Kolaborasi Kipas Angin Dengan Elemen Peltier Untuk Mendapatkan Udara Sejuk Menggunakan Mikrokontroller Atmega 8535

BAB II
TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Kipas Angin

Fungsi dari kipas angin yang ditemukan di Mesir pada masa itu sebagai alat
upacara keagamaan, sehingga sebuah kipas angin merupakan benda yang sakral.
Kipas angin juga merupakan lambang kekuatan raja. Ada dua buah kipas angin
yang ditemukan di makan raja. Salah satu kipas angin tersebut gagangnya dilapisi
oleh emas dan terbuat dari bulu burung unta, sedangkan yang satu lagi dilapisi
eboni dengan emas dan batu-batu berharga. Perkembangan kipas angin juga
terdapat di Eropa. Negara pertama di Eropa yang memproduksi kipan angin
adalah Italia. Italia memproduksi kipas angin pada tahun 1500.

Pada masa itu kipas angin merupakan sebuah komoditi perdagangan yang
eksotik dan sangat stylish. Kipas angin sendiri dipandang sebagai simbol
kemakmuran dan kelas sosila seseorang.Perkembangan kipas angin sebagai
komoditas fashion sangat populer pada abad ke-16 sampai abad ke-18. Terjadi
pergeseran fungsi kipas angin pada awal abad ke 20. Pada masa itu kipas angin
sudah tidak lagi sebagai sebuah aksesoris fashion namun menjadi alat periklanan.
Sedangkan di spanyol sendiri, kipas angin menjadi alat untuk mendinginkan udara

karena di Spanyol memiliki iklim yang panas.

Kipas angin listrik pertama ditemukan oleh Schuyler Skaats Wheeler pada
tahun 1882. Wheeler pertama kali memperkenalkan kipas angin listrik dengan dua
buah baling-baling, tanpa ada pelindung apapun dan digerakkan dengan tenaga
motor listrik. Perkembangan kipas angin listrik lebih lanjut di kembangkan oleh
Philip H. Diehl yang dipantenkan pada tahun 1887. Diehl memperkenalkan kipas
angin yang menempel di langit-langit rumah. Diehl terus mengembangkan
temuannya. Pada tahun 1904 Diehl menambahkan sendi split-ball pada kipas
angin listriknya. Tiga tahun kemudian, ide ini menjadi dasar pemnemuan kipas

6
Universitas Sumatera Utara

angin yang dapat bergerak ke sana-kemari. sedangkan pada tahun 1902 Willis
Carrier menemukan air conditioning (AC).

2.2 Pengertian 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 hukum "efek Seebeck".

Thermoelectric generator merupakan teknologi pembangkit listrik dengan
menggunakan Energi Panas (kalor). Pada alat ini digunakan komponen yang
bernama "Peltier". Pada umumnya Peltier adalah keramik yang bisa menghasilkan
energi panas dan dingin jika di beri tegangan.Namun pada Prinsip Thermoelectrik,
Peltier jika di panaskan salah satu sisinya dan sisi lain panasnya dibuang, maka
akan

menghasilkan

mengonversi

energi

Tegangan.
panas

Teknologi

menjadi

listrik

termoelektrik
secara

bekerja

langsung

dengan

(generator

termoelektrik). Cara kerja generator ini adalah apabila ada perbedaan suhu lebih
dari 30c diantara kedua sisi peltier maka peltier akan menghasilkan listrik.

2.3 Perkembangan Termoelektrik

Sejak awal tahun 1990, tuntutan dunia tentang teknologi yang ramah
lingkungan sangat besar. Ini memberikan imbas kepada teknologi termoelektrik
sebagai sumber energi alternatif. Banyak aplikasi lain penggunaan energi
termoelektrik selain pada RTG yang digunakan oleh Voyager 1.Salah satunya
adalah penerapan teknologi termoelektrik pada pembangkitan listrik dari sumber
panas. Sampai saat ini pembangkitan listrik dari sumber panas harus melalui

7
Universitas Sumatera Utara

beberapa tahap proses. Bahan bakar fosil akan menghasilkan putaran turbin
apabila dibakar dengan tekanan yang sangat tinggi. Hasil putaran turbin tersebut
akan dipakai untuk memproduksi tenaga listrik. Efisiensi energi pembangkit ini
masih rendah akibat beberapa kali proses konversi.

Panas yang dihasilkan banyak yang dilepas atau terbuang percuma. Dapat
digunakan suatu metode yang dikenal sebagai cogeneration di mana panas yang
dihasilkan selama proses dapat digunakan untuk tujuan alternatif. Dengan
menggunakan termoelekrik, panas yang dihasilkan selama proses diubah menjadi
listrik, sehingga panas yang dihasilkan tidak terbuang secara percuma dan energi
yang dihasilkan oleh pembangkit menjadi lebih besar, serta efisiensi energi
menjadi lebih tinggi.Contoh penerapan lainnya yang sedang dikembangkan saat
ini adalah pemanfaatan perbedaan panas di dasar laut dan darat, sistem hybrid
pada kendaraan bermotor yang memanfaatkan motor listrik dan mesin
pembakaran, serta pemanfaatan pada pembangkit listrik tenaga surya.

Kesulitan terbesar dalam pengembangan energi ini adalah mencari material
termoelektrik yang memiliki efisiensi konversi energi yang tinggi. Parameter
material termoelektrik dilihat dari besar figure of merit suatu material. Idealnya,
material termoelektrik memiliki konduktivitas listrik tinggi dan konduktivitas
panas yang rendah. Namun kenyataannya sangat sulit mendapatkan material
seperti ini, karena umumnya jika konduktivitas listrik suatu material tinggi,
konduktivitas panasnya pun akan tinggi.Walaupun demikian, teknologi material
yang saat ini sedang berkembang pesat terutama kemampuan menyusun material
dalam level nano diharapkan dapat menghasilkan suatu material termoelektrik

dengan efisiensi yang tinggi.

2.4Pendingin Thermo-Electric (TEC)

Pendingin Termoelectric (TEC), juga sering disebut pendingin Peltier
ataupompa panassolid-state yang memanfaatkan efek Peltier. Saat TEC / Peltier
dilewati arus maka alat ini akan memindahkan panas dari satusisi ke sisi lain,

8
Universitas Sumatera Utara

biasanya

menghasilkan

perbedaan

panas

sekitar40°C

-

70°C.Bahan

semikonduktor Thermo-Electric yang paling sering digunakan saat ini adalah
Bismuth Telluride (Bi2Te3). Thermo-Electric dibangun oleh dua buah
semikonduktor yang berbeda, satu tipe N dan yang lainnya tipe P, seperti Gambar
2.1 Gambar Bentuk Peltier.

Thermo-Electric

mempunyai

efisiensi

4

kali

lebih

rendah

jika

dibandingkan dengan yang konvensional. Thermo-Electric mempunyai efisiensi
sekitar 10% - 15%, sementara efisiensi model Pendingin Thermo-Electric (TEC),
juga sering disebut pendingin Peltier atau pompa panas solid-state yang
memanfaatkan efek Peltier untuk memindahkan panas. Saat TEC / Peltier dilewati
arus maka alat ini akan memindahkan panas dari satu sisi ke sisi lain, biasanya
menghasilkan perbedaan panas sekitar 40°C- 70°C dalam perangkatyang high-end
dapat digunakan untuk mentransfer panas dari satu tempat ke tempat yang lain.

Gambar 2.1. Bentuk Peltier (TEC)

2.4.1 Efek Peltier

Prinsip pendinginan Thermo-Electric ini ditemukan pertama kali pada
tahun 1834 oleh Jean Peltier, sehingga hasil penemuannya ini sering disebut “

Pendingin Peltier ” Apabila ada aliran arus listrik, maka akan disertai dengan
panas hasil dari arus tersebut (pemanasan Joule). Jean Peltier mengamati hal ini,

9
Universitas Sumatera Utara

bahwa ketika arus listrik melewati pertemuan dua buah konduktor yang berbeda
(thermocouple), akan ada efek pemanasan yang tidak bisa dijelaskan oleh
pemanasan Joule saja. Bahkan tergantung pada arah arus, efeknya bisa berupa
pemanasan atau pendinginan.Jean Peltier sendiri tidak mau menghargai potensi
penemuannya sendiri, karena hal ini dianggap tidak efisien sampai akhir abad ke
20.

2.4.2 Prinsip Kerja Thermo-Electric (TEC)

Ketika dua konduktor dihubungkan kontak listrik, elektron akan mengalir
dari satu konduktor yang mempunyai elektron kurang terikat ke konduktor yang
mempunyai elektron yang lebih terikat. Alasan yang mudah untuk hal ini adalah
tingkat perbedaan Fermi antara dua konduktor.

Perbedaan Fermi adalah istilah yang digunakan untuk menggambarkan
bagian atas kumpulan tingkat energi elektron pada suhu nol absolut. Konsep ini
berasal dari statistik Fermi-Dirac.Konsep energi Fermi adalah konsep yang sangat
penting untuk memahami sifat listrik dan termal pada benda padat. Kedua proses
listrik dan termal biasanya melibatkan energi elektron.

Ketika dua konduktor dengan tingkat Fermi yang berbeda digabungkan,
elektron akan mengalir dari konduktor dengan tingkat yang lebih tinggi ke tingkat
yang lebih rendah, hingga perubahan potensial elektrostatik membawa dua tingkat
Fermi menjadi nilai yang sama.

Arus yang melewati Junction baik arah maju maupun mundur akan
menghasilkan perbedaan suhu. Jika suhu Junction panas (heat sink) bpat isa
dijaga tetap rendah dengan mengurangi atau menghilangkan panas yang
dihasilkan, maka suhu bagian yang dingin dapat dipertahankan sesuai dengan
yang diinginkan dan bisa beberapa puluh derajad dibawah titik nol.

10
Universitas Sumatera Utara

2.5 Bahan Thermo-Electric (TEC)

Semikonduktor adalah bahan pilihan untuk Thermo-Electric yang umum
dipakai. Bahan semikonduktor Thermo-Electric 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
Thermo-Electric 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.

2.6 Konstruksi Thermo – Elektrik (TEC)

Thermo-Electric dibangun oleh dua buah semikonduktor yang berbeda,
satu tipe N dan yang lainnya tipe P. (mereka harus berbeda karena mereka harus
memiliki kerapatan elektron yang berbeda dalam rangka untuk bekerja). Kedua
semikonduktor diposisikan paralel secara termal dan ujungnya digabungkan
dengan lempeng pendingin biasanya lempeng tembaga atau aluminium.

11
Universitas Sumatera Utara

Gambar 2.2. Penampang Thermo-Electric
Ujung penghantar dari dua bahan yang berbeda dihubungkan ke sumber
tegangan, dengan demikian arus listrik akan mengalir melalui dua buah
semikonduktor yang terhubung secara seri. (seperti Gambar 2.2). Aliran arus DC
yang melewati dua semikonduktor tersebut menciptakan perbedaan suhu. Sebagai
akibat perbedaan suhu ini, Peltier pendingin menyebabkan panas yang diserap
dari sekitar pelat pendingin akan pindah ke pelat lain (heat sink).

Gambar 2.3. Proses pemindahan panas
Dalam prakteknya banyak pasangan Thermo-Electric (pasangan) seperti
dijelaskan diatas, yang terhubung paralel dan diapit dua buah pelat keramik dalam
sebuah Thermo-Electric tunggal. Sedngkan besarnya perbedaan suhu panas dan

12
Universitas Sumatera Utara

dingin adalah sebanding dengan arus dan jumlah pasangan semikonduktor di unit,
seperti Gambar 2.3.

Pendingin ruangan memanfaatkan kompresor, kondensor dan refrigeran
cair untuk mendapatkan suhu yang rendah, dengan sumber tegangan AC.
Sementara Thermo-Electric menggunakan tegangan DC, heat sink dan
semikonduktor. Perbedaan mendasar ini memberikan pendingin Thermo-Electric
mempunyai keunggulan dibanding kompresor. Keunggulan itu antara lain :

1. Tidak ada bagian yang bergerak. Sehingga sangat sedikit atau bahkan
tidak memerlukan perawatan. Hal ini sangat ideal untuk penggunaan
yang mungkin sensitif terhadap getaran mekanis pendinginan.
2. Tidak ad zat pendingin semisal CFC yang berpotensi membahayakan.
3. Mengurangi

kebisingan

semisal

kipas

pendingin

sementara

memberikan pendinginan yang lebih besar.
4. Cocok

untuk

aplikasi-aplikasi

yang

berukuran

kecil

semisal

mikroelektronik.
5. Umur panjang, lebih dari 100.000 jam MTBF (Mean Time Between
Failures).
6. Mudah dikontrol (dengan tegangan dan arus).
7. Respon dinamis cepat.
8. Dapat memberikan pendinginan di bawah suhu lingkungan.
9. Ukuran kecil dan ringan.

2.6.1 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
elemen-elemen peltier dan heatsink baik pada sisi dingin maupun sisi panas
peltier,seperti yang terlihat pada Gambar 2.4.

13
Universitas Sumatera Utara

Keterangan:

2

5

1

6

3

1.

sisi dingin(cool sink)

2.

plat keramik dingin

3.

plat keramik panas

4.

sel termoelektrik

5.

sisi panas(heat sink)

6.

sirip-sirip (fins)

4

Gambar 2.4 Susunan dasar pendingin termoelektrik peltier cooler
Bagian yang didinginkan dapat langsung dihubungkan dengan sisi 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 dihasilkkan pada sisi panas elemen peltier akan
disalurkan kelingkungan melalui udara baik secara konveksi maupun melaui
pendingin ruangan.

2.7 Dayaguna Thermo-Electric

Sebuah Thermo-Electric biasanya akan menghasilkan perbedaan suhu
maksimal 70oC antara sisi panas dan dinginnya. Apabila Thermo-Electric semakin
panas maka akan semakin kurang efisiensinya. Karena Thermo-Electric perlu
untuk mengurangi atau menghilangkan panas yang ditimbulkan dari proses
pendinginan maupun dari panas yang dihasilkan oleh daya listrik yang
diumpankan. Jumlah panas yang ditimbulkan sebanding dengan arus dan waktu.

Thermo-Electric

mempunyai

efisiensi

4

kali

lebih

rendah

jika

dibandingkan dengan yang konvensional. Thermo-Electric mempunyai efisiensi
sekitar 10% - 15%, sementara efisiensi model konvensional antara 40% - 60%.
Karena efisiensi yang rendah ini, pendingin Thermo-Electric umumnya hanya
digunakan dalam aplikasi dimana diperlukan tidak ada bagian yang boleh

14
Universitas Sumatera Utara

bergetar, pemeliharaan rendah, ukuran kecil, dan orientasi ketidakpekaan, seperti
Gambar 2.5.

Gambar 2.5. Ukuran Thermo-Electric

2.8 Aplikasi Termoelektrik Secara Garis Besar

William Thomson (lebih dikenal dengan Lord Kelvin) memberikan suatu
penjelasan lengkap dari Efek Seebeck dan Efek Peltier serta menggambarkan
hubungan timbal balik keduanya. Saat itu, fenomena-fenomena tersebut hanya
diketahui pada tingkat laboratorium, sedangkan aplikasi praktisnya baru
dikembangkan setelah dikembangkannya bahan-bahan semikonduktor.

Aplikasi termoelektrik telah digunakan diberbagai bidang, tidak hanya
sebagai pendingin tetapi juga sebagai pembangkit daya, sensor energi termal
maupun digunakan pada bidang militer, ruang angkasa, instrument, biologi,
medikal, dan industri serta produk komersial lainnya.

Aplikasi termoelektrik sebagai alat pendingin terdiri dari aplikasi untuk
mendinginkan peralatan elektronik, air conditioner maupun lemari pendingin.
Penggunaan termoelektrik juga diaplikasikan pada tutup kepala sebagai pendingin
kepala. Pada dunia otomotif juga telah dikembangkan termoelektrik intercooler.

15
Universitas Sumatera Utara

Aplikasi termoelektrik sebagai pembangkit daya dibagi menjadi 2 bagian
sebagai pembangkit daya rendah dan pembangkit daya tinggi. Aplikasi
pembangkit daya rendah meliputi pemanfaatan panas tubuh manusia untuk
menjalankan jam tangan, sedangkan pembangkit daya tinggi pada termoelektrik
memanfaatkan panas dari sisa panas buang yang dihasilkan dari industri maupun
pemanfaatan sisa panas dari pembakaran bahan bakar, sperti Gambar 2.6.

a. Udara

d. Udara

Udara

Cairan

b. Cairan

e. Padat

Udara

Cairan

c. Padat

f. Cairan

Udara

Cairan

Gambar 2.6 susunan sistem termoelektrik

Kelebihan Pendingin termoelektrik (thermoelectric cooler) antara lain
ketahanan alat yang baik, tidak menimbulkan suara, tidak adanya bagian
mekanikal yang bergerak sehingga tidak menimbulkan getaran, perawatan yang
mudah, ukuran yang kecil, ringan, ramah terhadap lingkungan karena tidak
menggunakan refrigeran yang dapat merusak ozon, termoelektrik dapat juga
digunakan pada lingkungan yang sensitif, tidak adanya ketergantungan terhadap
posisi peletakan, ketelian kontrol temperatur ±0.1oC dapat dicapai dengan
menggunakan termoelektrik, dan cocok digunakan pada aplikasi kotak pendingin
dibawah 25 Watt.

16
Universitas Sumatera Utara

Sedangkan kelemahan thermoelektrik adalah efisiensi yang rendah dan
adanya kondensasi pada suhu tertentu. Sehingga sampai saat ini pendingin
termoelektrik hanya efektif pada aplikasi untuk objek pendinginan dan daya yang
kecil.

2.9Kalor jenis

Jika kalor diberikan pada suatu benda,temperaturnya naik. Tetapi seberapa
besar temperatur naik? Pada abad ke delapan belas,orang-orang yang melakukan
percobaan ini telah melihat bahwa besar kalor Q yang dibutuhkan untuk merubah
temperatur zat tertentu sebanding dengan massa m zat tersebut dan dengan
perubahan temperatur ΔT , dinyatakan dalam persamaan:
Q = m.C.ΔT

(2.1)

Dimana c adalah besaran karakteristik dari zat tersebut, yang disebut kalor jenis.
Karena c = Q/ m. ΔT, kalor jenis dinyatakan dalam satuan J/KgC0. Untuk air pada
150 C dan tekanan konstan 1 atm, c = 1,00 kkal/KgC0 dari defenisi kal dan joule,
diperlukan 1 kkal kalor untuk menaikkan temperatur 1 kg air sebesar 10 C.

2.10 Hubungan antara kalor dengan energi listrik
Berdasarkan Hukum Kekekalan Energi bahwa energi tidak diciptakan dan
tidak dapat dimusnahkan. Energi hanya dapat diubah bentuknya. Seperti missal
energi listrik dapat berubah menjadi energi kalor. Contoh oven atau
microwave.Besarnya energi listrik yang diubah atau diserap sama dengan besar
kalor yang dihasilkan. Sehingga secara matematis dapat dirumuskan.
W=Q

(2.2)

Untuk menghitung energi listrik digunakan persamaan sebagai berikut :
W = P.t

(2.3)

Keterangan :

17
Universitas Sumatera Utara

W adalah energi listrik (J)
P adalah daya listrik (W)
t adalah waktu yang diperlukan (s)
Jika rumus kalor yang digunakan adalah Q = m.C.ΔT maka diperoleh persamaan ;
P.t = m.C. ΔT

(2.4)

2.11 Perpindahan panas

Perpindahan panas yang terjadi pada sistem pendingin termoelektrik
adalah dengan cara konduksi dan konveksi. Konduksi terjadi mulai dari heat sink
sisi dingin peltier, bracket/coldsink, dan heat sink pada sisi panas peltier.
Sedangkan konveksi terjadi pada udara dalam ruangan, lingkungan sekitar alat uji
dry box, dan udara sekitar sirip – sirip heat sink.

2.11.1 Perpindahan panas konduksi

Perpindahan panas yang terjadi secara konduksi berarti perpindahan panas
tanpa diikuti oleh perpindahan molekul benda tersebut. Konduksi juga dapat
dikatakan sebagai transfer energi dari sebuah benda yang memiliki energi yang
cukup besar menuju ke benda yang memiliki energi yang rendah. Persamaan yang
digunakan untuk perpindahan panas konduksi dikenal dengan hukum Fourier.

Nilai minus (-)

� = −�. �

�1 −�2
∆�

(2.5)

dalam persamaan di atas menunjukkan bahwa panas selalu

perpindahan ke arah temperatur yang lebih rendah.

Jika suatu benda padat di susun berlapis dari material yang berbeda, maka
untuk mengetahui nilai perpindahan panas yang terjadi dapat digunakan
pendekatan sistem resistansi listrik. Besarnya tahanan termal yang terjadi adalah
perbandingan selisih suhu di antara kedua permukaan (T1-T2) dengan laju aliran
18
Universitas Sumatera Utara

panas q (J/s). Untuk mencari nilai tahanan termal dari suatu material padatan
digunakan persamaan :
�� =

�1 −�2
�

∆�

�

(2.6)

= �.� = �.�

q

= energi panas (W)

k

= konduktivitas termal (W/m.0C)

A

= luas permukaan (m2)

∆x

= tebal penampang permukaan (m)

T1

= temperatur yang lebih tinggi (0C)

T2

= temperatur yang lebih rendah (0C)

2.11.2 Perpindahan panas konveksi

Perpindahan panas yang terjadi secara konveksi adalah perpindahan panas
yang disertai gerakan molekul benda tersebut. Gerakan inilah yang menyebabkan
adanya transfer panas. Misalkan pada pemanasan air, terlihat pada molekul air
yang panas akan bergerak naik ke atas, sedangkan molekul air yang lebih dingin
akan turun ke bawah, karena masa jenisnya lebih besar.Konveksi sendiri dapat
dibagi menjadi dua, yaitu konveksi bebas (alami) dan konveksi paksa. Konveksi
alami terjadi apabila pergerakan fluida di karenakan daya apung akibat perbedaan
densitas/kerapatan fluida tersebut.

Perbedaan kerapatan itu sendiri bisa terjadi karena adanya perbedaan
temperatur akibat proses pemanasan. Sedangkan pada konveksi paksa pergerakan
fluida terjadi akibat gaya luar seperti kipas (fan) atau pompa.
Pada perpindahan panas konveksi berlaku hukum pendinginan newton, yaitu :
����� = h . A ( �� - �∞ )
qconv

= energi panas konveksi (W)

h

= koefisien perpindahan panas konveksi (W/m2.0C)

A

= luas area permukaan (m2)

Ts

= tmperatur permukaan ( 0C)

(2.7)

19
Universitas Sumatera Utara

2.12 Heatsink

Heatsink adalah material yang dapat menyerap dan mendisipasi panas dari
suatu tempat yang bersentuhan dengan sumber panas dan membuangnya
seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.7. Teknologi pendingin ini ditemukan
oleh Daniel

L Thomas pada tahun 1982. Heatsink dapat diaplikasikan pada

beberapa jenis pendingin sehingga performa dari heatsink sendiri berbeda-beda
tergantung pada tambahan pendingin yang menyertainya.

Heat sink dapat digunakan tanpa penambahan peragkat pendingin lain
seperti kipas dan air atau disebut dengan pasif cooling, pengunaan pasif cooling
banyak diaplikasikan pada chipset mainboard, VGA, PWM dan chiset memory.
Heatsink digunakan pada beberapa teknologi pendingin seperti refrijerasi, air
conditioning, dan radiator pada mobil.

Gambar 2.7Jenis heatsink

Sebuah heatsink dirancang untuk meningkatkan luas kontak permukaan
dengan fluida

disekitarnya, seperti udara. Kecepatan udara pada lingkungan

sekitar, pemilihan material, desain sirip (atau bentuk lainnya) dan surface
treatment adalah beberapa faktor yang mempengaruhi tahanan thermal dari
heatsink. Thermal adhesive (juga dikenal dengan thermal grease) ditambahkan
pada dasar permukaan heatsink agar tidak ada udara yang terjebak di antara
heatsink dengan bagian yang akan diserap panasnya.

20
Universitas Sumatera Utara

Ada beberapa karakteristik heatsink :
1. Luas area heatsink akan menyebabkan dispasi panas menjadi lebih baik
karena akan memperluas area pendinginan yang dapat mempercepat proses
pendinginan yang dapat mempercepat proses pembuangan panas yang
diserap oleh heatsink.
2. Bentuk aerodinamik yang baik dapat mempermudah aliran udara panas agar
cepat dikeluarkan melalui sirip-sirip pendingin. Khususnya pada heatsink
dengan jumlah sirip banyak tetapi dengan jarak antara sirip berdekatan akan
membuat aliran udara tidak sempurna sehingga perlu ditambahkan sebuah
kipas untuk memperlancar aliran udara pada jenis heatsink tersebut.
3. Transfer panas yang baik pada setiap heatsink juga akan mempermudah
pelepasan panas dari sumber panas ke bagian sirip-sirip pendingin. Desain
sirip yang tipis memiliki konduktivitas yang lebih baik.
4.

Desain permukaan dasar heatsink sampai pada tingkat kedataran yang tinggi
sehingga dapat menyentuh permukaan sumber panas lebih baik dan merata.
Hal ini dapat menyebabkan penyerapan panas lebih baik,tetapi untuk
menghindari resistansi dengan sumber panas heatsink tetap harus
menggunakan suatu pasta atau thermal compound agar permukaan sentuh
juga lebih merata.

Karena heatsink terdiri dari plat dasar dan sejumlah sirip,maka daya total
yang mampu diserap heatsink dinyatakan dengan rumus :
P = h [ N.η Aƒ + (At – N. Aƒ )] ΔT

(2.8)

Dengan:
At = luas heatsink
A.ƒ = luas permukaan tiap sirip
N = jumlah sirip
ΔT = beda suhu dasar dan lingkungan
h = koefisien konveksi
η = efisiensi sirip

21
Universitas Sumatera Utara

2.13 Coldsink

Coldsink menggunakan mekanisme yang sama dengan

heatsink

namun yang membedakan seperti dalam penamaannya adalah bila heatsink
berfungsi untuk memindahkan panas dari

permukaan

benda

yang

ingin

didinginkan, maka coldsink berfungsi sebaliknya yaitu coldsink digunakan untuk
memindahkan dingin (temperatur yang lebih rendah) dari sisi dingin Peltier untuk
mendinginkan udara dalam kulkas, seperti Gambar 2.8.

.
Gambar 2.8 coldsink aluminium

2.14 Sensor suhu

Sensor Suhu atau Temperature Sensors 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 perubahanperubahan suhu tersebut dalam bentuk output Analog maupun Digital. Sensor
Suhu juga merupakan dari keluarga Transduser.

Material logam apabila panasnya meningkat akan menyebabkan meningkat
pula besar hambatannya terhadap arus listrik. Logam bisa juga dibilang sebagai
muatan positif yang ada di didalam elektron, dimana elektron ini dapat bergerak
bebas. Bila suhu meningkat elektron-elektronnya menjadi bergetar, terus
getarannya semakin bertambah besar sejalan dgn bertambahnya suhu yang ada.

22
Universitas Sumatera Utara

Dalam kondisi besarnya getaran itu, membuat logam memiliki nilai hambatan
yang bertambah karena gerakan elektron yang terhambat.

Bahan semikonduktor memiliki sifat yang sebaliknya atas logam, yaitu nilai
hambatannya akan terus turun bila suhu bertambah besar. Kondisi ini disebabkan
oleh karena keadaan yang lebih tinggi suhunya menyebabkan elektron dari
material ini jadi pindah ketingkatan yang teratas dan membuatnya bisa bebas
bergerak. Dengan terus terjadinya pertambahan suhu, maka semakin bertambah
juga elektron dari semikonduktor ini yang bebas bergerak dan akibatnya adalah
nilai hambatan akan terus berkurang.

2.14.1 Sensor LM35

Sensor suhu LM35 adalah komponen elektronika yang memiliki fungsi
untuk mengubah besaran suhu menjadi besaran listrik dalam bentuk tegangan.
Sensor Suhu LM35 yang dipakai dalam penelitian ini berupa komponen
elektronika elektronika yang diproduksi oleh NationalSemiconductor. LM35
memiliki keakuratan tinggi dan kemudahan perancangan jika dibandingkan
dengan sensor suhu yang lain, LM35 juga mempunyai keluaran impedansi yang
rendah dan linieritas yang tinggi sehingga dapat dengan mudah dihubungkan
dengan rangkaian kendali khusus serta tidak memerlukan penyetelan lanjutan.

Meskipun tegangan sensor ini dapat mencapai 30 volt akan tetapi yang
diberikan kesensor adalah sebesar 5 volt, sehingga dapat digunakan dengan catu
daya tunggal dengan ketentuan bahwa LM35 hanya membutuhkan arus sebesar 60
µA hal ini berarti LM35 mempunyai kemampuan menghasilkan panas (selfheating) dari sensor yang dapat menyebabkan kesalahan pembacaan yang rendah
yaitu kurang dari 0,5 ºC pada suhu 25 ºC .

23
Universitas Sumatera Utara

2.14.2. Struktur Sensor LM35

Gambar 2.9Sensor Suhu LM35

Gambar 2.9 menunjukan bentuk dari LM35 tampak depan dan tampak
bawah. 3 pin LM35 menujukan fungsi masing-masing pin diantaranya, pin 1
berfungsi sebagai sumber tegangan kerja dari LM35, pin 2 atau tengah digunakan
sebagai tegangan keluaran atau Vout dengan jangkauan kerja dari 0 Volt sampai
dengan 1,5 Volt dengan tegangan operasi sensor LM35 yang dapat digunakan
antar 4 Volt sampai 30 Volt. Keluaran sensor ini akan naik sebesar 10 mV setiap
derajad celcius sehingga diperoleh persamaan sebagai berikut :
VLM35 = Suhu* 10 mV

Gambar 2.10 Rangkaian dasar sensor suhu LM35-DZ

Gambar 2.10 Rangkaian ini sangat sederhana dan praktis. Vout adalah
tegangan keluaran sensor yang terskala linear terhadap suhu terukur, yakni10

24
Universitas Sumatera Utara

milivolt per 1 derajad celcius. Jadi jika Vout = 530mV, maka suhu terukur
adalah 53 derajad Celcius.Dan jika Vout = 320mV, maka suhu terukur adalah 32
derajad Celcius. Tegangan keluaran ini bisa langsung diumpankan sebagai
masukan ke rangkaian pengkondisi sinyal seperti rangkaian penguat operasional
dan rangkaian filter, atau rangkaian lain seperti rangkaian pembanding tegangan
dan rangkaian Analog-to-Digital Converter.

Rangkaian dasar tersebut cukup untuk sekedar bereksperimen atau untuk
aplikasi yang tidak memerlukan akurasi pengukuran yang sempurna. Akan tetapi
tidak untuk aplikasi yang sesungguhnya. Terbukti dari eksperimen yang telah saya
lakukan, tegangan keluaran sensor belumlah stabil. Pada kondisi suhu yang
relatif sama, jika tegangan suplai saya ubah-ubah (saya naikkan atau turunkan),
maka Vout juga ikut berubah. Memang secara logika hal ini sepertinya benar, tapi
untuk instrumentasi hal ini tidaklah diperkenankan. Dibandingkan dengan tingkat
kepresisian, maka tingkat akurasi alat ukur lebih utama karena alat ukur
seyogyanya dapat dijadikan patokan bagi penggunanya. Jika nilainya berubahubah untuk kondisi yang relatif tidak ada perubahan, maka alat ukur yang
demikian ini tidak dapat digunakan.

2.14.3Prinsip Kerja Sensor LM35

Secara prinsip sensor akan melakukan penginderaan pada saat perubahan
suhu setiap suhu 1 ºC akan menunjukan tegangan sebesar 10 mV. Pada
penempatannya LM35 dapat ditempelkan dengan perekat atau dapat pula disemen
pada permukaan akan tetapi suhunya akan sedikit berkurang sekitar 0,01 ºC
karena terserap pada suhu permukaan tersebut. Dengan cara seperti ini diharapkan
selisih antara suhu udara dan suhu permukaan dapat dideteksi oleh sensor LM35
sama dengan suhu disekitarnya, jika suhu udara disekitarnya jauh lebih tinggi atau
jauh lebih rendah dari suhu permukaan, maka LM35 berada pada suhu permukaan
dan suhu udara disekitarnya .

25
Universitas Sumatera Utara

Jarak yang jauh diperlukan penghubung yang tidak terpengaruh oleh
interferensi dari luar, dengan demikian digunakan kabel selubung yang ditanahkan
sehingga dapat bertindak sebagai suatu antenna penerima dan simpangan
didalamnya, juga dapat bertindak sebagai perata arus yang mengkoreksi pada
kasus yang sedemikian, dengan mengunakan metode bypass kapasitor dari Vin
untuk ditanahkan.
Maka dapat disimpulkan prinsip kerja sensor LM35 sebagai berikut:
1. Suhu lingkungan di deteksi menggunakan bagian IC yang peka terhadap
suhu
2. Suhu lingkungan ini diubah menjadi tegangan listrik oleh rangkaian di
dalam IC, dimana perubahan suhu berbanding lurus dengan perubahan
tegangan output.
3. Pada seri LM35
Vout=10 mV/oC
Tiap perubahan 1oC akan menghasilkan perubahan tegangan output
sebesar 10mV

2.15Rangkaian RS 232

RS-232 adalah standard komunikasi serial antar periperal-periperal, biasa
juga disebut dengan jalur I/O ( input / output ),dalam sistem ini RS232 berfungsi
untuk mengirim data hasil pengukuran ke PC.
Karakteristik RS 232 adalah sebagai berikut:
1. Sebuah ‘spasi’ (logika 0) antara tegangan +3 s/d +25 volt.
2. Sebuah ‘tanda’ (logika 1) antara tegangan -3 s/d -25 volt.
3. Daerah tegangan antara +3 s/d -3 volt tidak didefenisikan.
4. Tegangan rangkaian terbuka tidak boleh lebih dari 25 volt (dengan
acuan ground).

26
Universitas Sumatera Utara

5. Arus hubung singkat rangkaian tidak boleh lebih dari 500 mA.

Daerah tegangan antara -3 volt sampai + 3 volt tidak memiliki level logika
yang pasati sehingga harus dihindari. Sama halnya dengan level lebih dari negatif
-25 dan + 25 juga tidak memiliki level logika. RS232 memiliki dua charge–pump
internal yang berfungsi untuk mengkonversi tegangan +5V menjadi ±10V (tanpa
beban) untuk operasi driver RS232. Konverter pertama menggunakan kapasitor
C1 untuk menggandakan input +5V menjadi +10V saat C3 berada pada output
V+. Konverter kedua menggunakan kapasitor C2 untuk merubah +10V menjadi 10V saat C4 berada pada output V-, seperti Gambar 2.11.

DB9
+5V
5
16

Port D

3 Tx

11

14

2 Rx

12

13

Rx D1
Tx D0

1
10uF

3

MAX 232

4
5

10uF

2

+5V
10uF

10uF
15

Gambar 2.11 Rangkaian RS232
Keterangan fungsi saluran pada RS-232 DB-9 :
1. Received Line Signal Detect, dengan saluran ini DCE memberitahukan ke
DTE bahwa pada terminal masukan ada data yang masuk.
2. Receive Data, digunakan DTE menerima data dari DCE.
3. Transmit Data, digunakan DTE mengirimkan data ke DCE.
4. Data Terminal Ready, pada saluran ini DTE memberitahukan kesiapan
terminalnya.
5. Signal Ground, saluran ground.
6. Ring Indicator, pada saluran ini DCE memberitahukan ke DTE bahwa
sebuah stasiun menghendaki hubungan dengannya.

27
Universitas Sumatera Utara

7. Clear To Sent, dengan saluran ini DCE memberitahukan bahwa DTE
diijinkan mulai mengirimkan data.
8. Request To Sent, dengan saluran ini DCE diminta mengirimkan data oleh
DTE.
9. DCE Ready, sinyal aktif pada saluran ini menunjukkan bahwa DCE sudah
siap.

2.16 Relay dan prinsip kerjanya

Relay adalah komponen elektronika berupa saklar elektronik yang
digerakkan oleh arus listrik. Secara prinsip, relay merupakan tuas saklar dengan
lilitan kawat pada batang besi(solenoid) di dekatnya.Ketika solenoid dialiri arus
listrik, tuas akan tertarik karena adanya gaya magnet yang terjadi pada solenoid
sehingga kontak saklar akan menutup. Pada saat arus dihentikan, gaya magnet
akan hilang, tuas akan kembali ke posisi semula dan kontak saklar kembali
terbuka.Relay biasanya digunakan untuk menggerakkan arus/tegangan yang besar
(misalnya peralatan listrik 15 ampere AC 220 V) dengan memakai arus/tegangan
yang kecil (misalnya 0.1 ampere 12 Volt DC). Relay yang paling sederhana ialah
relay elektromekanis yang memberikan pergerakan mekanis saat mendapatkan
energi listrik.

Relay terdiri dari coil & contact ,coil adalah gulungan kawat yang mendapat
arus listrik, sedang contactadalah sejenis saklar yang pergerakannya tergantung
dari ada tidaknya arus listrik dicoil. Contact ada 2 jenis : normally open (kondisi
awal sebelum diaktifkan open), dan normally closed (kondisi awal sebelum
diaktifkan close), seperti Gambar 2.12.

28
Universitas Sumatera Utara

Gambar 2.12 Bentuk dan simbol Relay

29
Universitas Sumatera Utara