen pada papan PCB tersebut. Ini dilakukan untuk
mengatahui apakah rangkaian yang dibuat pada papan PCB telah bekerja
normal dan baik sesuai dengan yang diharapkan. Kalau tidak bekerja
dengan normal, maka dilakukan perbaikan dan pengujian kembali, dan
bila sudah dapat bekerja dengan normal, maka dapat dilakukan ketahap
berikutnya.
12. Kemudian melakukan pemasangan alat pada cassing alat yang sudah
sesuai rangcangan.
Setelah tahapan-tahapan yang dilakukan di atas selesai dan alat sudah
bekerja normal sesuai dengan yang diharapkan, maka selanjutnya menuju
keproses tahapan akhir yaitu pembuatan laporan Tugas Akhir.
3.1.1 Perancangan dan Pembuatan Konstruksi dan Disain Alat
Dalam perancangan konstruksi dan disain alat kontrol suhu bantal
penghangat ini, agar dalam pembuatannya dapat bekerja dengan baik dan lancar,
maka susunan perancangan mengikuti tahapan-tahapan berikut ini. Tahapantahapan pembuatan konstruksi dan disain alat dapat dijelaskan dengan tahapantahapan di bawah ini :
1. Perancangan Konstruksi Bantal Penghangat.
2. Perancangan Konstruksi Kawat Pemanas.
3. Perancangan Box Cassing Alat.
3.1.1.1 Perancangan Konstruksi Bantal penghangat
Perancangan konstruksi bantal penghangat ini menggunakan bahan dasar
spons dimana ukuran spons pada bantal di bagian sisi atas, tengah dan bagian
bawah adalah sama, yaitu berukuran panjang 40 cm, lebar 30 cm, dan tinggi
bantal adalah 9 cm. Dimensi bentuk dari bantal penghangat dapat dilihat pada
Gambar 3.2 di bawah ini.
40cm
Bagian Atas
Bantal
30cm
3cm
(a). Bagian Atas Bantal.
40cm
Bagian Tengah
Bantal
30cm
3cm
(b). Bagian Tengah Bantal.
40cm
Bagian Bawah
Bantal
30cm
3cm
(c). Bagian Bawah Bantal.
Gambar 3.2 Bagian-bagian Belahan Bantal penghangat.
(Sumber : Hasil Perancangan)
3.1.1.2 Perancangan Konstruksi Kawat Pemanas
Perancangan elemen pemanas menggunakan kawat pemanas yang terjual
di pasaran. Kawat pemanas ini terbuat dari logam campuran yaitu dari bahan
krom, besi, dan alluminium. Panjang kawat yang dipakai dalam perancangan di
sini adalah 12 meter degan diameter 0,3 milli meter.
Kawat
Pemanas
Isolasi Asbes
Gambar 3.3 Perancangan Kawat Pemanas.
(Sumber : Hasil Perancangan)
Dilihat dari Gambar 3.3 di atas, di dalam perancangan sebelum kawat
diletakan pada bantal, sebelumnya kawat terlebih dahulu dilapisi atau di isolasi
dengan bahan asbes yang berbentuk benang, ini agar kawat tidak langsung
menyentuh bantal yang berbahan spons seingga tidak lebur atau meleleh nantinya
dengan menggunakan lem kayu (lem fox) untuk merekatkan benang asbes agar
tidak tedapat kerenggangan pada saat benang asbes dililitkan pada kawat.
3.1.1.3 Perancangan Box Cassing Alat
Perancangan box cassing alat dibuat dari bahan acrylic transparan dengan
dimensi cassing berukuran 25 cm x 20 cm x 7 cm. Bentuk menyerupai box yang
dapat dipisah, bagian atas dapat dilepas dengan melepas baut pengunci yang
tepasang di bagian samping dan depan pada box cassing, dan dua buah engsel
kupu-kupu yang berfungsi untuk dapat membuka bagian atas box yang terdapat di
samping-samping box cassing tersebut. Berikut dapat dilihat bentuk dari box
7 cm
cassing alat seperti yang terlihat pada Gambar 3.4 di bawah ini.
20
cm
On
Off
25 cm
Gambar 3.4 Konstruksi Cassing Alat.
(Sumber : Hasil Perancangan)
3.1.2 Perancangan dan Pembuatan Rangkaian
Dalam perancangan dan pembuatan alat kontrol suhu bantal penghangat
dalam pengontrolan elemen pemanas secara close loop dibuat rangkaian saklar
suhu On/Off dengan pengontrolan tegangan AC. Agar dalam pembuatannya
teratur dan sesuai dengan yang diharapkan maka dikerjakan sesuai dengan
tahapan-tahapan sebagai berikut :
1. Perancangan Rangkaian Pembagi Tegangan (Vref).
2. Perancangan Rangkaian Sensor Suhu (Vin).
3. Perancangan Rangkaian Penyangga/Buffer.
4. Perancangan Rangkaian Penguat Selisih/Komparator.
5. Perancangan Rangkaian Penguat Membalik/Inverting.
6. Perancangan Rangkaian Trigger Triac dengan Optocoupler TLP621.
7. Perancangan Rangkaian Catu Daya 12 Volt DC.
Kalau digambarkan secara keseluruhan sesuai dengan tahapan-tahapan di
Comparator
error
Pembagi
Rangkaian Vref
+
Tegangan
Buffer
Vin
Vref merupakan tegangan
yang menyatakan suhu
Penguat
Inverting
Output Sensor
berupa
Tegangan (V)
Rangkaian
Trigger
TRIAC
Bantal
Pemanas
Sensor
Suhu
atas, maka dapat dilihat pada Gambar 3.5 di bawah ini.
Gambar 3.5 Blok Rangkaian Kontrol Alat Bantal Penghangat.
(Sumber : Hasil Perancangan)
Dari Gambar 3.5 di atas dapat dijelaskan bahwa terdapat dua masukan yang
akan menjadi input dari rangkaian komparator yaitu pembagi tegangan dan sinyal
fedback dari sensor suhu. Dalam rangkaian penguat selisih/komparator terdapat
istilah tegangan referensi (Vref) sebagai pembagi tegangan dan tegangan (Vin)
sebagai tegangan inpu-tan dari sensor suhu LM35DZ. Besarnya tegangan input-an
dapat berubah-ubah sesuai dengan berubahnya suhu yang disensor oleh LM35DZ.
Dengan adanya dua masukan yang menuju ke komparator, maka komparator
akan bekerja untuk memproses kedua masukan sebagai perbandingan dengan
hasil error. Error dapat berpolaritas positif (+) atau berpolaritas negatif (-) untuk
mengakibatkan optocoupler bekerja sesuai dengan tegangan kerja adalah 5 Volt
reverse voltage (VR), sehingga output dari pothotransistor pada optocoupler akan
Output
dapat mengalirkan arus picu ke-gate pada triac sehingga triac dapat mengalirkan
tegangan AC ke beban yaitu bantal penghangat tersebut.
Apabila tegangan referensi (Vref) diberikan yaitu 0,40 Volt, dan tegangan
keluaran dari sensor suhu (Vin) lebih kecil dari tegangan referensi (Vref) yaitu
0,36 Volt, maka keluaran dari rangkaian komparator akan berpotensial negatif (-)
adalah sebesar -0,4 Volt, ini akan dibalikan oleh rangkaian penguat inverting
dengan penguatan 10 kali untuk menjadi berpolaritas positif (+) menjadi +4,4
Volt, sehingga dapat memicu optocoupler untuk dapat men-trigger gate pada
triac sehingga tegangan AC akan dapat mengalir ke pemanas untuk bekerja
menghasilkan panas atau dalam keadaan on. Selanjutnya apabila keluaran dari
sensor suhu (Vin) sudah mencapai 0,40 Volt mewakili suhu adalah 400 C, dan
tegangan referensi (Vref) adalah sama dengan 0,40 Volt (Vref = Vsensor suhu),
maka keluaran dari komparator adalah 0 Volt. Keluaran dari penguat membalik
juga akan menjadi 0 Volt, ini tidak akan bisa memicu optocoupler sehingga
optocoupler tidak akan men-trigger gate pada triac dengan kata lain triac akan
memutus tegangan AC kebantal pemanas dan bantal pemanas tidak lagi bekerja
untuk menghasilkan panas atau dalam keadaan off.
3.1.2.1 Blok Perancangan Rangkaian Pembagi Tegangan (Vref)
Dalam perancangan pembagi tegangan yang presisi, dapat dilihat pada
Gambar 3.6 di bawah ini.
Gambar 3.6 Aplikasi Penggunaan IC TL431 Sebagai Regulator Tegangan.
(Sumber : Hasil Perancangan)
R1
+12V
R3
POT
(Themset)
IC TL431
R2
Input Buffer
0V
Gambar 3.7 Pembagi Tegangan sebagai Tegangan Referensi (Vref).
(Sumber : Hasil Perancangan)
Dilihat dari Gambar 3.7 di atas, untuk memperoleh tegangan referensi
yang presisi digunakan IC TL431 sesuai dengan datasheet (+ 2.5 V precision
voltage reference) yang berfungsi sebagai regulator dengan output + 2,5 V.
digunakannya IC TL431 ini adalah agar nantinya tegangan maksimal output-nya
tidak melebihi + 2.5 V sehingga tidak terlalu jauh membandingkan tegangan
output dari IC LM35DZ. Themset yang digunakan adalah trimpot/potensio meter
dengan besaran 5 KΩ dan R2 adalah 22 KΩ dimana untuk membentuk rangkaian
pembagi tegangan yang akan menentukan harga tegangan referensi (Vref) 0 V/00
C-0,47 V/470 C.untuk R1 ditentukan dengan besaran 1 KΩ. R1 ini berfungsi untuk
menghalangi arus langsung melalui IC TL431 dari sumber sesuai dengan
datasheet dan penambahan dioda zener IN4148 pada power supply yang diserikan
ke Ground adalah agar dalam pengukuran tegangan referensi benar-benar
mendapatkan 0 Volt. Melalui persamaan (2-29), maka dapat diperoleh Vout
maksimal dari rangkaian pembagi tegangan adalah sebesar :
Vout = Vin ´
R2
R1 + R2
= 2.5V ´
5 KW
2.2 KW + 5KW
= 2.5V ´ 0.185V
= 0.462V
3.1.2.2 Blok Perancangan Rangkaian Sensor Suhu IC LM35DZ
Dalam perancangan rangkaian sensor suhu menggunakan IC LM35DZ
yang telah langsung dikalibrasi dalam satuan 0C. Output dari sensor suhu berupa
tegangan (Vout) akan mengalami perubahan 10 mV untuk disetiap perubahan
temperatur 10 C. dari persamaan (2-12), dengan T adalah temperatur yang
dideteksi dalam derajad celcius. Untuk memurnikan Vout dari IC LM35DZ, maka
dipasang pada pin1 dan pin3 sebuah kapasitor milar yaitu (C1) 0,1µF.
Persamaan untuk memperoleh hasil perhitungan dapat menggunakan
persamaan seperti di bawah ini :
Vout = 10mV . T
Misalkan pada suhu 360 C, output dari IC LM35DZ pada pin ke-2 dapat
dihitung sebagai berikut :
Vout = 10 mV x 360 C
= 360 mV atau 0,36 V
Dan misalnya pada suhu 400 C, maka output-nya adalah :
Vout = 10 mV x 400 C
= 400 mV atau 0,40 V
+12V
ICLM35DZ
+Vs
GND
Vout
3
C1
1
2
V Input To
Comparator
0V
Gambar 3.8 Rangkaian Sensor Suhu IC LM35DZ.
(Sumber : Hasil Perancangan)
3.1.2.3 Perancangan Rangkaian Penyangga/Buffer.
Rangkaian penyangga mempunyai penguatan hampir satu dan impedansi
rendah sehingga penyangga ini hanya menyajikan beban ringan kepada rangkaian
peka. Penyanggan ini akan menerima input-an/masukan dari rangkaian pembagi
tegangan yang menjadi tegangan referensi mewakili suhu. Dalam rangkaian ini
digunakan IC LM324 yang memiliki empat buah rangkaian Op-Amp.
Gambar 3.9 Diagram Koneksi pada Masing-masing Op-Amp pada IC LM324.
(Sumber : Hasil Perancangan)
Tujuan menggunakan penyangga ini adalah agar tegangan tidak
drop/turun akibat pembebanan oleh blok rangkaian berikutnya yaitu pada
rangkaian penguat selisih/komparator dan memberikan arus pendorong yang
cukup untuk beban. Tegangan output-nya adalah sama dengan tegangan inputnya. Penyangga ini mempunyai umpan balik negatif 100% karena keluarannya
dijumpper kembali langsung dengan masukan yang membalikannya. Rangkaian
penyangga/Buffer ini dapat dilihat pada Gambar 3.10 IC Op-Amp LM324.
IC LM 324-3
VReferensi
+ 10
8
3
Input Pembagi Tegangan
+12V
-
9
IC LM 324
4 V+
11
V-
GND
Gambar 3.10 Rangkaian Penyangga/Buffer.
(Sumber : Hasil Perancangan)
Sesuai dengan persamaan (2-13) yang menyatakan bahwa tegangan
output dari rangkaian penyangga adalah sama besar dengan tegangan input-nya.
Vout = Vin
Misalkan Vin yang masuk ke rangkaian Buffer dari rangkaian pembagi
tegangan Vref adalah sebesar 0,36 V, maka Vout dari rangkaian penyangga adalah
sebesar 0,36 V juga.
Vout = Vin
0,36V = 0,36 V
3.1.2.4 Blok Perancangan Rangkaian Penguat Selisih/Komparator
Rangkan penguat selisih ini berfungsi untuk membandingkan kedua
masukan (V1) dari keluaran sensor suhu IC LM35DZ dan (V2) keluaran dari
rangkaian pembagi tegangan. Pada Gambar 3.11 di bawah ini menunjukkan
rangkaian penguat selisih.
R2
IC LM 324-2
R1
Vin IC LM 35DZ
6
R3
5
-
2
+
7
Output
+12V
IC LM 324
4 V+
R4
VReferensi
11
0V
GND
V-
Gambar 3.11 Rangkaian Penguat Selisih/Komparator.
(Sumber : Hasil Perancangan)
Ramgkaian
penguat
selisih/komparator
membandingkan kedua masukan yaitu VRef dan VLM
ini
35DZ
berfungsi
untuk
yang terlihat pada
Gambar 3.11 di atas. Misalkan tegangan masukan VLM 35DZ adalah 0,36 V, dan
tegangan masukan VRef lebih tinggi dari 0,36 V, yaitu 0,40 V, maka keluaran dari
rangkaian penguat selisih berpotensial negatif (-). Sedangkan apabila tegangan
masukan dari VLM 35DZ adalah 0,40 V dan tegangan masukan dari VRef yaitu 0,36
V, maka keluaran dari rangkaian penguat selisih akan berpotensial positif (+). Jika
tegangan masukan dari keduanya sama (VRef = VLM 35DZ), maka keluaran tegangan
dari rangkaian penguat selisih adalah 0 Volt. Keluaran/error dari rangkaian
penguat selisih ini dirancang agar mampu memicu rangkaian trigger triac
sehingga dapat mengalirkan tegangan AC ke beban adalah sebesar + 5 Volt.
Sesuai dengan persamaan (2-11) maka didapat perhitungan sebagai berikut.
Vout = (V 1 + V 2) ´
R2
R3
Vout = (V 3 + V 4) ´
R4
R3
atau,
Dengan anggapan bahwa, R1 = R3 dan R2 = R4.
Tegangan keluaran dari penguat selisih/komparator dapat dihitung
dengan persamaan (2-12), yaitu :
Apabila,
Vref
= 0,40 Volt
VLM35DZ = 0,36 Volt
Vout
= (VinLM35DZ - Vref)
R2
R3
= (0,36V – 0,40V)
100kW
10kW
= - 0,04 V . 10
= - 0,4 Volt Polaritasnya negatif (-)
Apabila,
Vref
= 0,40 Volt
VLM35DZ = 0,40 Volt
Vout
= (VinLM35DZ - Vref)
R2
R3
= (0,40V – 0,40V)
100kW
10kW
= 0 . 10
= 0 Volt
Apabila,
Vref
= 0,40 Volt
VLM35DZ = 0,41 Volt
Vout
= (VinLM35DZ - Vref)
R2
R3
100kW
10kW
= (0,41V – 0,40V)
= 0,01 V . 10
= 0,1 Volt Polaritasnya positif (+)
3.1.2.5 Blok Perancangan Rangkaian Penguat Membalik/Inverting
Rangkaian dasar penguat inverting adalah seperti yang ditunjukkan pada
Gambar 3.12, dimana sinyal masukannya dibuat melalui input inverting. Seperti
tersirat pada mananya tentu sudah menduga bahwa fase keluaran dari penguat
inverting ini akan selalu berbalikan dengan input-nya. Apabila isyarat diberikan
positif (+) yang masuk pada penguat inverting, maka keluaran akan berbalik
menjadi negatif (-).
R6
IC LM 324-4
14
Output
+
4
-
+12V
R5
Term inal Input
13
12
0V
IC LM 324
4 V+
11
V-
GND
Gambar 3.12 Rangkaian Penguat Membalik/Inverting.
(Sumber : Hasil Perancangan)
Penguatan (Vout) dari rangkaian penguat inverting adalah - 10 kali dari
input-nya, karena R6 yang digunakan adalah 100kΩ sedangkan untuk R5
digunakan 10kΩ. sesuai dengan persamaan (2-8) berikut ini.
Av = -
=-
Rf
Rin
100kW
10kW
= -10
Perhitungan tegangan keluaran penguat inverting sesuai dengan
persamaan (2-8) adalah sebagai berikut.
Vout = - Av . Vin
Apabila Vin = - 0,4 Volt, maka keluaran dari penguat inverting mengikuti
persamaan berikut ini :
Vout = - Av . Vin
= - 10 . (- 0,4V)
= + 4 Volt
Sedangkan apabila Vin = 0,1 Volt, maka :
Vout = - Av . Vin
= - 10 . 0,1 Volt
= - 1 Volt
Dan apabila Vin = 0 Volt, maka :
Vout = - Av . Vin
= - 10 . 0 Volt
= 0 Volt
3.1.2.6 Blok Perancangan Rangkaian Trigger Triac dengan Optocoupler
TLP621
Rangkaian trigger triac terdiri dari dua komponen optocoupler dan triac.
Dimana Optocoupler berfungsi sebagai isolasi antar rangkaian pengolah sinyal
DC dengan rangkaian pengolah sinyal AC, dan triac berfungsi sebagai sakelar
elektrik tegangan AC untuk penyalaan bantal penghangat. Triac dapat melewati
tegangan AC dari 0 Volt AC sampai 220 Volt AC. Triac tidak akan menghantar
atau Off meskipun diberikan tegangan maju sampai pada tegangan break over-nya
triac tersebut dicapai. Pada Gambar 3.13 di bawah ini menunjukkan rangkaian
trigger triac.
AC
Vcc +
R7
Vin
Pemanas
Vsat
VF
R8
fuse
IF
Gambar 3.13 Rangkaian Trigger Triac dengan Optocoupler TL621.
(Sumber : Hasil Perancangan)
Saat tegangan input (VF) berubah, jumlah cahaya yang mengenai
phototransistor juga berubah. Hal ini berarti arus (If) mengalir melalui kolektor
dan keluaran dari optocoupler memiliki tegangan sebesar VSAT yang akan berubah
sesuai dengan tegangan input-nya. Berdasarkan prinsip kerja dari optocoupler
tersebut, maka nilai R7 dan R8 dapat ditentukan dengan persamaan berikut sesuai
dengan nilai yang tertera pada datasheet.
Diketahui bahwa :
Vcc
= 12 Volt
If
= 10 mA
Vf
= 1,3 Volt
VSAT
= 0,4 Volt
Sehingga,
R7
=
Vcc - Vf
If
=
12Volt - 1,3Volt
10mA
= 1,07 kΩ
dan nilai dari R8 dapat ditentukan sebagai berikut :
R8
=
Vcc - Vf - Vsat
IR8
=
12Volt - 1,3Volt - 0,4Volt
0,03
= 343,3 Ω
Untuk menentukan besarnya arus yang mengalir melalui gate pada triac,
dapat ditentukan dengan persamaan sebagai berikut :
VR8 = Ig x R8
77,24 = IG x 343,3
IG
=
77,24Volt
343,3W
= 0,224 mA
3.1.2.7 Blok Perancangan Rangkaian Catu Daya 12Volt DC
Rangkaian catu daya berfungsi untuk memberikan daya kepada masingmasing komponen rangkaian sehingga sistem beroperasi secara normal.
Rangkaian catu daya ada bermacam-macam tergantung dari tingkat kestabilan
yang diinginkan dan tegangan keluaran yang dibutuhkan untuk pengoperasian
suatu rangkaian. Terdapat dua jenis rangkaian catu daya yang memenuhi
kebutuhan tersebut, yaitu sumber daya dengan regulasi linier (Linier Regulated
Power Supply) dan sumber daya dengan regulasi switching (Switching Regulated
Supply). Dalam rangkaian catu daya yang digunakan dalam perancangan ini
menggunakan sumber daya dengan regulasi linier dengan menggunakan IC
regulator (IC penstabil tegangan), maka bentuk dari rangkaian catu daya yang
dibuat akan sederhana, ekonomis, dan tegangan keluaran yang dihasilkan akan
tetap konstan tergantung dari pemilihan IC regulator sesuai dengan kebutuhan
daya. Pada Gambar 3.14 di bawah ini memperlihatkan rancangan catu daya 12
Volt yang digunakan.
Trafo 1A 220VAC
AC1
IN
0
AC
Minus
Plus
C1
12
R1
+
-
AC2
A
AN7812
OUT
GND
+12VDC
+
-
C2
K
GND
Gambar 3.14 Rancangan Rangkaian Catu Daya 12 Volt DC.
(Sumber : Hasil Perancangan)
Prinsip kerja dari rangkaian catu daya DC di atas adalah tegangan dari
PLN 220V AC diturunkan (Step Down) terlebih dahulu dengan bantuan dari trafo
penurun tegangan sehinnga menjadi 12V AC, karena rangkaian membutuhkan
tegangan searah maka gelombang tegangan keluaran dari trafo skunder
disearahkan terlebih dahulu dengan penggunaan dioda jembatan penyearah.
Karena keluaran gelombang dari dioda jembatan masih belum berupa gelombang
tegangan DC murni sehingga pemasangan capasitor elektrolit (C1) 2200µF/25volt
secara parallel membantu untuk menyaring tegangan keluaran dioda sehingga
menghasilkan gelombang yang konstan.
Karena rangkaian di-supply oleh tegangan 12V DC, maka terminal
keluaran pada capasitor (C1) dehubungkan dengan IC regulator AN7812. Untuk
meningkatkan kestabilan tegangan keluaran pada IC regulator, maka ditambahkan
capasitor elektrolit (C2) 1000µF/16Volt. Dan sebagai indikator aktif dan tidaknya
rangkaian catu daya, dipasang sebuah LED dengan tahanan sebesar 1 kΩ dengan
perhitungan sebagai berikut.
Diketahui tegangan sumber (Vs) = 12 Volt, arus yang diberikan untuk
LED adalah sebesar 10mA dan tegangan yang diberikan agar LED bekerja
(menyala) normal adalah sebesar 3 Volt. Dengan menggunakan persamaan (2-19),
maka diketahui :
Jadi,
R=
Vs - 2Volt
I
=
12Volt - 2Volt
10mA
=
10Volt
10mA
=
1kΩ
3.2 Prinsip Kerja Rangkaian Kontrol Suhu Bantal penghangat
Secara keseluruhan prinsip kerja rangkaian kintrol bantal penghangat ini
dimulai dari suhu didalam bantal penghangat terukur oleh sensor suhu IC
LM35DZ yang diberikan supply daya +12 Volt dari rangkaian kontrol bantal
penghangat. Dengan disensornya suhu oleh sensor suhu LM35DZ, maka pin ke-2
dari sensor suhu LM35DZ sebagai Vout/tegangan keluaran yang akan mengalami
perubahan tegangan sebesar 10 mV untuk setiap perubahan kenaikan temperatur
suhu 10 C memenuhi persamaan (2-13) dengan T adalah temperatur yang
dideteksi dalam derajad Celsius (0C). Untuk memurnikan Vout dari LM35DZ
dipasang pada Pin 1 dan pin 3 dengan sebuah kapasitor milarr (C1)
100 nF.
Misalkan saat suhu yang disensor oleh LM35DZ adalah sebesar 0,360 C, maka
Vout dari LM35DZ pin ke-2 adalah sebesar 0,371 Volt menurut pengukuran,
sedangkan menurut perhitungan adalah sebesar 0,36 Volt. Hal ini disebabkan oleh
beberapa faktor yaitu, pengkalibrasian alat yang tidak tepat, dan nilai komponen
yang digunakan memiliki niai toleransi yang cukup besar yaitu 5%. Vout dari
LM35DZ ini nantinya akan menjadi Vin ke rangkaian penguat selisih/komparator.
Untuk tegangan referensi agar mengasilkan tegangan yang presisi, digunakan IC
TL431 yang sesuai dengan datasheet (+2,5 V precision voltage reference)
berfungsi sebagai regulator tegangan dengan output +2,5 Volt. Alasan
menggunakan IC TL431 ini adalah agar nantinya tegangan maksimal output-nya
tidak melebihi tegangan +2,5 V sehingga dapat membandingkan tegangan output
dari sensor suhu LM35DZ tidak terlalu jauh. Potensio 5 kΩ, dan R3 sebesar 22
kΩ membentuk rangkaian pembagi tegangan yang akan mementukaan harga
tegangan referensi (Vref) 0 V - 0,462 V). R4 ditentukan nilainya sebesar 1 kΩ. R4
ini digunakan untuk membatasi arus langsung melalui TL431 sesuai dengan
datasheet dan untuk mendapatkan hasil pengukuran output dari tegangan referensi
benar-benar 0 Volt, maka dipasang dioda zener IN4148 pada power supply.
Menurut persamaan (2-29), maka didalam perhitungan didapat Vout maksimal
dari pembagi tegangan adalah 0, 47 V. apabila dinyatakan dalam temperatur maka
menyatakan maksimal suhu adalah 470 C. Sebelum digunakan sebagai tegangan
referensi (Vref), Vout dari pembagi tegangan tadi masuk ke rangkaian
penyangga/buffer. Tujuan manggunakan rangkaian penyangga ini adalah agar
tegangan tidak turun karena pembebanan pada blok rangkaian sebelumnya yaitu
rangkaian pembagi tegangan. Penyangga ini memiliki upan balik negatif 100%
karena keluarannya disambung langsung dengan masukan yang membalikkan
sehingga tegangan keluarannya adalah sama dengan masukan. Output dari
rangkaian penyangga ini yang akan menjadi Vref dalam rangkaian penguat
selisih/komparator nantinya. Rangkaian penguat selisih/komparator pada IC
LM324 pada Op-Amp 2 akan melakukan perbandingan terhadap V1 dan V2 yang
masuk ke dalam kedua input dari penguat selisih tersebut. Dalam perancangan
rangkaian ini, Vout dari rangkaian penyangga (Vref) terhubung dengan masukan
membalik/inverting (-), sedangkan untuk Vout dari Sensor LM35DZ (Vin) yang
terhubung dengan masukan tak membalik/non-inverting (+) pada rangkaian
penguat selisih/komparator yang berfungsi untuk membandingkan kedua
masukan Vref dan VLM35DZ sehingga akan timbul error dari pembanding tersebut.
Error ini dapat perpolaritas positif (+) maupun negatif (-), misalkan tegangan
masukan VLM35DZ 0,36 V dan masukan Vref diberi tegangan acuan/referensi lebih
tinggi dari 0,36 V, yaitu 0,40 V, maka keluaran dari penguat selisih berpolaritas
negatif (-). Sedangkan apabila masukan VLM35DZ tegangannya 0,41 V dan
tegangan masukan Vref diberi tegangan lebih rendah yaitu 0,40 V, maka keluaran
dari penguat selisih akan berpotensial positif (+), jika kedua masukannya sama
(Vref = VLM35DZ), keluaran tegangan dari penguat selisih adalah 0V. Error yang
dirancang agar dapat men-trigger triac sebagai sakelar elektrik adalah sebesar +5
Volt, sesudah dikuatkan terlebih dahulu sebesar 10 kali oleh rangkaian inverting.
Hasil perbandingan/error selanjutnya masuk ke blok rangkaian inverting dengan
penguatan 10 kali, hal ini dikarenakan hasil Vout dari rangkaian penguat
selisih/komparator sangatlah kecil atau tidak mampu memberikan respon ke blok
rangkaian trigger triac sehingga triac tidak dapat bekerja (ON). Selanjutnya
output dari rangkaian penguat selisih yang polaritasnya negatif (-) ini akan
dikuatkan oleh penguat mambalik/inverting yang tadinya berpolaritas negatif (-)
menjadi berpolaritas positif (+) sebesar +5 V, akan membuat optocoupler aktif
dan memberikan arus pada gate triac, sehingga triac dapat mengalirkan tegangan
AC ke bantal penghangat dan menghasilkan panas. Selanjutnya apabila VLM35DZ
sama dengan tegangan Vref, maka Vout dari rangkaian penguat selisih akan sama
dengan 0 Volt, atau kurang dari batas error +5 Volt bahkan berpolaritas negatif (), maka optocoupler tidak aktif sehingga tidak memberikan arus picu pada triac
maka triac tidak lagi mengalirkan tegangan AC ke bantal penghangat sehinga
tidak lagi menghasilkan penas. Demikian seterusnya rangkaian kontrol bantal
penghangat listik akan bekerja.
3.3
Perancangan Penggunaan Alat Bantal penghangat
Dalam Gambar 3.15 di bawah memperlihatkan ilustrasi penggunaan alat
bantal penghangat.
Gambar 3.15 Ilustrasi Penggunaan Alat Bantal penghangat.
(Sumber : Hasil Perancangan)
Cara penggunaan alat bantal penghangat ini sangatlah mudah, karena dapat
digunakan diseluruh tubuh, tidak cuma dikepala saja, tapi dapat juga digunakan
dibagian tubuh seperti, lengan, pinggang, paha, dan juga dapat digunakan pada
telapak kaki.
Alat ini aman untuk digunakan, karena dalam pembuatan bantal yang
terdapat elemen pemanas di dalamnya tersebut sudah dilapisi dengan beberapa
lapisan. Hanya saja apabila digunakan dalam keadaan berkeringat, cukup dengan
melapisi handuk kering di atas bantal agar air keringat tidak dapat menetes
kedalam rangkaian elemen pemanas didalam bantal. Hasil panas yang tercipta
pada bantal penghangat dapat diatur sesuai dengan keinginan pengguna.
3.4
Lokasi Penelitian
Sebelumnya penulis melakukan survey ke daerah pemukiman penduduk
yang menggunakan penghangat seperti handuk yang direndam air hangat atau
dengan merendam kaki dengan air hangat. Tempat yang dijadikan survey adalah
desa macang bebandem kabupaten Amlapura. Daerah ini memiliki suhu yang
relatif rendah disaat musim dingin tiba. Dalam melakukan tahap perancangan,
pembuatan, dan pengujian alat bantal penghangat ini dilakukan di ruang Lab
Jurusan Teknik Elakktronika Universitas Pendidikan Ganesha.
3.6
Instrumen Penelitian
Adapun peralatan yang digunakan saat melakukan penelitian dapat dilihat
peda Tabel 3.1 di bawah ini :
Tabel 3.1. Nama dan Jumlah Instrumen yang digunakan dalam Proses Penelitian.
No.
Nama Alat
Jumlah
Fungsi
Mengukur besaran suhu yang terbaca
1.
Thermometer Digital
1 buah
2.
Multimeter Digital
3 buah
3.
Multitester Analog
1 buah
4.
Kalkulator
1 buah
dari bantal penghangat
Mengukur Besaran tegangan yang
terdapat pada titik-titik pengukuran
Mengukur Besaran tegangan yang
terdapat pada titik-titik pengukuran
Membantu dalam proses perhitungan
Serta bahan-bahan dan peralatan yang digunakan dalam pembuatan alat
bantal penghangat ini dapat dilihat pada Tabel 3.2 dan Tabel 3.3 sebagai berikut :
Tabel 3.2. Daftar Nama Alat dan Fungsi Alat.
No.
Nama Alat
Fungsi
Jumlah
1
Cutter
Untuk memotong bagian-bagian bahan
1 buah
Untuk memotong bagian-bagian yang
2
Gunting
3
Spidol
Untuk memberikan tanda pada bahan
1 buah
4
Penggaris
Untuk mengukur ukuran bahan
1 buah
lebih pada bahan
1 buah
Tabel 3.3. Daftar Nama Bahan-bahan Pembuatan Alat.
No
Nama Bahan
Jumlah/Ukuran
1
Spons
40 cm x 30 cm
2
Kawat Pemanas
12 meter
3
Benang Asbes
2 meter
4
Lem fox putih (kayu)
1 bungkus
5
Acrylic Transparan
3.7
25 x 20 cm x 2 buah, 7
x 15 cm x 2 buah
Pengumpulan Data
Apabila hasil perancangan dan pembuatan telah sesuai dengan tahapan-
tahapan yang telah ditetapkan sebelumnya maka, rangkaian kontrol suhu pada alat
bantal penghangat dilakukan pengujian perblok. Melakukan pencatatan dan
pengumpulan data , yaitu melakukan pengukuranpengukuran tegangan dari tiaptiap blok rangkaian dengan menggunakan alat ukur multitester digital. Apabila
hasil pengujian rangkaian perblok rangkaian kontrol suhu telah sesuai dengan
yang ditentukan melalui perancangan perhitungan sebelumnya maka proses uji
alat keseluruhan dilakukan. Data-data yang diambil dari pengumpulan data untuk
pengujian alat meliputi besaran tegangan pada titik-titik pengujian, serta kondisi
elemen pemanas. Setelah diperoleh data melalui pengukuran-pengukuran dan
pengamatan maka data yang didapat kemudian dilakukan analisa data.
3.8
Analisa Data
Data-data yang diambil dalam pengumpulan data sebelumnya terdiri dari
data hasil pengamatan dan pengukuran pada setiap rancangan, baik dari rancangan
bentuk konstruksi dan disain maupun data-data tentang pengujian rangkaian
kontrol suhu bantal penghangat pada setiap blok rangkaian penunjang. Apabila
telah sesuai dengan perancangan sebelumnya dengan batas toleransi yang
ditetapkan maka dilakukan pengujian alat secara keseluruhan. Pengujian alat
keseluruhan dimulai dengan memberikan set-point 0,400 Volt. Kondisi dari
elemen Kawat pemanas tercatat dalam sebuah tabel yang disajikan secara jelas.
Untuk melengkapi dan memperjelas dalam pembacaan tabel maka dibuat suatu
grafik hubungan antara suhu dengan tegangan yang diperlukan untuk pencapaian
suatu titik suhu dalam pengujian alat. Selanjutnya dilakukan pembahasan melalui
tabel yang dibuat.