BAB II
DASAR TEORI
2.1 Termoelektrik
2.1.1 Sejarah Singkat Termoelektrik
Fenomena termoelektrik pertama kali ditemukan tahun 1821 oleh ilmuwan Jerman,
Thomas Johann Seebeck. Ia menghubungkan tembaga dan besi dalam sebuah
rangkaian. Di antara kedua logam tersebut lalu diletakkan jarum kompas. Ketika
sisi logam tersebut dipanaskan, jarum kompas ternyata bergerak. Belakangan
diketahui, hal ini terjadi karena aliran listrik yang terjadi pada logam
menimbulkan medan magnet. Medan magnet inilah yang menggerakkan jarum
kompas. Fenomena tersebut kemudian dikenal dengan efek Seebeck.
Penemuan Seebeck ini memberikan inspirasi pada Jean Charles Peltier
untuk melihat kebalikan dari fenomena tersebut. Dia mengalirkan listrik pada dua
buah logam yang direkatkan dalam sebuah rangkaian. Ketika arus listrik dialirkan,
terjadi penyerapan panas pada sambungan kedua logam tersebut dan pelepasan
panas pada sambungan yang lainnya. Pelepasan dan penyerapan panas ini saling
berbalik begitu arah arus dibalik. Penemuan yang terjadi pada tahun 1934 ini
kemudian dikenal dengan efek Peltier. Efek Seebeck dan Peltier inilah yang
kemudian menjadi dasar pengembangan teknologi termoelektrik.
2.2 Efek-Efek Pendinginan Termoelektrik 2.2.1 Efek Seebeck
Efek Seebeck pertama kali diamati oleh dokter Thomas Johan Seebeck, pada
tahun 1821, ketika ia mempelajari fenomena ini terdiri dalam produksi tenaga
listrik antara dua semikonduktor ketika diberikan perbedaan suhu. Panas dipompa
ke satu sisi pasangan dan ditolak dari sisi berlawanan. Sebuah arus listrik yang
dihasilkan, sebanding dengan gradien suhu antara sisi panas dan sisi dingin.
Perbedaan suhu dingin diseluruh converter menghasilkan arus searah ke beban
proses konversi. Untuk alasan ini, pembangkit listrik termoelektrik
diklasifikasikan langsung sebagai daya konversi.
Efek seebek terjadi ketika suatu logam dengan beda temperatur antara
kedua ujungnya. Ketika logam tersebut di sambung, maka akan terjadi beda
potensial diantara kedua ujungnya. Efek ini digunakan dalam aplikasi termokopel.
Gambar 2.1 Skema Efek Seebek pada suatu bahan
Koefisien seebeck (S) disebut juga daya termoelektrik, seperti pada
persamaan berikut:
(2.1)
Keterangan:
S = Koefisien seebeck [Volt/oK]
= Potential termoelektri terinduksi [Volt]
T = Temperatur [oK]
2.2.2 Efek Joule
Perpindahan panas dari sisi dalam pendingin ke sisi luarnya akan mengakibatkan
timbulnya arus listrik dalam rangkaian tersebut karena adanya efek seebeck, maka
hal inilah yang dinamakan efek joule. Dalam hal ini sesuai dengan hukum ohm,
efek joule dirumuskan pada persamaan berikut:
Qj = I2 . R (2.2)
Keterangan:
Qj = Efek joule (panas joule) [Watt]
I = Arus [Ampere]
2.2.3 Efek Konduksi
Panas akan merambat secara konduksi dari permukaan yang panas ke permukaan
yang dingin. Perambatan tersebut bersifat irreversible dan disebut efek
konduktivitas. Besarnya perambatan tersebut dinyatakan dalam persamaan:
qc = U.(Th-Tc) (2.3)
Keterangan:
qc = Laju aliran panas [Watt]
U = Konduktivitas thermal [Watt/oK]
T1 = Temperatur hot junction [oK]
To = Temperatur cold junction [oK]
2.2.4 Efek Peltier
Jean Charles Peltier pada tahun 1834 telah mendasari efek termoelektrik. Dia
mengalirkan listrik pada dua buah logam yang direkatkan dalam sebuah
rangkaian. Ketika arus listrik dialirkan, terjadi penyerapan panas pada sambungan
kedua logam tersebut dan pelepasan panas pada sambungan yang lainnya.
Pelepasan dan penyerapan panas ini saling berbalik begitu arah arus dibalik.
Penemuan yang terjadi pada tahun 1834 ini kemudian dikenal dengan efek Peltier.
Pada saat arus mengalir melalui thermocouple, temperature junction akan
berubah dan panas akan diserap pada satu permukaan, sementara permukaan yang
lainnya akan membuang panas. Jika sumber arus dibalik, maka permukaan yang
panas menjadi dingin dan sebaliknya. Gejala ini disebut efek peltier yang
merupakan dasar pendinginan termoelektrik. Dari percobaan diketahui bahwa
perpindahan panas sebanding terhadap arus yang mengalir. Persamaan dari efek
adalah sebagai berikut:
(
2.4)Keterangan:
= Koefisien peltier [Volt]
Q = Beban perpindahan panas dari junction [Watt]
Iab = Arus [Ampere]
2.2.5 Efek Thomson
Pada tahun 1854 seorang berkebangsaan Inggris yang bernama William Thomson
mengemukakan hasil penelitiannya bahwa terdapat penyerapan atau pengeluaran
panas bolak-balik dalam konduktor homogen yang terkena perbedaan panas dan
perbedaan listrik secara simultan. Koefisien Thomson dapat dinyatakan dalam
persamaan berikut:
(2.5) Keterangan:
= Koefisien Thomson
Q = Beban perpindahan panas yang diserap konduktor [Watt]
I = Arus [Ampere]
= Perbedaan temperature [oK]
(H.J. Goldsmid, 1960)
2.3 Elemen Termoelektrik Peltier
Semikonduktor adalah bahan pilihan untuk termoelektrik yang umum dipakai.
Bahan semikonduktor termoelektrik yang paling sering digunakan saat ini adalah
Bismuth Telluride (Bi2Te3) yang telah diolah untuk menghasilkan blok atau
elemen yang memiliki karakteristik individu berbeda yaitu N dan P.
Bahan termoelektrik lainnya termasuk Timbal Telluride (PbTe), Silicon
Germanium (SiGe) dan Bismuth-Antimony (SbBi) adalah paduan bahan yang
dapat digunakan dalam situasi tertentu. Namun, Bismuth Telluride adalah bahan
terbaik dalam hal pendinginan. Bismuth Telluride memiliki dua karakteristik
yang patut dicatat. Karena struktur kristal, Bismuth Telluride sangat anisotropic.
Perilaku anisotropic perlawanan lebih besar daripada konduktivitas termalnya.
Sehingga anisotropic ini dimanfaatkan untuk pendinginan yang optimal.
Karakteristik lain yang menarik dari Bismuth Telluride adalah kristal Bismuth
Telluride (Bi2Te3) terdiri dari lapisan heksagonal atom yang sama. Termoelectrik
dibangun oleh dua buah semikonduktor yang berbeda, satu tipe N dan yang
lainnya tipe P. (mereka harus berbeda karena mereka harus memiliki kerapatan
diposisikan paralel secara termal dan ujungnya digabungkan dengan lempeng
pendingin biasanya lempeng tembaga atau aluminium.
Elemen termoelektrik merupakan semikonduktor tipe-p dan tipe-n yang
dihubungkan dalam suatu rangkaian listrik tertutup yang terdapat beban. Dari
perbedaan suhu yang ada pada tiap junction ditiap semikonduktor tersebut akan
menyebabkan electron berpindah dari sisi panas menuju sisi dingin.
Jika pada batang logam semikonduktor berlaku prinsip kedua efek (efek
Seeback dan efek Peltier), batang semikonduktor dipanaskan dan didinginkan
pada dua semikonduktor tersebut, maka electron pada sisi panas semikonduktor
akan bergerak aktif dan memiliki kecepatan aliran yang lebih tinggi dibandingkan
dengan sisi dingin semikonduktor. Dengan kecepatan yang lebih tinggi pula, maka
electron dari sisi panas akan mengalami difusi ke sisi dingin dan menyebabkan
timbulnya medan elektrik pada semikonduktor tersebut.
Elemen peltier atau pendingin termoelektrik (thermoelektrik cooler)
merupakan alat yang adapat menimbulkan perbedaan sushu antara kedua sisinya
jika dialiri arus listrik searah pada kedua kutub materialnya. Dalam hal ini
refrigerasi, keuntungan utama dari elemen peltier adalah tidak adanya bagian yang
bergerak atau cairan yang bersikulasi 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 masih relatif
mahal. Namun kini banyak peneliti yang sedang mencoba mengembangkan
elemen peltier yang lebih murah dan juga efisien. (Rio Wirawan, 2012)
Gambar 2.2 Penampang Termoelektrik
2.4 Prinsip Kerja Termoelektrik
2.4.1 Prinsip Kerja Termoelektrik Sebagai Pendingin
Modul pendingin termoelektrik bekerja berdasarkan efek Peltier akan berfungsi
apabila arus listrik DC dialirkan pada satu atau beberapa pasangan semikonduktor
tipe N dan tipe P.
Gambar 2.3 Proses Pemindahan Panas (Sumber : www.tellurex.com)
Gambar diatas menunjukan aliran elektron dari semikonduktor tipe P yang
memiliki tingkat energi lebih rendah, menyerap kalor di bagian yang didinginkan
lalu elektron mengalir menuju semikonduktor tipe N melalui konduktor
penghubung yang permukaannya (Tc) akan mengalami penurunan temperatur.
Kalor yang diserap akan berpindah melalui semikonduktor bersamaan
dengan pergerakan elektron ke sisi panas modul (Th). Pada kondisi ideal, jumlah
kalor yang diserap pada sisi dingin dan dilepas pada sisi panas bergantung pada
koefisien Peltier dan arus listrik yang digunakan. Pada saat dioperasikan jumlah
kalor yang diserap pada sisi dinign akan berkurang dikarenakan dua faktor, yaitu
kalor yang terbentuk pada material semikonduktor dikarenakan perbedaan
temperatur antara sisi dingin dan sisi panas modul (conducted heat) dan Joule.
Heat yang nilainya akan sama dengan kuadrat dari arus listrik yang
digunakan. Sehingga pada kondisi apapun kesetimbangan termal yang terjadi
karena efek Peltier pada sisi dingin akan sama dengan jumlah kalor yang
terbentuk pada semikonduktor dijumlahkan dengan 1 ½ Joule heat. Selain ukuran
a) Modul termoelektrik tidak memiliki bagian yang bergerak,
sehingga untuk perawatan lebih mudah.
b) Pengujian usia pakai telah membuktikan bahwa modul
termoelektrik bisa digunakan selama 100.000 jam.
c) Modul termoelektrik tidak memiliki kandungan
chloroflourocarbons (CFC) atau material lainnya yang
membutuhkan penambahan berkala.
d) Modul termoelektrik bisa dioperasikan pada lingkungan yang
terlalu kecil bagi sistem pendingin konvensional.
Dengan berbagai keunggulan yang terdapat pada modul termoelektrik,
penggunaan termoelektrik saat ini telah melingkupi banyak area penggunaan,
misalnya teknologi militer, ruang angkasa peraltan komersil dan industri.
2.4.2 Parameter Penggunaan Modul Termoelektrik
Setiap modul termoelektrik yang digunakan untuk aplikasi pendingin
dikarakterisasikan kedalam beberapa parameter penggunaan yang menentukan
pemilihan modul yang lebih akurat diantara banyak pilihan modul yang tersedia.
Berikut beberapa parameter yang menjadi dasar pemilihan modul termoelektrik :
a) Jumlah kalor yang akan diserap oleh sisi dingin modul.
b) Perbedaan temperatur antara sisi panas dan sisi dingin modul
ketika beroperasi.
c) Arus listrik yang digunakan oleh modul.
d) Tegangan listrik yang diugunakan oleh modul.
e) Temperatur tertinggi dan terendah lingkungan dimana modul
beroperasi.
2.5 Sistem Pendingin Konvensional (Kulkas)
Semua berawal dari Hukum Termodinamika. Hukum Termodinamika berlaku
untuk prinsip kerja lemari es. Seperti yang kita ketahui, energi panas selalu
bergerak menuju ke daerah yang lebih dingin. Tetapi lemari es mengalirkan energi
panas dari dalam ke udara yang lebih hangat di luar meskipun memiliki cara kerja
perpindahan kalor. Sebuah lemari es harus melakukan tugas untuk membalikkan
arah normal aliran energi panas. Tugas itu melibatkan penggunaan energi yang
bertujuan untuk memindahkan sesuatu, dan untuk melakukannya sebuah lemari es
membutuhkan energi. Dalam kasus ini, energi itu disediakan oleh listrik.
Gambar 2.4 Proses Pendinginan Pada Kulkas
(Sumber: researchthetopic.wikispaces.com)
Kunci proses kulkas dan sistem pendingin lain agar dapat bekerja terdapat
pada refrigeran. Refrigeran ialah zat semacam Freon yang bertitik didih rendah
sehingga dapat memfasilitasi perubahan bentuk antara cair dan gas. Sebagai cairan,
refrigeran berperan dalam penyerapan energi panas dari udara dingin di dalam
lemari es untuk diubah menjadi gas.
Jadi pertama-tama, energi panas ditransfer ke dalam lemari es untuk
menjadi cairan dingin yang melewati sebuah mesin evaporator. Lalu referigeran,
yang sudah dibahas sebelumnya, menyerap energi panas agar menjadi lebih
hangat lalu akhirnya berubah bentuk menjadi gas. Gas yang terbentuk sebelumnya,
dialirkan melalui compressor agar cairan pendingin memiliki temperatur yang
lebih tinggi. Refrigeran dengan suhu yang lebih tinggi tersebut selanjutnya
mengalir melalui kondensor, dimana terjadi transfer energi panas ke kumparan
pendingin kondensor. Akhirnya, refrigeran tersebut kehilangan energi panasnya
dan berubah menjadi energi dingin kembali, serta mengalami peristiwa
kondensasi menjadi cairan. Selanjutnya refrigeran masuk ke tabung Ekspansi,
dimana merupakan tempat yang memiliki ruangan untuk menyebarkan cairan
refrigeran tersebut kemudian mengalir kembali ke evaporator. Selanjutnya siklus
itu kembali berulang. (K.Handoko, 1981)
2.6 Perhitungan Pendinginan Sistem Termoelektrik
Bahan termoelektrik adalah semikonduktor yang merupakan benda padat atau
logam yang mempunyai nilai-nilai diantaranya nilai resistansi konduktor dan
isolator. Cold junction akan menyerap panas dari produk yang dikondisikan,
bagian ini sama fungsinya dengan evaporator pada sistem pendinginan kompresi
uap. Hot junction yang mengeluarkan atau membuang panas ke luar, bagian ini
sama fungsinya dengan kondenser. Sama halnya dengan kondenser yang
menggunakan sirip-sirip untuk mempercepat pembuangan panas nya,
termoelektrik pada sisi hot junction juga dtambahkan dengan heat sink untuk
mempercepat proses pembuangan panas. Proses pembuangan panas di sini juga
dimanfaatkan untuk memanaskan air, supaya energi panasnya tidak terbuang
begitu saja. Sumber arus searah pada termoelektrik sama fungsinya dengan
kompresor pada sistem kompresi uap. Pengeluaran dan penyerapan panas hanya
terjadi pada kedua sisi junction, besarnya kalor yang diserap dan dikeluarkan
adalah sebagai berikut:
Qo = 2.α. Tc .I – I2 (R/2) – k (Th – Tc) (2.6)
Q1 = 2α . Th .I – K. ∆T + ½ . I2.R (2.7)
Keterangan:
Qo = Besar kalor yang diserap [Watt]
Q1 = Besar kalor yang dilepas [Watt]
∆T = Perbedaan temperature [oK]
2α = Kekuatan termoelektrik dari 2 material [Volt/oK]
R = Tahanan total [Ohm]
K = Konduktifitas thermal dari 2 material [Watt/oK]
I = Arus yang mengalir [Ampere]
Th = Temperatur hot junction [oK]
Tc = Temperatur cold junction [oK]
2.6.1 Beban Pendinginan
Beban pendinginan yang dimaksud dalam analisis ini adalah beban panas yang
berasal dari produk yang didinginkan dan beban panas dari luar yang harus diatasi
oleh sistem untuk mencapai temperatur yang diinginkan. Beban pendinginan dari
suatu ruangan akan menentukan kapasitas dari mesin pendingin yang digunakan.
Terdapat beberapa hal yang perlu diperhatikan dalam menghitung beban
pendinginan dari suatu ruangan pendingin yaitu, perbedaan temperatur ruangan
yang akan dikondisikan dengan tempertur luar, struktur bahan yang dipakai dalam
perancangan, produk yang akan didinginkan,serta hal-hal lainnya yang
mempengaruhi beban pendinginan.
2.6.2 Beban Panas dari Luar
Beban panas dari luar berasal dari konduksi udara luar dengan dinding. Besarnya
beban panas dari luar dapat dihitung dengan menggunakan persamaan sebagai
berikut:
. . ∆ (2.8)
Keterangan :
Q = Jumlah panas yang dipindahkan (Watt)
A = Luas Permukaan (m2)
U = Angka koefisien perpindahan panas (Watt/ m2.0C)
∆t = Perbedaan temperatur (0C)
Harga koefisien perpindahan panas total (U) dapat dihitung dengan
menggunakan persamaan sebagai berikut:
k1,k2,..kn = Konduktivitas thermal material [Watt/m.oC]
x = Tebal material [m]
Nilai $1 adalah 1,65 BTU/h = 9,27 Watt/m2.oC
$0 = Koefisien lapisan udara bagian luar [Watt/cm2.oC]
Nilai $0 adalah 4 BTU/h = 22,7 Watt/m2.oC
(Roy. J. Dossat, 1978)
2.6.3 Beban Panas Dari Dalam
Beban panas dari dalam ruangan merupakan beban panas yang harus dibuang dari
ruangan tersebut untuk mencapai temperatur yang diinginkan. Beban panas dari
dalam ruangan berasal dari panas produk yang didinginkan. Panas produk adalah
beban panas yang harus dibuang untuk mencapai temperatur produk sesuai
dengan yang telah ditentukan. Beban panas dari produk dapat dibagi menjadi 2,
yaitu beban panas sensibel dan beban panas laten. Perancangan ini beban panas
produk hanya berasal dari beban panas sensible yaitu panas yang menyebabkan
terjadinya kenaikan dan penurunan temperatur tanpa terjadinya perubahan wujud.
Udara didalam ruangan dianggap 27oC dan air dikondisikan untuk mencapai
temperatur -21oC.
Beban panas sensibel produk dapat dihitung dengan menggunakan
persamaan sebagai berikut:
'. (. ∆ (2.10)
Keterangan:
Q = Jumlah panas yang dipindahkan [kj]
m = Berat produk [kg]
c = Panas spesifik [kj/kg.oC]
∆T = Perbedaan temperatur [oC] (Roy. J. Dossat, 1978)
2.6.4 Perpindahan Panas
Perpindahan panas adalah ilmu yang mempelajari tentang cara untuk meramalkan
perpindahan (distribusi) energi berupa panas yang terjadi karena adanya
perbedaan temperatur di antara benda atau material. Perpindahan panas dapat
Perpindahan panas secara konduksi adalah distribusi energi berupa panas
yang terjadi pada benda atau medium yang diam (padat) bertemperatur tinggi ke
bagian benda yang bertemperatur rendah atau terdapat gradien temperatur pada
benda tersebut. Rumus dasar perpindahan panas secara konduksi adalah :
Q −+ , ∆
Perpindahan panas konveksi adalah distribusi energi berupa panas yang
terjadi karena terdapat aliran fluida. Persamaan dasar perpindahan panas konveksi
adalah :
Perpindahan panas radiasi adalah distribusi energi berupa panas yang
terjadi melalui pancaran gelombang cahaya dari suatu zat ke zat yang lain tanpa
zat perantara. Untuk menghitung besarnya panas yang dipancarkan yaitu
menggunakan rumus :
Q = e AT 4 s (2.13)
Dimana:
Q = panas yang dipancarkan (Watt)
ε = emisivitas permukaan benda (0 s.d. 1)
T = temperatur permukaan benda (K)
σ= konstanta Stefan Boltzmann (W/m2.K4)
Untuk benda hitam sempurna nilai emisivitasnya (ε) adalah 1 dan besar nilai σ =
5,67.10-8 W/m2.K4 (Holman J.P, 1995)
2.7 Mikrokontroler Atmega 8535
Mikrikontroler merupakan sebuah single chip yang didalamnya telah dilengkapi
CPU (Central Processing Unit), RAM (Random Acces Memory), ROM (Read
Only Memory), input dan output, time/counter, serial comport secara spesifik
digunakan untuk aplikasi-aplikasi control dan aplikasi serbaguna. Mikrokontroller
umumnya bekerja pada frekuensi 4MHz – 40MHz. Perangkat ini sering digunakan
untuk kebuthan kontrol tertentu seperti pada sebuah penggerak motor. ROM
(Read Only Memory), yang isinya tidak berubah meskipun IC kehilangan catu
daya. Sesuai dengan keperluannya, sesuai dengan susunan MCS-51. Memori
penyimpanan program dinamakan sebagai memory program. RAM ( Random
Acces Memory) isinya akan begitu sirna jika IC kehilangan catu daya dan dipakai
untuk menyimpan data ini disebut sebagai memori data.
ATMEGA 8535 memiliki dua jenis memori, yaitu program memory dan
data memory ditambah satu fitur tambahan yaitu EEPROM memory untuk
penyimpanan data. ATMEGA 8535 memiliki On-Chip In-System
Reprogrammable Flash Memory untuk menyimpan memori. Untuk alasan
keamanan, program memory dibagi menjadi dua bagian, yaitu Boot Flash Section
dan ApplicationFlash Section. Boot Flash Section digunakan untuk menyimpan
program Boot Loader, yaitu program yang harus dijalankan pada saat AVR reset
atau pertama kali diaktifkan.
Aplication Flash Section digunakan untuk menyimpan program aplikasi
yang dibuat user. AVR tidak dapat menjalankan program aplikasi ini sebelum
menjalankan program Boot Loader. Besarnya memory Boot Flash Section dapat
diprogram dari 128 kata sampai 1024 kata tergantung setting pada konfigurasi
bitdi register BOOTSZ. Jika Boot Loader diproteksi, maka program pada
Aplication Flash Section juga sudah aman. Pada ATMEGA8535. Terdapat 608
I/O register terdiri dari 64 register. ATMEGA 8535 memiliki EEPROM 8 bit
sebesar 512 byte untuk menyimpan data. Lokasinya terpisah dengan system
address register, data register dan control register yang dibuat khusus untuk
EEPROM dimulai dari $000 sampai $1FF. (Widodo,B. 2008)
2.8 Interface MAX-232
Interface MAX-232, atau yang juga di kenal sebagai RS-232 merupakan suatu
interface yang menghubungkan antara terminal data dari suatu peralatan dan
peralatan komunikasi data yang menjalankan suatu pertukaran data biner secara
serial. RS 232 adalah standard komunikasi serial yang digunakan untuk koneksi
periperal ke periperal. Biasa juga disebut dengan jalur I/O (input/output). Contoh
yang paling sering ditemui adalah koneksi antara komputer dan modem, atau
komputer dengan mouse atau komputer dengan komputer, semua biasanya
dihubungkan lewat jalur port serial RS232. Standar ini menggunakan beberapa
piranti dalam implementasinya. Paling umum yang dipakai adalah plug/konektor
DB9 atau DB25. Untuk RS232 dengan konektor DB9, biasnya dipakai untuk
mouse, modem, kasir register dan lain sebagainya, sedang yang konektor DB25,
biasanya dipakai untuk joystik game.
Standar RS 232 ditettapkan oleh Electronic IndustryAssociation and
Telecomunication Industry Association pada tahun 1962. Nama lengkapnya
adalah EIA/TIA-232 Interface Between Data Terminal Equipment and Data
Circuit Terminating Equipmen Employing Serial Binary Data Interchange. Port
Seial RS232 juga mempunyai fungsi yaitu untuk menhubungi/koneksi dari
perangkat yang satu dengan perngkat yang lain, atau peralatan standard yang
menyangkut komunikasi data antara komputer dengan alat-alat pelengkap
komputer. Standard RS-232 mendefenisikan kecepatan 256 kbps atau lebih rendah
dengan jarak kurang dari 15 meter, namu belakangan ini sering ditemukan jalur
kecepatan tinggi pada komputer pribadi dan dengan kabel berkualitas tinggi, jarak
maksimum juga ditingkatkan secara signifikan. Dengan susunan pin khusus yang
disebut null modem cable, standar RS-232 dapat juga untuk komunikasikan data
Karakteristik elektris yang dimilki EIA-232 menspesifikasikan bahwa
untai-untai tak seimbang digunakan dengan tegangan positif antara +3 sampai
+25V. pada tegangan ini isyarat dikenal sebagai biner 0 atau ON atau space.
Sedangkan tegangan -3 sampai -25 v menyatakan biner 1 dan keadaan OFF atau
Mark. Sedangkan tegangan antara -3 sampai +3 V disebut sebagai daerah transisi
yang besaran tegangannya tidak berlaku atau invalid. Beberapa sinyal beserta
fungsinya yang terdapat pada RS-232 yaitu :
• Pin1 (Shield), dapat dihubungkan dengan casis peratalatan dan diutamakan untuk menggunakan kabel dengan shield (pelindung) karena dengan
demikian akan dapat mengurangi interferensi pada lingkungan yang
banyak noise. Sinyal ini disebut juga dengan protective ground (Gnd). • Pin 2 (Transmitted Data) , digunakan sebagai pengirim sinyal dari Data
Terminal Equipment (DTE) menuju ke Data Communication Equipment
(DCE)
• Pin 3 (Received Data), digunakan oleh DTE untuk menerima sinyal dari DCE. Jadi sinyal dikirim dari DCE melalui terminal ini.
• Pin 4 (Request to Send atau RTS), digunakan oleh DTE untuk membangkitkan gelombang carrier dari modem.
• Pin 5 (Clear to Send atau CTS), biasanya dihubungkan secara langsung dengan RTS untuk transmisi secara langsung 2 PC yang menggunakan
Cross-cable. Pada penerapan ini antara RTS dan CTS ditambahkan timer
agar delay dapat diatur dengan besar tertentu untuk menghidupkan
gelomang carrier pada DCE.
• Pin 6 (Data Set ready atau DSR), berfungsi untuk memberikan sinyal yang menyatakan modem dalam keadaan siap dipergunakan. Jika sinyal ini
diberikan maka modem dalam keadaan menyala dan tidak sedang
melakukan self-testing.
• Pin 7 ( Signal Ground), merupakan ground sinyal referensi bagi semua sinyal atau semua pin yang ada (data, timing, control-signal)
• Pin 8 (Data Carrier Detect), digunakan untuk menghasilkan sinyal yang mampu mendeteksi danya sinyal pada saluran yang dapat diterima. Sinyal
• Pin 9 dan 10 (reserve for testing), sebagai pin cadangan untuk melakukan testing
• Pin 11 (unassigned)- tidak ditetapkan dengan pasti
• Pin 12,13,14,16 dan 19 (secondary channel), merupakan saluran sinyal sekunder. Secondary channel biasanya melewatkan sinyal pada arah yang
berlawanan dan pada kecepatan transfer data yang rendah.
• Pin 15 dan 17 (Transmitter/receiver signal element timing), digunakan oleh modem yang bekerja dengan metode pengiriman sinkron untuk
pengontrolan bit timing. Pin 15 untuk pengontrolan transmitter bit timing
dan pin 17 untuk receiver bit timing.
• Pin 20 (Data Terminal Ready), sinyal DTR dapat dipakai untuk memaksa DCE untuk segera bereaksi karena terdapatnya indicator panggilan agar
segera menjawab panggilan tersebut. Hal ini sangat penting artinya,
terutama jika modem berda pada posisi auto-answer.
• Pin 21 (Remote Loopback) digunakan untuk menandakan bahwa kualitas gelombang carrier diterima dalam kondisi yang cukup atau tidak terlalu
lemah.
• Pin 22 ( Ring Indikator), untuk memberikan sinyal yang mengidinkasikan bahwa DCE memberitahu DTE akan adanya sinyal dering (ringing) pada
telepon. Sinyal ini mampu mendeteksi besarnya teganga dering yang
kemudian dikirm ke DTE dan diteruskan ke modem untuk menjawab
panggilan lewat oin ini.
• Pin 24 (Transmit Signal Element Timing), pin ini digunakan oleh modem yang bekerja pada metode pengiriman sinkron untuk pengontrolan bit
timing.
2.9 Sensor Suhu IC LM35
Untuk mendeteksi suhu digunakan sebuah sensor suhu LM 35 yang dapat
dikalibrasikan langsung dalam , LM 35 ini difungsikan sebagai basic temperature
sensor seperti pada gambar 2.1
Gambar 2.5 LM 35 Basic Temperature Sensor
IC LM 35 sebagai sensor suhu yang teliti dan terkemas dalam bentuk
Integrated Circuit (IC), dimana output tegangan keluaran sangat linear berpadanan
dengan perubahan suhu. Sensor ini berfungsi sebagai pengubah dari besaran fisis
suhu ke besaran tegangan yang memiliki koefisien sebesar 10 mV /°C yang berarti
bahwa kenaikan suhu 1° C maka akan terjadi kenaikan tegangan sebesar 10 mV.
IC LM 35 ini tidak memerlukan pengkalibrasian atau penyetelan dari luar karena
ketelitiannya sampai lebih kurang seperempat derajat celcius pada
temperature ruang. Jangka sensor mulai dari – 55°C sampai dengan 150°C, IC
LM35 penggunaannya sangat mudah, difungsikan sebagai kontrol dari indicator
tampilan catu daya terbelah. IC LM 35 dapat dialiri arus 60 m A dari supplay
sehingga panas yang ditimbulkan sendiri sangat rendah kurang dari 0 ° C di dalam
suhu ruangan.
LM 35 ialah sensor temperatur paling banyak digunakan untuk praktek,
karena selain harganya cukup murah, linearitasnya juga lumayan bagus.
LM35 tidak membutuhkan kalibrasi eksternal yang menyediakan akurasi ± ¼ °C
pada temperatur ruangan dan ± ¾ °C pada kisaran -55 °C to +150 °C. LM35
pada -40 °C hingga +110 °C, dan LM35D pada kisran 0-100°C. LM35D juga
tersedia pada paket 8 kaki dan paket TO-220. Sensor LM35 umunya akan naik
sebesar 10mV setiap kenaikan 1°C (300mV pada 30 °C).
2.10 Liquid Crystal Display (LCD)
LCD berfungsi menampilkan suatu nilai hasil sensor, menampilkan teks, atau
menampilkan menu pada aplikasi mikrokontroler. LCD yang digunakan adalah
jenis LCD M1632. LCDM1632 merupakan modul LCD dengan tampilan 16 x 2
baris dengan konsumsi daya rendah. M1632 adalah merupakan modul LCD
dengan tampilan 16 x 2 baris dengan konsumsi daya yang rendah. Kegunaan LCD
banyak sekali dalam perancangan suatu sistem dengan menggunakan
mikrokontroler. LCD dapat berfungsi untuk menampilkan suatu nilai hasil sensor,
menampilkan teks, atau menampilkan menu pada aplikasi mikrokontroler.
Gambar 2.12 berikut ini adalah Pin LCD M1632.
Tabel 2.4 Fungsi pin-pin pada Liquid Crystal Display
Sebagaimana terlihat pada kolom deskripsi (symbol and functions), interface LCD
cepat dalam pembacaan dan penulisan data dari atau ke LCD. Kode ASCII yang
ditampilkan sepanjang 8 bit dikirim ke LCD secara 4 atau 8 bit pada satu waktu.
Jika mode 4 bit yang digunakan, maka 2 nibble data dikirim untuk membuat
sepenuhnya 8 bit (pertama dikirim 4 bit MSB lalu 4 bit LSB dengan pulsa clock
EN setiap nibblenya). Gambar 2.12 berikut adalah contoh LCD (2×16) yang
umum digunakan :
Gambar 2.6 LCD M1632
Jalur kontrol EN digunakan untuk memberitahu LCD bahwa mikrokontroller
mengirimkan data ke LCD. Untuk mengirim data ke LCD program harus menset
EN ke kondisi high (1) dan kemudian menset dua jalur kontrol lainnya (RS dan
R/W) atau juga mengirimkan data ke jalur data bus. Saat jalur lainnya sudah siap,
EN harus diset ke 0 dan tunggu beberapa saat (tergantung pada datasheet LCD),
dan set EN kembali ke high (1). Ketika jalur RS berada dalam kondisi low (0),
data yang dikirimkan ke LCD dianggap sebagai sebuah perintah atau instruksi
khusus (seperti bersihkan layar, posisi kursor dll). Ketika RS dalam kondisi high
atau 1, data yang dikirimkan adalah data ASCII yang akan ditampilkan dilayar.
Misal, untuk menampilkan huruf pada layar maka RS harus diset ke 1.
Jalur kontrol R/W harus berada dalam kondisi low (0) saat informasi pada data
bus akan dituliskan ke LCD. Apabila R/W berada dalam kondisi high (1), maka
program akan melakukan query (pembacaan) data dari LCD. Instruksi pembacaan
hanya satu, yaitu Get LCD status (membaca status LCD), lainnya merupakan
instruksi penulisan. Jadi hampir setiap aplikasi yang menggunakan LCD, R/W
selalu diset ke 0. Jalur data dapat terdiri 4 atau 8 jalur (tergantung mode yang
dipilih pengguna), mereka dinamakan DB0, DB1, DB2, DB3, DB4, DB5, DB6
dan DB7. Mengirim data secara parallel baik 4 atau 8 bit merupakan 2 mode
Untuk membuat sebuah aplikasi interface LCD, menentukan mode operasi
merupakan hal yang paling penting. Mode 8 bit sangat baik digunakan ketika
kecepatan menjadi keutamaan dalam sebuah aplikasi dan setidaknya minimal
tersedia 11 pin I/O (3 pin untuk kontrol, 8 pin untuk data). Sedangkan mode 4 bit
minimal hanya membutuhkan 7 bit (3 pin untuk kontrol, 4 untuk data). Aplikasi
dengan LCD dapat dibuat dengan mudah dan waktu yang singkat, mengingat
koneksi parallel yang cukup mudah antara kontroller dan LCD. (Setiawan, 2011)
2.11 MOSFET
MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) merupakan salah
satu jenis transistor yang memiliki impedansi mauskan (gate) sangat tinggi
(Hampir tak berhingga) sehingga dengn menggunakan MOSFET sebagai saklar
elektronik, memungkinkan untuk menghubungkannya dengan semua jenis
gerbang logika. Dengan menjadikan MOSFET sebagai saklar, maka dapat
digunakan untuk mengendalikan beban dengan arus yang tinggi dan biaya yang
lebih murah daripada menggunakan transistor bipolar.
Untuk membuat MOSFET sebagai saklar maka hanya menggunakan
MOSFET pada kondisi saturasi (ON) dan kondisi cut-off (OFF).
Gambar 2.7 Kurva Karakteristik MOSFET
Pada daerah Cut-Off MOSFET tidak mendapatkan tegangan input (Vin = 0V)
sehingga tidak ada arus drain Id yang mengalir. Kondisi ini akan membuat
tegangan Vds = Vdd. Dengan beberapa kondisi diatas maka pada daerah cut-off
ini MOSFET dikatakan OFF (Full-Off). Kondisi cut-off ini dapat diperoleh
dengan menghubungkan jalur input (gate) ke ground, sehingga tidaka ada
tegangan input yang masuk ke rangkaian saklar MOSFET. Untuk lebih jelasnya
dapat dilihat pada gambar berikut.
Gambar 2.8 Rangkaian MOSFET Sebagai Saklar Pada Kondisi Cut-Off
Karakeristik MOSFET pada daerah Cut-Off antara lain sebagai berikut.
1. Input gate tidak mendapat tegangan bias karena terhubung ke ground (0V)
2. Tegangan gate lebih rendah dari tegangan treshold (Vgs < Vth)
3. MOSFET OFF (Fully-Off) pada daerah cut-off ini.
4. Tidak arus drain yang mengalir pada MOSFET
5. Tegangan output Vout = Vds = Vdd
6. Pada daerah cut-off MOSFET dalam kondisi open circuit.
Dengan beberapa karakteristik diatas maka dapat dikatakan bahawa
MOSFET pada daerah Cut-Off merupakan saklar terbuka dengan arus drain Id = 0
Ampere. Untuk mendapatkan kondisi MOSFET dalam keadaan open maka
tegnagan gate Vgs harus lebih rendah dari tegangan treshold Vth dengan cara
menghubungkan terminal input (gate) ke ground.
2.11.2 Wilayah Saturasi (MOSFET ON)
Pada daerah saturasi MOSFET mendapatkan bias input (Vgs) secara maksimum
sehingga arus drain pada MOSFET juga akan maksimum dan membuat tegangan
Vds = 0V. Pada kondisi saturasi ini MOSFET dapat dikatakan dalam kondisi ON
Gambar 2.9 Rangkaian MOSFET Sebagai Saklar Pada Kondisi Saturasi
Karakteristik MOSFET pada kondisi saturasi antar lain adalah :
1. Tegangan input gate (Vgs)
2. tinggi Tegangan input gate (Vgs) lebih tinggi dari tegangan treshold
(Vgs>Vth)
3. MOSFET ON (Fully-ON) pada daerah Saturasi
4. Tegangan drain dan source ideal (Vds) pada daerah saturasi adalah 0V
(Vds = 0V)
5. Resistansi drain dan source sangat rendah (Rds < 0,1 Ohm)
6. Tegangan output Vout = Vds = 0,2V (Rds.Id)
7. MOSFET dianalogikan sebagai saklar kondisi tertutup
Kondisi saturasi MOSFET dapat diperoleh dengan memberikan tegangan
input gate yang lebih tinggi dari tegangan tresholdnya dengan cara
menghubungkan terminal input ke Vdd. Sehingga MOSFET mejadi saturasi dan
