Rancang Bangun Dan Analisis Termoelektrik Peltier Cooler Untuk Sistem Pendingin

(1)

DAFTAR PUSTAKA

Alaoui Chakib, 2011, ”Peltier Thermoelectric Modules Modeling And Evaluation”, KSA. Taif University.

Budiharto Widodo, Firmansyah Sigit, 2008, ”Elektronika Digital + Mikroprosesor”, Yogyakarta. Andy.

Buist Richard J and Lau Paul G, 2011. ”Thermoelectric Power Generator Desing and Selection from TE Cooling Module Specification”, USA. Traverse City.

Chen Lingen, 2009, ”Effect of Heat Transfer on The Performance of A Thermoelectric Heat Pump Driven by A Thermoelectric Generator”, China. Naval University of Engineering.

Lineykin Simon and Ben-Yaakov Shmuel, 2007. ”Modeling and Analysis of Thermoelectric Modules”, IEEE. Transaction On Industry Aplication.

Purwadi Tri, 2012. ”Penerapan Desain untuk Perakitan (DFA) pada Perakitan Cool-Box Sepeda Motor”, UI. FT.

Raut Manoj S, 2012. ”Thermoelectric Air Cooling For Cars”, India. Ngapur.

Rui Jose, 2011. ”Principles of Direct Thermoelectric Conversion”, Brazil. University of Taubate.

Umoh R, 2010. ”Perancangan Alat Pendingin Portable Menggunakan Elemen

(2)

Wirawan Rio, 2012. ”Analisa Penggunaan Heat Pipe Pada Thermoelectric

Generator”, Depok. FT UI.

Wirdaliza, 2013. ”Rancang Bangun Modul Alat Ukur Kelembaban dan Temperatur Berbasis Mikrokontroler AT89S52 Dengan Sensor

HSM-20G”, Padang. FMIPA UNAND.

Yang Ronggui, 2004. ”Transien Cooling of Thermoelectric Coolers and its Application for Microdevices”, Pasadena, USA. California Institute of Thechnology.

(3)

BAB III

PERANCANGAN SISTEM

3.1 Perancangan Blok Diagram Sistem

Blok diagram sistem yang dirancang dalam penelitian ini dapat didesain seperti diperlihatkan pada gambar 3.1 di bawah ini.

Gambar 3.1 Desain blok diagram sistem

Fungsi tiap blok pada gambar 3.1;

Blok Display : Berfungsi sebagai tampilan penunjuk

(4)

Blok Buzzer : Berfungsi sebagai indicator permintaan suhu Blok MCU : Berfungsi sebagai pemroses masukan dari sensor

temperatur dan kelembaban dan membandingkannya dengan input permintaan suhu minimum, mengendalikan kerja elemen peltier dan kipas DC berdasarkan perintah- perintah yang telah deprogram sebelumnya pada MCU. Blok Sensor : Berfungsi untuk mengukur/membaca suhu ruang di dalam

pendinginan dan meneruskan hasil pembacaan ke MCU Blok Kipas DC : Berfungsi sebagai pemercepat pembuangan/penyerapan

panas

Blok Setting/Suhu Ref: Berfungsi sebagai input data/suhu referensi, tombol “up”

Dan “down” untuk menaikkan atau menurunkan

permintaan suhu minimum

Blok Ruang Pendingin: Berfungsi sebagai tempat objek yang didinginkan Blok Pembuangan Panas: Berfungsi sebagai tempat buangan panas dari EPH Blok Driver Relay : Berfungsi sebagai rangkaian kopel untuk mengendalikan

aktif atau tidak aktif kipas yang dipicu dari sinyal output MCU.

(5)

elemen Peltier yang kemudian hasilnya dialirkan menuju MCU yang telah diprogram dan diproses sehingga nilainya dapat ditampilkan dibaca pada LCD.

Jika temperatur dan kelembaban yang ditampilkan pada LCD tidak sesuai dengan permintaan buzzer akan bunyi, maka sistem disetting untuk memasukkan temperatur dan kelembaban permintaan dan kipas dc dikendalikan yang ada pada sisi ruang pendingin dan sisi pembuangan panas melalui driver relay. Kemudian temperatur dan kelembaban diukur lagi dan dibaca.

3.2 Perancangan Rangkaian Tiap Blok

3.2.1 Rangkaian LCD (Liquid Crystal Display)

Rangkaian Liquid Crystal Display (LCD) berguna untuk menampilkan hasil pendeteksian suhu kelembaban dan temperatur oleh sensor HSM-20G yang terukur. Jenis LCD yang digunakan dalam penelitian ini membutuhkan catu daya sebesar +5V DC untuk mengaktifkan backligthnya. Rangkaian dasar LCD diperlihatkan pada gambar 3.3 di bawah ini.

(6)

3.2.2 Rangkaian Relay

Penggunaan relay dalam penelitian ini berfungsi sebagai switching yang bekerja berdasarkan input yang dimilikinya. Relay akan aktif apabila ada input tegangan yang cukup pada basis transistor. Rangkaian minimum relay diperlihatkan pada gambar 3.4 di bawah ini.

Gambar 3.3 Blok rangkaian relay

Perintah dari MCU dimasukkan dulu terlebih dahulu ke dalam rangkaian driver berupa kombinasi transistor switching dan relay yang berfungsi untuk mengendalikan kinarja kipas yang ada pada ruang pendinginan dan ruang pembuangan panas sistem.

3.2.3 Rangkaian dan Karakteristik HSM-20G (Sensor Kelebaban dan Temperatur)

Pemakaian sensor HSM-20G dalam penelitian ini bertujuan untuk dapat mengindera kelembaban dan temperatur. Agar output yang dihasilkan oleh sensor

(7)

ini linear maka perlu ditambahkan pengkondisi sinyal berupa filter lolos rendah. Berikut adalah gambar HSM-20G yang sudah ditambahkan dengan filter yang diperlihatkan pada gambar 3.5.

Gambar 3.4 Rangkaian minimum HSM-20G + filter

Karaktristik rangkaian HSM-20G (sensor temperatur dan kelembaban) diperlukan untuk mengetahui karakteristik dari sensor. Dalam penelitian ini kemampuan sensor HSM-20G yang dibutuhkan adalah respon sensor terhadap kehadiran objek pada kelembaban dan temperatur tertentu. Respon tersebut berupa perubahan resistansi sensor yang menghasilkan tegangan keluaran. Untuk mengatahui tegangan keluaran sensor, dibutuhkan tegangan DC sebesar +5 volt. Sensor HSM-20G memiliki 4 (empat) pin yaitu pin untuk Vcc, pin untuk Ground, pin sensor Temperatur dan pin sensor untuk Kelembaban (Humidity).

(8)

3.2.4 Rangkaian Microcontroler Unit (MCU)

Rangkaian minimum Microcontroler Unit (MCU) yang digunakan dalam penelitian ini adalah MCU dengan tipe ATMega8535, yang merupakan pusat dari semua sistem yang dirancang. Keseluruhan proses yang terjadi pada alat yang dibuat dalam panelitian ini bekerja atas kendali (perintah) MCU yang telah diadaptasi menjalankan proses dengan bahasa C. Rangkaian minimum MCU diperlihatkan seperti gambar 3.6 berikut ini.

Gambar 3.5 Rangkaian minimum MCU ATMega8535

Pin 12 dan pin 13 dihubugkan ke XT 8,76236 MHz dan dua buah kapasitor yang masing-masing bernilai 22 pF. XT tersebut berfungsi utnuk

(9)

mempengaruhi kecepatan MCU dalam mengeksekusi setiap perintah dalam program. Pin 9 merupakan masukan reset (aktif rendah) yang diransisi pulsa tingkat tinggi ke tingkat rendah dalam MCU.

3.3 Diagram Alir

Gambar 3.6 Diagram alir alat

Keterangan :

Pada gambar 3.2 diagram alir alat, dengan pengambangan bahasa C dimulai dengan start kemudian diinisialisasi suhu dalam ruang pendingin yang

(10)

kemudian dibaca adc suhu yang dideteksi oleh sensor tempratur untuk ditampilkan hasilnya pada display, lalu diperhatikan suhu minimum atau tidak (kelembaban hanya dimonitor saja). Jika “Tidak” alat perlu disetting untuk

mengendalikan kipas dc dan adc suhu dibaca kembali dan jika “Ya” alat bekerja

(11)

BAB IV

PENGUJIAN DAN HASIL

4.1 Pengujian LCD (Liquid Crystal Display)

Rangkaian LCD dihubungkan ke PORT.D0 … PORT.D7 pada MCU,

yang merupakan pin I/O dua arah dan pin fungsi khusus yaitu sebagai Timer/Counter, komparator analog dan SPI mempunyai fungsi khusus sebagai

pengiriman data secara serial yang nilainya dikendalikan oleh MCU ATMega8535 sebelum ditampilkan pada display LCD.

Pada bagian ini, MCU ATMega8535 dapat memberi data langsung ke LCD. Pada LCD Hitachi – M832 sudah memiliki driver yang difungsikan untuk mengubah data ASCII output MCU menjadi tampilan karakter.

Dalam hal penelitian ini, hasil yang didapat cukup bagus dan sesuai dengan kebutuhan dan perancangan yang dilakukan.

4.2 Pengujian Sistem Pendingin

(12)

1. Waktu yang dibutuhkan untuk mencapai suhu minimum,

a. Saat kosong (tanpa beban) adalah 32 menit sudah mencapai 9,3 0C b. Dengan beban 1 liter adalah 158 menit sudah mencapai 9,3 0C c. Dengan air bermassa 2 liter adalah 294 menit sudah mencapai 9,3 0C d. Dengan air bermassa 3 liter adalah 756 menit sudah mencapai 9,3 0C e. Dengan air bermassa 4 liter adalah 1096 menit sudah mencapai 9,3 0C f. Dengan air bermassa 5 liter adalah 1588 menit sudah mencapai 9,3 0C 2. Penurunan suhu yang paling signifikan pada waktu antara 0 menit sampai

20 menit,

a. Saat kosong (tanpa beban) sebesar 16,4 0C b. Dengan air bermassa 1 liter sebesar 9,0 0C c. Dengan air bermassa 2 liter sebesar 6,7 0C d. Dengan air bermassa 3 liter sebesar 5,5 0C e. Dengan air bermassa 4 liter sebesar 4,1 0C f. Dengan air bermassa 5 liter sebesar 1,4 0C

(13)

a. Untuk keadaan tanpa beban;

Dari data yang terlampir (lampiran D) dapat diolah untuk mendapatkan grafik penurunan suhu sebagai berikut;

Gambar 4.1 Grafik (T-vs-t) Penurunan suhu tanpa beban

(14)

b. Untuk keadaan beban 1 liter air;

Gambar 4.2 Grafik (T-vs-t) Penurunan suhu dengan beban 1 liter air

(15)

c. Untuk keadaan beban 2 liter air;

(16)

d. Untuk keadaan beban 3 liter air;

(17)

e. Untuk keadaan beban 4 liter air;

(18)

f. Untuk keadaan beban 5 liter air;

(19)

BAB V

KESIMPULAN DAN SARAN

5.1 Kesimpulan

Setelah melakukan pengujian terhadap alat yang dibuat dalam penelitian ini, dapat disimpulkan bahwa:

1. Waktu yang dibutuhkan sistem bekerja untuk mencapai suhu minimum bergantung pada beban beban yang diberikan, dimana saat sistem keadaan kosong butuh waktu 32 menit, dengan beban 1 liter air waktu yang dibutuhkan adalah 158 menit, dengan beban 2 liter air waktu yang dibutuhkan adalah 294 menit, dengan beban 3 liter air waktu yang dibutuhkan adalah 756 menit, dengan beban 4 liter air waktu yang dibutuhkan adalah 1096 menit dan dengan beban 5 liter air waktu yang dibutuhkan adalah 1588 menit mencapai suhu minimum.

2. Gradian penurunan suhu pada ruang pendingin dalam keadaan kosong yang didapat dari hasil pengolahan data adalah 2,92 menit-1, sedangkan pada saat ruang pendingin ada beban 1 liter air, 2 liter air, 3 liter air, 4 liter air dan 5 liter air berturut-turut adalah 1,85 menit-1, 1,89 menit-1, 1,59 menit-1, 1,64 menit-1 dan 1,90 menit-1.

(20)

pendingin termoelektrik sangat menjanjikan untuk menjadi teknologi masa depan. Oleh karena itu, pengembangan aplikasi pendingin dengan menggunakan termoelektrik elemen peltier harus terus dilakukan.

5.2 Saran

1. Dekatnya jarak antara sisi ruang pendingin dengan sisi ruang buangan panas serta sempitnya ruang buangan panas elemen termoelektrik, membuat styrofoam yang dipakai dalam penelitian ini tidak mampu menghambat panas yang masuk pada ruang pendingin yang disebabkan oleh panas buang termoelektrik

(21)

BAB II DASAR TEORI

2.1 Termoelektrik

2.1.1 Sejarah Singkat Termoelektrik

Efek termoelektrik merupakan subjek paling penting dalam ilmu fisika di bidang benda padat. Efek utama yang digunakan adalah efek Seebeck yang ditemukan oleh Thomas Johann Seebeck pada tahun 1821 dan efek Peltier yang ditemukan oleh Jean Charles Athanase Peltier pada tahun 1834. Yang keduanya mempunyai peranan penting dalam aplikasi praktik.

Termoelektrik didasarkan pada Efek Peltier. Efek Peltier adalah salah satu dari tiga efek termoelektrik, dua lainnya dikenal sebagai efek Seebeck dan efek Thomsont. Sedangkan dua efek terakhir terdapat pada konduktor tunggal, efek Peltier adalah fenomena khusus persimpangan pada dua batang semikonduktor.

2.1.2 Efek Seebeck

(22)

menengah proses konversi. Untuk alasan ini, pembangkit listrik thermoelectric diklasifikasikan langsung sebagai daya konversi.

Penghubung junction 1 dan 2 dari logam semikonduktor yang terbuat dari material yang berbeda, yaitu material A dan material B, dikondisikan dalam temperature yang berbeda T1 dan T2. Seperti diilustraikan pada gambar 2.1 berikut ini.

Gambar 2.1 Sirkuit termoelektrik yang terbuat dari konduktor A dan B dengan temperature junction T1 dan T2. Z adalah koordinat sepanjang

konduktor yang digabungkan ujung a dan b dari voltmeter

Jika sirkuit pada gambar 2.1 mengalami hubungan arus pendek dengan memindahkan voltmeter, arus listrik stasioner akan mengalir. Besarnya arus listrik yang mengalir tergantung dari rasio potensial termoelektrik yang diukur dengan voltmeter dan total hambatan dari sirkuit tanpa voltmeter. Bila nilai potensial termoelektrik yang dihasilkan kecil (pada logam dengan ukuran millivolt), thermocurrent yang terjadi bisa cukup besar jika hambatan kecil.

V

A A

T2 T1

Z

a b

(23)

Potensial U diukur dengan menggunakan voltmeter V dimasukkan ke dalam kabel A yang diberikan sesuai dengan persamaan :

(2.1)

Dengan QA dan QB merupakan koefisien Seebeck (daya termoelektrik) dari logam A dan logam B, dimensi dari Q adalah energi / (beban dikalikan dengan temperatur). Satuan dari Thermopower adalah v kB / e ≈ 10-4 V/K sedangkan nilai

Q yang umum dipakai pada logam adalah lebih rendah dari faktor 10 sampai dengan 100, untuk semikonduktor umumnya lebih tinggi dibandingkan faktor yang identik.

2.1.3 Efek Peltier

Jean Charles Athanase Peltier pada tahun 1834 telah mendasari efek termoelektrik pada sistem pendingin. Ketika arus listrik melewati persimpangan dua plat bahan semikonduktor dengan sifat yang berbeda akan terjadi penyerapan panas pada sambungan kedua plat tersebut dan pelepasan panas pada sambungan yang lainnya. Penyerapan dan pelepasan panas yang terjadi saling berbalik ketika arah polaritasnya dibalik.

Jika arus listrik sebesar I sepanjang junction dari dua buah konduktor yang berbeda A dan B dengan koefisien Peltier ∏Adan ∏B menghasilkan kalor dengan

tingkat menurut :

(24)

Gambar 2.2 Ilustrasi sederhana untuk mengamati efek peltier

Pada gambar 2.2 di atas, nilai W bisa saja positif atau negatif. Nilai negatif menandakan pendingin dari junction. Berlawanan dengan pemanasan joule, efek peltier sifatnya reversible dan tergantung dari arah arus listrik.

Efek peltier terjadi karena adanya arus listrik yang memiliki arus kalor dalam konduktor homogeny, yang terjadi walaupun temperatur dalam keadaan konstan. Akibat dari arus kalor menurut ∏ ∙ I . Persamaan kalor peltier merupakan keseimbangan aliran kalor dari dan menuju interface. Arus kalor bersama arus listrik dapat dijelaskan melalui perbedaan kecepatan aliran elektron yang membawa arus listrik. Kecepatan aliran bergantung pada energi dari elektron yang mengalami konduksi. Sebagai contoh, jika kecepatan aliran suatu elektron dengan energi lebih dari potensi kimia (energi Fermi) lebih besar dari elektron dengan energi yang rendah, arus listrik bersama arus kalor dengan arah yang berlawanan (karena beban listrik negatif). Dalam hal ini koefisien Peltier bernilai negatif. Dalam keadaan yang sama akan terjadi juga untuk ȵ semikonduktor, dimana arus listirk yang dibawa oleh elektron dalam kedaan ikatan konduksi.

Koefisen Seebeck dan Peltier Q dan ∏ menurut hubungan

Konduktor A Konduktor B

(25)

(2.3)

yang sudah ditemukan oleh Lord Kelvin, untuk setiap nilai derivasi yang valid hanya dapat dibuktikan setelah menggunakan teori kinetik dari konduksi elektron atau termodinamika irreversible. Kelvin menghubungkan material semikonduktor untuk menghasilkan dua efek yang berbeda dengan konsekuensi seperti yang dijelaskan pada efek Peltier di atas.

2.2 Elemen Termoelektrik Peltier

Elemen termoelektrik Peltier merupakan semikonduktor tipe-p dan tipe-n yang dihubungkan dalam suatu rangkaian listrik tertutup yang terdapat beban. Dari perbedaan suhu yang yang ada pada tiap junction ditiap semikonduktor tersebut akan menyebabkan elektron berpindah dari sisi panas menuju sisi dingin.

(26)

Gambar 2.3 Pergerakan ion-ion pada logam semikonduktor

Elemen peltier atau pendingin termoelektrik (thermoelectric cooler) merupakan alat yang dapat menimbulkan perbedaan suhu antara kedua sisinya jika dialiri arus listrik searah pada kedua kutub materialnya, dalam hal ini semikonduktor. Dalam hal refrigerasi, keutungan utama dari elemen peltier adalah tidak adanya bagian yang bergerak atau cairan yang bersirkulasi dan ukurannya kecil serta bentuknya sangat mudah untuk direkayasa. Sedangkan kekurangan dari elemen peltier ada pada faktor efisiensi daya yang rendah dan biaya perancangan sistem yang masih relative mahal. Namun kini banyak peneliti yang sedang mencoba mengembangkan elemen peltier yang lebih murah dan juga efisien. (Rio Wirawan, 2012)

Konduktor

Tegangan dV Temperatur dT

panas dingin

(27)

Gambar 2.4 Elemen peltier

(Sumber : Malcore Wibsite-edited)

Elemen peltier tersusun atas serangkaian dua tipe semikonduktor (tipe p dan tipe n) yang dihubungkan secara seri. Pada setiap dua sambungan antara dua tipe semikonduktor tersebut dari logam/tembaga. Interkoneksi konduktor tersebut diletakkan masing-masing dibagian bawah semikonduktor. Konduktor bagian atas ditunjukkan untuk membuang kalor dan konduktor bagian bawah ditunjukkan untuk menyerap kalor. Pada kedua bagian interkoneksi ditampelkan plat yang terbuta dari kramik. Plat tersebut dibuat untuk memusatkan kalor yang ditimbulkan oleh konduktor.

Gambar 2.5 Struktur elemen peltier

(28)

Elemen peltier yang sedang dialiri oleh arus listrik yang menimbulkan perbedaan suhu pada kedua interkoneksi. Interkoneksi yang dialiri arus listrik dari arah semikonduktor tipe n menuju tipe p akan menyerap kalor atau dengan kata lain menjadi dingin. Sedangkan, interkoneksi yang dialiri arus dari arah semikonduktor tipa pa menuju tipe n akan membuang/mendisipasi kalor atau dengan kata lain menjadi panas.

Gambar 2.6 Ilustrasi aliran arus pada elemen peltier

Interkoneksi anatara semikonduktor pada elemen peltier terbuat dari konduktor yang menyebabkan arus dapat mengalir dalam kedua arah, berbeda dengan diode yang interkoneksinya (depletion layer) hanya membuat arus mengalir dalam satu arah saja. (R. Umoh, 2010).

Permukaan Dingin

(29)

2.3 Prinsip Kerja Termoelektrik

2.3.1 Prinsip Kerja Termoelektrik Sebagai Pendigin

Prinsip kerja tremoelektrik sebagai pendingin berdasarkan efek Peltier, ketiaka arus DC dialirkan ke elemen peltier yang terdiri dari beberapa sel semikonduktor tipe p (semikonduktor yang memiliki tingkat energi yang lebih rendah) dan tipe n (semikonduktor yang memilki tingkat energi yang lebih tinggi), akan mengakibatkan salah satu sisi elemen peltier menjadi dingin (kalor diserap) dan sisi lainnya menjadi panas (kalor dilepaskan). Sisi elemen peltier yang menjadi panas maupun dingin tergantung dari arah aliran arus listrik, seperti gambar di bawah ini;

Gambar 2.7 Skema aliran Peltier

(30)

tipe p, ke tingkat energi yang lebih tinggi yaitu semikonduktor tipe n. Agar elektron tipe p yang memiliki tingkat energi yang lebih rendah dapat mengalir maka elektron akan menyerap kalor yang mengakibatkan sisi tersebut menjadi dingin. Sedangkan pelepasan kalor ke lingkungan terjadi pada sambungan sisi panas, dimana elektron mengalir dari tingkat energi yang lebih tinggi (semikonduktor tipe n) ke tingkat energi yang lebih rendah (semikonduktor tipe p), untuk dapat mengalir ke semikonduktor tipe p, kelebihan energi pada tipe n akan dibuang ke lingkungan dan sisi tersebut menjadi panas.

Penyerapan kalor dari lingkungan terjadi pada sisi dingin yang kemudian akan dibuang pada sisi panas dari elemen peltier. Membuat nilai kalor yang dilepas pada sisi panas sama dengan nilai kalor yang diserap ditambah dengan daya yang diberikan pada modul termoelektrik, atau sesuai dengan persamaan :

(2.4)

Dengan :

Qh = kalor yang dilepaskan pada bagian hot side elemen Peltier (Watt) Qc = kalor yang diserap pada bagian cold side elemen Peltier (Watt) Pm = daya input (Watt)

(31)

semikonduktor tipe p dan seterusnya. Seperti yang dilukiskan pada gambar 2.2 di bawah ini :

Gambar 2.8 Arah aliran elektron pada modul termoelektrik

(Sumber : Jurnal Teknologi, Maret 2007)

2.3.2 Parameter Elemen Termoelektrik Peltier Sebagai Pendigin Pada penggunaan modul termoelektrik terdapat tiga parameter penting yang perlu diperhatikan yaitu :

1. Temperatur permukaan sisi panas Peltier / hot side (Th) 2. Temperatur permukaan sisi dingin Peltier / cold side (Tc)

3. Beban kalor yang dapat ditransfer dari kompartemen dingin (Qc) di dalam panas modul, yaitu :

 Temperatur ambien lingkungan

 Efisiensi Heat Sink yang digunakan pada sisi panas modul. Bagian pelepasan kalor (heat sink)

Bagian yang didinginkan (cold sink)

P N P N

Isolator listrik Kondutktor

Semikondutktor

(32)

Gambar 2.9 Temperatur modul termoelektrik (TEC)

(Sumber : Seminar tahunan Teknik Mesin, 06 - 07 Desember 2004)

Pada gambar 2.9 di atas menggambarkan tentang temperatur sistem termoelektrik. Ada 2 ∆T temperatur yaitu ∆T sistem dan ∆T elemen. ∆T adalah

merupakan temperatur perbedaan temperatur antara sisi dingin elemen peltier dan sisi panas elemen peltier. Secara umum pencapaian ∆T (Tpanas - Tdingin) dari modul

termoelektrik selalu mendekati konstan. Jika Tpanas semakin rendah maka Tdingin semakin dingin bila Tpanas akan semakin tinggi maka Tdingin tidak perlu dingin.

2.3.3 Komponen Dasar Sistem Pendingin Termoelektrik Peltier

Pada pendingin termoelektrik Peltier terdapat heat sink yang berfungsi untuk menyerap kalor pada sisi dingin elemen peltier maupun pada pembuangan kalor pada sisi panas peltier. Susunan dasar termoelektrik setidaknya terdiri dari

(33)

elemen-elemen peltier dan heat sink baik pada sisi dingin elemen peltier maupun pada sisi panas, seperti yang diilustrasikan pada gambar 2.4 di bawah ini.

Gambar 2.10 Susunan dasar sistem pendingin termoelektrik Peltier

(Sumber : The Development of Potable Blood Carrier By Using Thermoelectric and Heat

Pipes, The 10th International Conference On Quality In Research (QIR), Depok 04-06

Desember 2007)

Bagian yang didinginkan dapat langsung dihubungkan dengan sisi dingin elemen peltier maupun dihubungkan terlebih dahulu dengan alat penukar kalor sebelum dihubungkan dengan sisi dingin elemen peltier. Alat penukar kalor tersebut dapat berupa fluida. Kalor yang dihasilkan pada sisi panas elemen peltier akan disalurkan ke lingkungan melalui udara baik secara konveksi paksa maupun alami atau dengan media pendingin air maupun cairan lainnya. Susunan pendingin termoelektrik dengan berbagai cara perpindahan kalor baik dari media udara, cairan dan padat dapat dilukiskan pada gambar 2.5 berikut. (Tri Purwadi, 2012).

(34)

Gambar 2.11 Susunan sistem termoelektrik

(Sumber : The Development of Potable Blood Carrier By Using Thermoelectric and Heat

Pipes, The 10th International Conference On Quality In Research (QIR), Depok 04-06

Desember 2007)

2.4 Sensor Kelembaban dan Temperatur

(35)

Humidity Sensor Module (HSM-20G) adalh sensor pengukur kelembaban

dan temperatur diadaptasi dalam satu koponen yang produksi oleh Citron Thecnoligy.

Gambar 2.12 Sensor Humidity dan Temperatur (HSM-20G)

Sensor humidity HSM-20G dimana kelebaban relative bisa dikonversi langsung ke tegangan standart. Macam-macam dari jenis aplikasi yang dapat digunakan oleh sensor ini adalah lembab dan sangat lembab, untuk AC, data loggers kelembaban, automotive climate control, dan lai-lain.

(36)

hysteresis (RH @25 0C) maksimal 2%RH, sangat linier, respon waktu (63 % perubahan step) 1 (satu) menit.

Semua standart alat ini berdasarkan variasi kelembaban di bawah 60%RH pada saat 25 0C. Kelengkapan semua tes-tes yang ada, modul ini akan melewati batas bawah nominal lingkungan, juga kelembaban untuk 24 jam.

Pada grafik 2.1 dapat terlihat jelas bagaimana hubungan antara nilai kelembaban dan tegangan keluaran yang membentuk garis linier karena kelembaban kberbanding lurus dangan tegangan keluaran.

Grafik 2.1 Kurva respon HSM-20G pada 25 0C

(37)

Tabel 2.1 Pin sensor HSM-20G

Dengan setiap kaki atau pin tentu memiliki fungsi yang berbeda-beda untuk dihubungkan antara satu dengan yang lainnya. Pada sensor HSM-20G terdapat 4 kaki yaitu kelembaban, temperatur, ground dan juga Vcc.

2.5 Relay

Transistor tidak dapat berfungsi sebagai switch (saklar) pada tegangan Alternating Current (AC) atau tegangan tinggi. Selain itu tidak digunakan sebagai switching untuk arus besar (di atas 5 A). Untuk itu penggunaan relay dalam

penelitian ini sangatlah cocok. Disamping relay berfungsi sebagai switch juga berfungsi bekerja berdasarkan input yang dimilikinya.

Gambar 2.13 Bentuk umum relay

Pin Fungsi

1 Outpu Temperatur 2 Ground

3 Output Kelembaban 4 Vcc (-5.0V)

(38)

Tabel 2.2 Keuntungan dan kerugian dalam pemakaian relay dibandingkan dengan transistor

Keuntungan

1.Relay dapat digunakan sebagai switch AC dan DC (transistor hanya bisa digunaka pada switchi DC)

2.Relay dapat digunakan switch tegangan tinggi (transistor tidak)

3.Relay cocok sebagai switch untuk arus besar

4.Relay mampu switch banyak kontak dalam satu waktu

Kerugian

1. Relay ukurannya jauh lebih besar dibanding transistor 2. Relay tidak dapat switch dengan cepat dibanding transistor 3. Relay butuh daya lebih besar dibanding transistor

4. Relay membutuhkan arus input yang lebih besar disbanding transistor

Relay sebagai switch tegangan tinggi juga dibutuhkan utnuk transistor tegangan rendah. Relay akan aktif apabila ada masukan input tegangan yang cukup pada basis transistor. Namun demikian, relay juga harus stabil artinya relay harus dapat membedakan antara arus gangguan atau arus beban maksimum.

(39)

BAB I PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Beberapa peneliti telah menyelidiki cara kerja generator termoelektrik dan konversi panas menggunakan kombinasi termodinamika dan non-termodinamika. Peneliti tersebut menganalisis efek transfer panas antara perangkat termoelektrik dan panas eksternal tahap tunggal terhadap elemen tunggal generator termoelektrik dan konversi panas, juga karakteristik multi-elemen dengan pembalik tekanan perpindahan panas, energi panas di dalam perangkat termoelektrik, modul microcoolers thermoelectric termoelektrik dan kebocoran panas melalui kaki-kaki termoelektrik.

(40)

sistem pendingin microthermoelectric terintegrasi. Untuk itu Ronggui Yang merancang sistem pendingin yang dapat diidentifikasi interface dengan memanfaatan efek pendinginan transien yang dibuat berdasarkan konstanta waktu. Kemudian Simon Lineykin (2007) telah meneliti bahwa Modul Termoelektrik (TEM) merupakan semikonduktor konversi energi yang baik, yang terdiri dari dua plat array 2N dan dari bahan semikonduktor yang berbeda (p dan n) membentuk N pasangan termoelektrik yang dialiri panas secara paralel dan elektrik secara seri. Menurut Simon TEM juga dapat digunakan untuk pendingin, energi pemanas dan generator. Misalnya sebagai pendingin termoelektrik (TEC), TEM telah diaplikasikan pada pengaturan panas dan perangkat pengontrol mikroelektronik seperti laser dioda dan CPU. Untuk generator termoelektrik (TEG), TEM juga digunakan untuk menghasilkan tenaga listrik di lokasi terpencil. Lalu dalam hal memahami fungsi rangkaian elektronik dan memfasilitasi pemisahan pendinginan atau masalah power generator tanpa memerlukan keahlian dalam rekayasa panas.

(41)

Chakib Alaoui (2011) membuat pemodelan termoelektrik Peltier untuk simulasi transien yang dirancang pada suatu ruang pendingin, suhu bagian dalamnya diukur pada tingkat energi yang berbeda daya inputnya dan membantu designer memprediksi perilaku panas sistem yang menggunakan termoelektrik Peltier. Alaoui menyimpulkan bahwa termoelektrik merupakan komponen semikonduktor berbasis elektronik yang berfungsi sebagai konversi panas berdasarkan efek Peltier. Jika komponen termoelektrik dialiri arus Direct Current (DC) dengan tegangan rendah, satu permukaan akan dingin dan permukaan lainnya menjadi panas. Kemudian jika aliran arus DC dibalik dari arah yang berlawanan, panas akan bergerak ke arah lain. Dengan demikian perangkat termoelektrik ini bekerja sebagai pemanas atau pendingin. Termoelektrik Peltier telah digunakan untuk perangkat medis, sensor teknologi, rangkaian pendingin terpadu, otomotif dan aplikasi militer.

(42)

Manoj S. Raut (2012), merevolusi sistem Heating Ventilation and Air Conditioner (HVAC) baru dengan menggunakan elemen termoelektrik. Manoj S memperhatikan bahwa laju pertambahan jumlah penduduk dan peningkatan polusi yang saat ini sudah pada tingkat mengkhawatirkan, mendorong beliau untuk merancang dan membuat Thermoelectric Cooler (TEC) sebagai solusi. Perangkat kompresor pendingin konvensional dinilai memiliki banyak kekurangan yang berkaitan dengan efisiensi energi dan penggunaan pendingin Chlor Flour Carbon (CFC). Menurut Manoj S, kedua faktor tersebut secara tidak langsung akan mengakibatkan pemanasan global. Karena sebagian besar pembangkit listrik bergantung pada pembangkit listrik batu bara yang menambah gas rumah kaca ke atmosfer adalah penyebab utama pemanasan global. Pada aplikasinya, termoelektrik terus dikembangkan pada kulkas kecil, paket pendingin elektronik dan kamera thermal imaging. Sementara dibidang industri terus dikembangkan dan diamati, termasuk pendingin air, pendingin insulin portable, wadah minuman portable dan lain-lain. Sampai saat ini, alternatif yang lebih baik untuk pendingin CFC masih diteliti dan dikembangkan.

1.2 Rumusan Masalah

(43)

pendingin sebadan dalam control interface juga bagaimana memanfaatan efek pendinginan transien yang dibuat berdasarkan konstanta waktu.

1.3 Batasan Masalah

Perancangan penelitian ini dilakukan dengan batasan masalah sebagai berikut: 1. Menggunakan termoelektrik Peltier Cooler sebagai pendingin.

2. Menggunakan ruang kipas untuk pendingin sisi panas dari termoelektrik Peltier Cooler

3. Menggunakan kipas untuk mensimulasikan aliran udara di dalam ruang pendingin.

4. Menggunakan mikrokontroler data sebagai monitoring suhu termoelektrik Peltier Cooler.

5. Menggunakan buzzer sebagai indikator pengontrol suhu objek yang didinginkan.

1.4 Tujuan Penelitian

Penelitian ini bertujuan sebagai berikut :

1. Untuk dapat memonitor suhu objek yang didinginkan sampai batas dingin maksimum.

2. Untuk membuat prototype alat pendingin yang ramah lingkungan.

(44)

1.5 Manfaat Penelitian

Pembuatan alat ini diharapkan dapat memberikan manfaat sebagai berikut :

1. Mamapu membuat suatu prototype instrumentasi yang dapat dikontrol untuk mendinginkan air.

2. Sebagai pendingin yang ekonomis dan ramah lingkungan. 3. Memanfaatkan elemen Peltier sebagai pendingin.

1.6 Metodologi Penelitian

Penelitian ini dilakukan di Laboratorium Fisika Atom Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Sumatera Utara. Adapun metodologi yang digunakan dalam menyusun dan menganalisis hasil penelitian ini adalah:

1. Studi literatur yang berhubungan dengan perangcangan pembuatan dan analisis alat ini.

2. Perencanaan dan pembuatan alat

Merencanakan peralatan yang dirancang baik hardware maupun software. 3. Pengujian alat

Alat yang telah dibangun kemudian diuji apakah telah sesuai dengan apa yang direncanakan.

4. Analisis hasil

(45)

1.7 Sistematika Penulisan

Untuk mempermudah pembahasan dan pemhaman maka penulis membuat sistematika penulisan sebagai berikut:

BAB I PENDAHULUAN

Dalam bab ini berisikan mengenai latar belakang, rumusan masalah, batasan masalah, tujuan penelitian, manfaat penelitian, metodologi penelitian atau teknik pengumpulan dan sistematika penulisan.

BAB II DASAR TEORI

Dalam bab ini dijelaskan tenteng teori pendukung untuk pembahasan prinsip dasar dan prinsip kerja alat. Teori pendukung itu antara lain tentang termoelekttrik, elemen termoelektrik peltier, prinsip kerja termoelektrik, sensor kelembaban dan temperatur, catu daya dan relay.

BAB III PERANCANGAN SISTEM

Dalam bab ini membahas tentang perancangan alat, diagram blok dari rangkaian alat dan diagram alir alat yang diisikan ke dalam mikrokontroler.

BAB IV PENGUJIAN DAN HASIL

(46)

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN

(47)

ABSTRAK

Telah dibuat dan dianalisis alat pendingin air berkapasitas 5 liter. Dengan memanfaatkan Peltier Cooler merupakan modul yang dapat menyerap panas menjadi dingin dengan menggunakan efek peltier sebagai dasar dari prinsip kerjanya, sensor HSM-20G untuk mendetek perubahan suhu di dalam ruang pendinginan, mikrokontroler untuk pemrosesan data dan pengontrolan juga LCD sebagai penampil data. Penelitian ini difokuskan pada pemanfaatan elemen peltier sebagai pendingin dengn kipas pada sisi pendingin dan sisi buangan panas dari modul termoelektrik peltier cooler dengan melakukan simulasi mendinginkan air yang diletakkan pada sisi ruang pendinginan pada modul termoelektrik peltier cooler. Dengan melakukan variasi volume sampel (tanpa beban, 1 liter, 2 liter, 3 liter, 4 liter dan 5 liter air) dibutuhkan waktu untuk mencapai suhu 9,3 0C (32 menit, 158 menit, 294 menit, 756 menit, 1096 menit dan 1588 menit) dengan gradian kecepatan v penurunan suhu tiap keadaan (2,92 , 1,85 , 1,89 , 1,59 , 1,64 dan 1,90) menit -1.

(48)

ABSTRACT

Was created and analyzed the water cooler with a capacity of 5 liters. By utilizing the Peltier Cooler is a module that can absorb heat to cool by using the Peltier effect as the basis of the principle works, HSM-20G sensor to detect temperature changes in the cooling chamber, a microcontroller for processing data and controlling the LCD as well as a data viewer. This study focused on the use of a Peltier element cooling fan on the side with less cooling and waste heat from the thermoelectric peltier cooler module to cool the water to simulate the cooling chamber is placed on the side of the peltier cooler thermoelectric module. By varying the volume of sample (no load, 1 liter, 2 liter, 3 liter, 4 liter and 5 liter of water) it takes time to reach the temperature of 9,3 0C (32 minutes, 158 minutes, 294 minutes, 756 minutes, 1096 minutes and 1588 minutes) with velocity gradian ν temperature drop each state (2,92, 1,85, 1,89, 1,59, 1,64 and 1,90) minute -1

.

(49)

RANCANG BANGUN DAN ANALISIS TERMOELEKTRIK PELTIER COOLER UNTUK SISTEM PENDINGIN

SKRIPSI

MAHDIAN NASUTION 080801004

DEPARTEMEN FISIKA

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

(50)

RANCANG BANGUN DAN ANALISIS TERMOELEKTRIK PELTIER COOLER UNTUK SISTEM PENDINGIN

SKRIPSI

Diajukan untuk memenuhi dan melengkapi syarat mencapai gelar sarjana sains

MAHDIAN NASUTION 080801004

DEPARTEMEN FISIKA

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

(51)

PENGHARGAAN

Alhamdulillahirabbil’alamin,

Segala puji dan syukur bagi Allah Subhanahuwata’ala yang telah melimpahkan rahmat dan hidayah-Nya yang dianugerahkan kepada penulis demi kemudahan serta kelancaran hingga penulis dapat menyelesaikan Skripsi ini sesuai dengan waktu yang telah ditetapkan. Sholawat dan salam semoga senantiasa tercurahkan kepada Rasulullah Sallallahu’alaihiwassalam sang pembawa petunjuk dan selalu menjadi inspirasi dan teladan bagi penulis.

Penulis menyadari bahwa penyusunan Skripsi ini tak lepas dari do’a, perhatian, bimbingan, motivasi dan dukungan berbagai pihak, sehingga dengan keikhlasan dan kerendahan hati pada kesempatan ini penulis mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada Yth.:

1. Bapak Dr. Sutarman, selaku Dekan Fakultas Matematika dan IPA, serta Pembantu Dekan Fakultas Matematika dan IPA Universitas Sumatera Utara.

2. Bapak Dr. Marhaposan Situmorang, selaku Ketua Program Studi Fisika S1 Fakultas Matematika dan IPA Universitas Sumatera Utara sekaligus dosen pembimbing II penulis dalam menyelesaikan skripsi ini.

(52)

4. Bapak Drs. Kurnia Brahmana, M.Si. selaku dosen pembimbing I yang telah memberikan bimbingan, masukan, saran bahkan waktu yang senantiasa diberikan kepada penulis sampai pada akhir penyelesaian skripsi ini.

5. Bapak Drs. Achiruddin, M.S, selaku Kepala Laboratorium Fisika Atom yang telah memberikan sumbangsih materi dan ruangan untuk kelancaran penelitian di Laboratorium Fisika Atom Fakultas Matematika dan IPA Universitas Sumatera Utara.

6. Bapak Dr. Pauzi dan Bapak Dr. Kurnia Sembiring serta seluruh Dosen dan Karyawan di Departemen Program Studi Fisika S1, Fakultas Matematika dan IPA Universitas Sumatera Utara.

7. Kedua orang tua penulis Ayahanda Syahnan Nasution dan Ibunda Maryam Lubis serta saudara/i kandung penulis (Bang M. Yusuf, Kak Meliana, Bang Mukhlis, Bang Budi (Kohar), Kak Masnaimah, Kholijah, Sakinah, Anggina dan Afriansyah) atas dukungannya, doa, motivasi dan materi yang diberikan dari awal mulai perkuliahan sampai penulisan skripsi ini. 8. Abanganda Abdullah Amin Harahap selaku Abang Ipar penulis yang telah

banyak memberikan dukungan motivasi serta materi dalam menyelesaikan studi penulis.

(53)

Penulis menyadari sepenuhnya bahwa dalam pembuatan skripsi ini masih jauh dari kesempurnaan, untuk itu penulis mengharapkan kritik dan saran dari pembaca yang bersifat membangun dalam penyempurnaan skripsi ini.

Semoga skripsi ini menjadi ibadah yang baik bagi penulis dan menjadi ilmu yang bermanfaat bagi pembaca.

Amin Yaa Rabbal’alamin

Medan, Desember 2013. Hormat Saya,

(54)

ABSTRAK

Telah dibuat dan dianalisis alat pendingin air berkapasitas 5 liter. Dengan memanfaatkan Peltier Cooler merupakan modul yang dapat menyerap panas menjadi dingin dengan menggunakan efek peltier sebagai dasar dari prinsip kerjanya, sensor HSM-20G untuk mendetek perubahan suhu di dalam ruang pendinginan, mikrokontroler untuk pemrosesan data dan pengontrolan juga LCD sebagai penampil data. Penelitian ini difokuskan pada pemanfaatan elemen peltier sebagai pendingin dengn kipas pada sisi pendingin dan sisi buangan panas dari modul termoelektrik peltier cooler dengan melakukan simulasi mendinginkan air yang diletakkan pada sisi ruang pendinginan pada modul termoelektrik peltier cooler. Dengan melakukan variasi volume sampel (tanpa beban, 1 liter, 2 liter, 3 liter, 4 liter dan 5 liter air) dibutuhkan waktu untuk mencapai suhu 9,3 0C (32 menit, 158 menit, 294 menit, 756 menit, 1096 menit dan 1588 menit) dengan gradian kecepatan v penurunan suhu tiap keadaan (2,92 , 1,85 , 1,89 , 1,59 , 1,64 dan 1,90) menit -1.

(55)

ABSTRACT

Was created and analyzed the water cooler with a capacity of 5 liters. By utilizing the Peltier Cooler is a module that can absorb heat to cool by using the Peltier effect as the basis of the principle works, HSM-20G sensor to detect temperature changes in the cooling chamber, a microcontroller for processing data and controlling the LCD as well as a data viewer. This study focused on the use of a Peltier element cooling fan on the side with less cooling and waste heat from the thermoelectric peltier cooler module to cool the water to simulate the cooling chamber is placed on the side of the peltier cooler thermoelectric module. By varying the volume of sample (no load, 1 liter, 2 liter, 3 liter, 4 liter and 5 liter of water) it takes time to reach the temperature of 9,3 0C (32 minutes, 158 minutes, 294 minutes, 756 minutes, 1096 minutes and 1588 minutes) with velocity gradian

ν temperature drop each state (2,92, 1,85, 1,89, 1,59, 1,64 and 1,90) minute -1 .

(56)

DAFTAR ISI

Halaman

Lembar Persetujuan i

Lembar Pernyataan ii Penghargaan iii

Abstrak vi

Daftar Isi viii

Daftar Gambar xi

Daftar Tabel xiii

Daftar Grafik xiv

BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang 1

1.2 Rumusan Masalah 4

1.3 Batasan Masalah 5

1.4 Tujuan Penelitian 5

1.5 Manfaat Penelitian 6

1.6 Metodologi Penelitian 6

1.7 Sistemetika Penulisan 7

BAB II DASAR TEORI 2.1 Termoelektrik 9

(57)

2.1.2 Efek Seebeck 9

2.1.3 Efek Peltier 11

2.2 Elemen Termoelektrik Peltier 13

2.3 Prinsip Kerja Termoelektrik 17

2.3.1 Prinsip Kerja Termoelektrik Sebagai Pendingin 17 2.3.2 Parameter Elemen Termoelektrik Peltier Sebagai Pendingin 19 2.3.3 Komponen Dasar Sistem Pendingin Termoelektrik Peltier 20

2.4 Sensor Kelembaban dan Temperatur 22

2.5 Relay 25

BAB III PERANCANGAN SISTEM

3.1 Perancangan Blok Diagram Sistem 27

3.2 Perancangan Rangkaian Tiap Blok 29

3.2.1 Rangkaian LCD (Liquid Crystal Display) 29

3.2.2 Rangkaian Relay 30

3.2.3 Rangkaian dan Karakteristik HSM-20G (Sensor Kelembaban

dan Temperatur) 30

3.2.4 Rangkaian Microcontroler Unit (MCU) 32

3.3 Diagram Alir 33

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN

4.1 Pengujian LCD (Liquid Crystal Display) 35

(58)

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN

5.1 Kesimpulan 43

5.2 Saran 44

DAFTAR PUSTAKA 45

LAMPIRAN A : GAMBAR RANGKAIAN ALAT LAMPIRAN B : PROGRAM ALAT

LAMPIRAN C : GAMBAR ALAT DAN PENELITIAN LAMPIRAN D :

1. Tabel Data T (0C) dan Waktu t (menit) Tanpa Beban

2. Tabel Data Hasil Penelitian Suhu T (0C) dan Waktu t (menit) Dengan Beban 1 liter Air

3. Tabel Data Hasil Penelitian Suhu T (0C) dan Waktu t (menit) Dengan Beban 2 liter Air

(59)

DAFTAR GAMBAR

Halaman Gambar 2.1 Sirkuit termoelektrik yang terbuat dari semikonduktor

A dan B dengan temperetur junction T1 dan T2. Z adalah koordinat sepanjang konduktor yang digabungkan ujung

a dan b dari voltmeter 10

Gambar 2.2 Ilustrasi sedehana untuk mengamati efek peltier 12 Gambar 2.3 Pergerakan ion-ion pada logam semikonduktor 14

Gambar 2.4 Elemen Peltier 15

Gambar 2.5 Struktur elemen peltier 15

Gambar 2.6 Ilustrasi aliran arus pada elemen peltier 16

Gambar 2.7 Skema aliran peltier 17

Gambar 2.8 Arah aliran elektron pada modul termoelektrik 19 Gambar 2.9 Temperatur modul termoelektrik (TEC) 20 Gambar 2.10 Susunan dasar system pendingin termoelektrik peltier 21

Gambar 2.11 Susunan sistem termoelektirk 22

Gambar 2.12 Sensor Humidity dan Temperatur 23

Gambar 2.13 Bentuk umum relay 25

Gambar 3.1 Desain blok diagram sistem 27

Gambar 3.2 Blok rangkaian LCD 29

Gambar 3.3 Blok rangkaian relay 30

Gambar 3.4 Rangkaian minimum HSM-20G + filter 31

(60)

(61)

DAFTAR TABEL

Halaman

Tabel 2.1 Pin sensor HSM-20G 25