T1__BAB II Institutional Repository | Satya Wacana Christian University: Alat Peraga Sistem Pemantauan Energi Menggunakan TEG (Thermo Electric Generator) dan TEC (Thermo Electric Cooler). T1 BAB II

BAB II
DASAR TEORI

Bab ini membahas mengenai dasar teori dan hubungan antar perangkat keras
yang digunakan yaitu mikrokontroler, TEG (Thermo Electric Generator ), TEC
(Thermo Electric Cooler ), Thermostat, Sensor suhu, Sensor tegangan, Elemen
pemanas, dan Elemen pendingin. Selain itu juga akan dibahas perangkat lunak
yang digunakan untuk membuat User Interface. Berikut ini beberapa teori
pendukung yang digunakan sebagai acuan skripsi ini.

2.1. Thermoelectric Generator
TEG merupakan modul yang akan mengubah energi panas dari gradien
temperatur menjadi energi listrik berdasar efek Seebeck yang ditemukan oleh
Thomas J. Seebeck pada tahun 1821. Ia melakukan pengamatan besar tegangan
terhadap dua buah tembaga dan besi dalam sebuah rangkaian yang di antaranya
diletakkan jarum kompas. Saat sisi logam dipanaskan, jarum kompas bergerak
karena disebabkan oleh medan magnet yang timbul akibat aliran listrik yang
terjadi pada logam. Cara kerja TEG berdasar efek Seebeck ditunjukkan pada
Gambar 2.1 berikut.

Gambar 2.1 Cara kerja TEG berdasar efek Seebeck[7].


5

Gambar 2.2 Konstruksi elemen TEG [8]
Gambar 2.2 menunjukkan sebuah elemen TEG yang tersusun dari
suatu elemen tipe-n (material dengan kelebihan elektron) dan tipe-p
(material dengan kekurangan elektron). Aliran panas yang mengalir dari satu
sisi dan dibuang ke sisi lain menghasilkan tegangan pada sambungan
thermoelectric yang besarnya tergantung pada gradien temperatur dari kedua

sisi[9].

2.2. Thermoelectric Cooling
Perangkat thermoelectric cooling didasarkan pada efek Peltier . Jika arus
listrik melewati rangkaian dari dua konduktor yang tidak sama, maka akan terjadi
kenaikan atau penurunan temperatur di persambungan tergantung dari arah aliran
arus listrik. Ditemukan oleh Jean Peltier pada tahun 1834 dan kemudian
diperluas oleh Emil Lenz pada tahun 1838. Lenz

menunjukkan bahwa air


dapat membeku ketika diletakkan pada persambungan bismuth – antimony dengan
melewatkan arus listrik melalui persambungan tersebut. Lenz mengamati bahwa
jika polaritas arus listrik dibalik, es dapat meleleh. Lenz menyimpulkan bahwa
arah dari aliran arus listrik menentukan apakah panas diserap atau dihasilkan pada
persambungan. Ketika masukan listrik diterapkan pada thermocouple, elektron
bergerak dari bahan tipe – p ke bahan tipe – n menyerap energi panas pada
sambungan dingin.

6

Gambar 2.3 Cara kerja TEC berdasar efek Peliter [10].
Elektron – elektron membuang kelebihan energi pada sambungan panas
karena elektron mengalir dari tipe – n kembali ke bahan tipe – p melalui kolektor
listrik. Membuang panas sisi panas akan menurunkan temperatur pada sisi dingin
dengan cepat, besarnya penurunan bergantung dari arus lisrik yang diberikan [9].

2.3. Thermostat
Thermostat adalah komponen yang dapat mendeteksi suhu dari suatu sistem
sehingga suhu sistem dapat dipertahankan mendekati setpoint yang diinginkan.

Thermostat mempertahankan suhu mendekati setpoint dengan cara mendinginkan
atau memanaskan suatu sistem tersebut dengan cara mematikan dan
menghidupkan elemen pada sistem tersebut sehingga suhu dapat mencapai
setpoint yang telah di tentukan. Thermostat dapat mengontrol pemanas atau

pendingin, thermostat memiliki suatu komponen sensor yang digunakan untuk
pengukuran suhu, sehingga hasil dari pengukuran sensor dapat digunakan untuk
mengendalikan pemanasan atau pendinginan suatu sistem tersebut[11]. Pada kali
ini digunakan modul W1209 sebagai modul thermostat yang mengunakan NTC
temperatur sensor sebagai pengukur suhu pada modul tersebut.

7

2.3.1. Modul W1209
Thermostat digital adalah komponen yang dapat mendeteksi suhu dari
sistem sehingga suhu sistem dapat dipertahankan mendekati setpoint yang
diinginkan. Modul thermostat digital bekerja dengan cara digital, yaitu dengan
menggunakan relay sebagai pengendali. Thermostat digital memiliki probe
sebagai sensor. Kegunaannya untuk menstabilkan dan mengukur suhu, jika suhu
sudah sesuai dengan suhu yang diset, relay akan aktif atau tidak aktif, tergantung

mode yang telah dipilih (sebagai heating atau cooling mode).

Gambar 2.4 Thermostat Digital W1209 dan keterangan
Spesifikasi:




Model

: W1209



Dimensi

: 48mm x 40mm




Mode temperatur kontrol

: ON/OFF



Temperature range

: -50ᵒC to 110ᵒC



Akurasi pengendalian

: 0,1ᵒC



Refresh rate


: 0,5S



Supply voltage

: DC 12V



Static current

: 35mA, attract current 65mA



Relay Max Rated Current

: 10A




Measurement input

: NTC (10K 0,5%) Waterproof Sensor



High temperature protection :0ᵒC to 110ᵒC

Environmental requirements : -10ᵒC to 60ᵒC

8

2.4. Sensor Suhu
Sensor suhu adalah suatu komponen yang dapat mengubah besaran panas
menjadi besaran listrik sehingga dapat mendeteksi gejala perubahan suhu pada
obyek tertentu[12]. Sensor suhu yang digunakan adalah NTC sebagai pengukur
suhu pada modul thermostat dan DS18B20 sebagai penghitung suhu yang akan
dibaca oleh arduino.


2.4.1. Sensor suhu NTC
Thermistor adalah salah satu jenis resistor yang nilai resistansi atau nilai
hambatannya dipengaruhi oleh suhu. Thermistor terdiri dari 2 jenis, yaitu
thermistor NTC (Negative Temperature Coefficient) dan thermistor PTC (Positive
Temperature Coefficient).

Nilai resistansi thermistor NTC akan turun jika suhu di sekitar thermistor
NTC tersebut meningkat tinggi. Perubahan nilai resistansi thermistor NTC saat
terjadinya perubahan suhu disekitarnya thermistor NTC tersebut bernilai 10kΩ
pada suhu ruangan (25°C), tetapi akan berubah seiring perubahan suhu
disekitarnya. Pada -40°C nilai resistansinya akan menjadi 197,388kΩ, saat kondisi
suhu di 0°C nilai resistansi NTC akan menurun menjadi 27,445kΩ pada suhu
100°C akan menjadi 0,976kΩ dan pada suhu 125°C akan menurun menjadi
0,532kΩ. Thermistor NTC adalah komponen elektronika yang berfungsi sebagai
sensor pada rangkaian elektronika yang berhubungan dengan suhu. Suhu
operasional thermistor pada umumnya berkisar diantara -90°C sampai 130°C[13].

9


2.4.2. Sensor Suhu (DS18B20)
Sensor suhu adalah suatu komponen yang dapat mengubah besaran panas
menjadi besaran listrik sehingga dapat mendeteksi gejala perubahan suhu pada
obyek tertentu. Sensor suhu melakukan pengukuran terhadap jumlah energi
panas/dingin yang dihasilkan oleh suatu obyek sehingga memungkinkan kita
untuk mengetahui atau mendeteksi gejala perubahan-perubahan suhu tersebut
dalam bentuk output analog maupun digital[14].

Gambar 2.5 Sensor Suhu (DS18B20)[15].

2.5. Mikrokontroler AT-Mega 328
Arduino adalah sebuah board mikrokontroler yang berbasis At-Mega 328.
Arduino memiliki 14 pin input/output yang mana 10 pin dapat digunakan sebagai
output PWM (Pulse with modulation), 8 analog input, crystal osilator 16 MHz,

koneksi USB, jack power , kepala ICSP, dan tombol reset. Arduino mampu mensupport mikrokontroler dapat dikoneksikan dengan komputer menggunakan kabel

USB.
Arduino merupakan sebuah board minimum system mikrokontroler yang
bersifat open source. Di dalam rangkaian board arduino terdapat mikrokontroler

AVR seri At-Mega 328 yang merupakan produk dari Atmel. Arduino memiliki
kelebihan tersendiri dibanding board mikrokontroler yang lain selain bersifat
open source, Arduino juga mempunyai bahasa pemrogramanya sendiri yang

berupa bahasa C.
Selain itu dalam board arduino sendiri sudah terdapat loader yang berupa
USB. Port USB tersebut digunakan untuk upload program ke dalam

10

mikrokontroler, selain itu port USB tersebut bisa juga difungsikan sebagai port
komunikasi serial. Arduino menyediakan 22 pin I/O, yang terdiri dari 8 pin input
analog dan 14 pin digital input/output. Untuk 8 pin analog sendiri bisa juga

difungsikan sebagai output digital jika diperlukan output digital tambahan selain
14 pin yang sudah tersedia. Untuk mengubah pin analog menjadi digital cukup
mengubah konfigurasi pin pada program. Dalam board terlihat bahwa pin I/O
digital diberi keterangan D0-D13, jadi untuk menggunakan pin analog menjadi
output digital, pin analog yang pada keterangan board A0-A7 kita ubah menjadi
pin 14-21. dengan kata lain pin analog A0-A7 berfungsi juga sebagi pin output


digital 14-21 [16]

Gambar 2.6 Board Arduino Nano[16].

Berikut ini adalah konfigurasi dari Arduino Nano :
1. Mikrokontroler At-Mega 328.
2. Beroperasi pada tegangan 5V.
3. Tegangan input (rekomendasi) 7 - 12V.
4. Batas tegangan input 6 - 20V.
5. Pin digital input/output 14 (8 mendukung output PWM).
6. Arus pin per input/output 40 mA.
7. Arus untuk pin 3.3V adalah 50 mA.
8. Flash Memory 32 KB (At-Mega 328) yang mana 2 KB.
9. SRAM 2 KB (At-Mega 328).
10. EEPROM 1 kB (At-Mega 328).
11. Kecepatan clock 16 MHz.

11

2.6. Elemen Pemanas 12V
Elemen pemanas menggunakan elemen pemanas bertipe thermistor PTC,
untuk memanaskan suatu bidang yang akan digunakan untuk mencatu suhu panas
pada perangkat keras.

Gambar 2.7 Elemen Pemanas[17]

Elemen pemanas yang digunakan mempunyai spesifikasi:
1.

Daya

: 30 W

2.

Tegangan

: 12V AC/DC

3.

Ukuran

: 35*21*5mm

4.

Heat material : PTC Thermistor

2.7. Elemen Pendingin
Elemen Pendingin mengunakan material TEC (Thermo Electric Cooler ).
Untuk difungsikan sebagai pendingin, TEC (Thermo Electric Cooler ) yang
digunakan yaitu 1 buah TEC (Thermo Electric Cooler ), tegangan sumber yang
digunakan yaitu 12V 1A, TEC yang akan digunakan sebagai pendingin harus
ditambahkan oleh pasta termal, heatsink dan kipas pendingin yang ditempelkan
pada bagian panas TEC sehingga panas pada TEC ternetralkan dan tidak
mempengaruhi suhu dingin yang dihasilkan oleh TEC itu sendiri.

12

2.8. Sensor Tegangan
Sensor tegangan adalah perangkat yang mendeteksi tegangan listrik (AC
atau DC) di sebuah rangkaian, dan menghasilkan sinyal sebanding dengan itu.
Sinyal yang dihasilkan bisa tegangan analog, arus, atau bahkan digital. Digunakan
untuk menampilkan tegangan yang akan diukur dalam voltmeter atau dapat
disimpan untuk analisis lebih lanjut dalam sistem akuisisi data atau dapat
dimanfaatkan untuk tujuan kontrol.

2.9. Perangkat Lunak
Perangkat lunak yang digunakan untuk membuat aplikasi trainer “Alat
Peraga Sistem Pemantauan Energi

Menggunakan TEG (Thermo Electric

Generator ) dan TEC (Thermo Electric Cooler )” diantaranya adalah Processing.

Berikut ini penjelasan dari aplikasi berikut:

2.9.1. Processing
Processing adalah bahasa pemprograman dan lingkungan pemprograman
(development environment) yang open source untuk memprogram gambar,
animasi, dan interaksi. Digunakan oleh pelajar, seniman, desainer , peneliti, dan
hobbyist untuk belajar, membuat prototipe, dan produksi. Processing digunakan

untuk mengajarkan dasar-dasar pemprograman komputer dalam konteks rupa dan
berfungsi sebagai buku sketsa perangkat lunak (software) dan tool produksi
profesional. Processing menggunakan bahasa Java, bahasa sintaks yang digunakan
hampir mirip dengan bahasa Java tetapi lebih sederhana, tetapi ada penambahan
fitur custom untuk grafik dan interaksi[18].

13