Ringkasan Tugas Akhir/Skripsi. Nama, NPM : Syifa Latifah Oktarisa, : Sistem Thermoelectric Cooler (TEC) Berbasis Mikrokontroler

Transkripsi

1 1 Ringkasan Tugas Akhir/Skripsi Nama, NPM : Syifa Latifah Oktarisa, Pembimbing Judul(Indonesia) Judul(Inggris) : Dr. Prawito : Sistem Thermoelectric Cooler (TEC) Berbasis Mikrokontroler : Thermoelectric Cooler (TEC) System Based on Microcontroller ABSTRAK Ukuran sistem pendingin konvensional yang besar membuat pendingin tersebut kurang fleksibel. Selain itu, pendingin konvensional yang menggunakan freon menjadi tidak ramah lingkungan karena akan menghasilkan gas buang berupa CFC. Oleh karena itu sistem pendingin Thermoelectic atau Thermoelectric Cooler (TEC) mulai dikembangkan karena relatif lebih praktis dan ramah lingkungan. Dengan menggunakan prinsip efek Peltier, suhu TEC dapat diatur seperti pendingin pada umumnya. Sel peltier merupakan alat yang digunakan sebagai pendingin termoelektrik. Pada penelitian ini suhu TEC diatur dengan mengendalikan besar tegangan sel peltier menggunakan PWM. Sistem TEC ini dibuat sebagai closed-loop control dengan sensor suhu DS18B20 sebagai feedback nya. Teknik kendali yang dibuat untuk sistem TEC ini menggunakan kendali On-Off serta PID. Metode tuning PID yang digunakan adalah Ziegler-Nichols, IMC, dan ITAE. Input set point (SP) dari metode-metode tersebut adalah suhu yang diinginkan. Dari keempat metode tersebut, metode On-Off paling cepat mencapai nilai set point yang diberikan sebesar 16 o C sedangkan untuk metode PID tuning IMC menghasilkan pengendalian yang lebih cepat diantara yang lainnya yaitu tercapai dalam waktu 830 s. Kata kunci: PID, PWM, Sel Peltier, Temperatur, Teknik Kendali ABSTRACT The size of large conventional cooling system makes the system becomes less flexible. In addition, the convent cooler which uses Freon as coolant is not eco-friendly because it will produce exhaust gases CFCs. Therefore Thermoelectric cooling system as known as Thermoelectric Cooler or (TEC) has been developed because it is relatively more practical and eco-friendly. By using the principle of the Peltier effect, the temperature of TEC can be set as the others cooling system. Peltier cell is thermoelectric device which is used as cooler. In this study, the TEC temperature set by controlling the voltage of Peltier cell using PWM. TEC system was created as a closed-loop control with a temperature sensor DS18B20 as its feedback. Control techniques are applied for this cooler are On-Off and PID. PID tuning methods that are used are the Ziegler-Nichols, IMC, and ITAE. Input set

2 2 point (SP) of these methods is the desired temperature. From all of the methods, On-Off method is most quickly reaches set point value that is given at 16 C. Meanwhile for tuning PID method the IMC produces a more rapid control among others, it reaches set point value in 830 second. Key words: Control, PID, PWM, Peltier cell, Temperature.

3 3 1. Pendahuluan Penemuan fenomena thermoelectric atau yang biasa disebut dengan efek thermoelectric sudah lebih dari dari 150 tahun yang lalu, namun penggunaannya sebagai perangkat pendingin belum lama ini dikembangkan secara komersil dan banyak digunakan untuk berbagai aplikasi.dengan penemuan efek ini mendorong berbagai penemuan yang penerapannya aplikatif dibanyak bidang. Salah satunya adalah pendingin thermoelectric atau yang biasa disebut Thermoelectric Cooler (TEC).TEC merupakan salah satu sistem pendingin yang dapat digunakan untuk mendinginkan benda atau ruangan yang biasanya berukuran kecil. TEC modul terdiri dari dua sisi yang terbuat dari material thermoelectric. TEC ini memiliki keunggulan dibandingkan dengan pendingin yang menggunakan kompresor diantaranya ukurannya yang lebih kecil dan fleksibel sehingga memungkinkan untuk digunkan pada objek yang kecil. Selain itu TEC bebas CFC sehingga pendingin ini lebih ramah lingkungan dibandingkan pendingin konvensional yang menghasilkan gas CFC. Dengan memanfaatkan teknologi TEC sistem pendingin yang kecil, fleksibel dan ramah lingkungan dapat diciptakan. Pada penelitian ini akan dibuat sistem thermoelectric cooler (TEC) yang berbasis mikrokontorler. Sistem TEC yang dibuat mampu mengotrol arus pada modul thermoelectric sehingga suhu dapat dikendalikan. Kendali yang dilakukan pada sistem ini menggunakan berbagai metode diantaranya metode On-Off dan PID. Untuk metode tunning PID digunakan 3 jenis metode yang berbeda yaitu Ziegler- Nichols, Internal Model Control (IMC), dan ITAE. Proses kendali yang dilakukan terdapat pada mikrokontroler. Dengan menggunakan empat metode yang berbeda ini maka dapat dibandingkan efektivitas dari sistem pendinginan yang berbeda tergantung dari metode pengendalian yang digunakan. 2. Sistem Thermoelectric Cooler (TEC) Konsep dasar dari sel peltier yaitu efek Seebeck dan efek Peltier, dimanasel Peltier ini merupakan bahan semikonduktor yang bertipe-p

4 4 dan tipe-n. Bahan semikonduktor yang berbeda tipe ini sekan bertindak sebagai dua jenis konduktor yang berbeda. Thermoelectric pabrikan atau yang biasa disebut sel peltier, biasanya menggunakan bahan semikonduktor pada umumnya Bismuth Telluride. Elemen semikonduktor ini disolder diantara dua plat keramik seri secara elektrik dan paralel dalam thermal seperti pada gambar 1. Gambar 1 Bagian dalam Sel Peltier Sel peltier merupakan salah satu piranti yang beroperasi menggunakan prinsip thermoelctric. Saat ada arus yang mengalir, arus membawa panas dari sisi satu ke sisi yang lainnya. Jadi satu sisi akan mendingin dan sisi lainnya akan menjadi lebih panas. Terdapat tiga efek utama pada modul termoelektrik yaitu: Efek Seebeck, Efek Peltier, dan Efek Thomson. Untuk aplikasi pendingin dengan termoelektrik efek utama yang terjadi adalah Efek Peltier. Pada proses pendinginan, terdapat peristiwa Efek Peltier yang digambarkan dengan persamaan 1. α! α!!!! (1) Sel peltier digunakan sebagai heat pump. Arah perpindahan kalor dapat diubah dengan cara mengubah polaritas dari arus DC yang diberikan. Agar suhu dari TEC dapat diatur maka diperlukan sebuah sistem yang dapat mengontrol tegangan atau arus yang masuk ke TEC. Sistem pendingin termoelektrik yang dibuat menjadi sebuah sistem closed-loop yang dikontrol melalui mikrokontoler dan rangkaian sensor suhu sebagai feedback dari sistem closed-loop ini seperti pada gambar 2.

5 5 PC SV Temperature Micro controller TEC Current TEC Driver TEC Temperature Display Temperature Sensor Gambar 2 Blok Diagram Sistem Kontrol TEC Set point berupa nilai temperatur yang inginkan diberikan melalui perangkat input. Nilai ini kemudian dibandingkan dengan nilai dari sensor suhu yang digunakan sehingga menghasilkan nilai eror. Nilai eror ini yang akan diproses oleh mirkokontroler dengan kontrol PID. Jika diberikan besar arus tertentu akan terjadi beda temperatur pada kedua sisi keramiknya. Sisi dingin pada TEC akan mengubah suhu sekitar. Pada TEC diberikan sensor suhu untuk memantau suhu apakah sudah sesuai dengan set point. Nilai dari temperatur TEC akan ditampilkan pada display. PID kontroler pada diagram tersebut bekerja sebagai blok kontrol yang masing-masing komponen P, I dan D memberikan aksi yang berbeda pada koreksi nilai eror. Kontrol proporsional menghasilkanaksi control yang sebanding dengan sinyal eror yang merupakan perbedaan antara set-point dan sinyal yang sebenarnya. Kontrol integral dari eror mengkompensasi setiap offset yang tetap dari nilai set-point. Kontrol Derivatif berguna untuk meredam respon osilasi agar lebih cepat mecapai kondisi kestabilan pada outputnya. 3. Perancangan Mekanik dan Elektrik Sistem TEC Sistem pengendalian TEC yang digunakan adalah sistem closed-loop, dengan sensor suhu sebagai feedback pada sistem.sensor suhu DS18B20 yang digunakan untuk mengetahui temperatur pada kotak alumunium dan temperatur pada heatsink yang menempel di sisi panas. Nilai suhu tersebut akan ditampilkan pada LCD. Nilai suhu yang diinginkan merupakan nilai set point pada sistem ini. Set poitn di input dengan menggunakan LabVIEW. Perbandingan nilai set point dengan feedbackakan mengahsilkan nilai eror. Eror inilah yang akan di proses

6 6 menggunakan mikrokontoler ATMEGA 32. Mikrokontoler akan mengkonversi nilai tersebut sebagai nilai yang akan diproses dengan perhitungan PID. Hasil perhitungan tersebut akan mengatur output PWM dari mikrokontroler. Dengan mengatur PWM maka akan dapat mengatur driver yang digunakan untuk mengatur arus yang masuk ke sel peltier. Agar mengetahui besarnya arus yang masuk ke peltier, digunakan sensor arus ACS 712. Semua data temperatur, data arus akan dikirim ke PC melalui komunkasi serial, port USB, sehingga hasilnya dapat diakuisisi. Gambar 3 Blok Diagram Sistem Secara Keseluruhan Gambar 4 Rancangan Mekankik dan Elektrik Sistem Pendingin TEC Pada sistem ini menggunakan sel peltier sebagai objek yang akan diatur arus input nya, sel peltier memiliki dua sisi permukaan yang berbeda yaitu sisi panas dan sisi dingin. Sel peltier ini akan difungsikan sebagai TEC

7 7 dengan menggunkan sisi dinginnya. Sisi dingin sel peltier tersebut akan ditempel pada sebuah kotak alumunium yang terisolasi dari suhu luar sehingga suhu didalam kotak akan mengalami penurunan. Sehingga sel peltier ini dapat digunakan sebagai pendingin. Suhu dalam kotak dapat diatur dengan memvariasikan arus input pada sel peltier. Sisi panas peltier ditempel pada heatsink yang tersambung dengan fan. 4. Alur Program Mikrokontroler dan LabVIEW

8 8 START Inisialisasi Program NO Tampilkan ke LCD Baca dari Sensor Suhu (PV) NO Input Labview: suhu (SP) YES Cek Nilai SP Jika PV < SP YES Bandingkan nilai eror = PV SP, hitung MV Kirim nilai MV ke OCR1A Ouput PWM pada pin D5 Baca Sensor arus END Gambar 5 Diagram Alur Pemrograman Mikrokontroler Pada pemrograman mikrokotroler digunakan software CV AVR. Pertama program akan melakukan inisialisasi dengan mengaktifkan fitur mikrokontorler yangbakan digunakan seperti ADC, 1-Wire, port-port input dan output. Selanjutnya program akan terlebih dahulu menampilkan melalui LCD suhu yang terukur oleh sensor suhu DS18B20 sebagai nilai awal (PV). Lalu program akan mengunggu sampai adanya input set point (SP) berupa nilai temperatur yang diingikan melalui LabView dengan menggunakan VISA write. Setelah itu nilai setpoint akan dibandingkan

9 9 dengan nilai yg terukur oleh sensor dan menghasilkan nilai eror. Dengan perhitungan PID didapatkan nilai Mv dari nilai eror tersebut. Nilai MV akan dikirim ke OCR1A yang merupakan output PWM dari mikrokontroler. Lalu terakhir mikrokontroler akan membaca input yang diberikan oleh sensor arus melalui ADC0. START Inisialisasi Program Pilih Device (COM) NO Baca Data Tc, I, dan PWM YES START NO Konversi dan Pemrosesan Data Display Grafik Tc1, Tc2, SP vs Waktu STOP YES END Simpan Data Gambar 6 Diagram Alur Pemrograman LabVIEW Perintah pertama yaitu start untuk memulai program kemudian masuk pada tahap inisialisasi program. Untuk dapat menghubungkan software LabVIEW dengan hardware mikrokontroler pemilihan device melalui port (COM) pada LabVIEW. Data yang dikirim dari mikrokontroler berupa data ADC yang akan memberikan informasi data arus I pada peltier dan data 1-Wire yang akan memberikan data temperatur T c1 dan T c2. T c1 merupakan suhu udara

10 10 dalam kotak sedangkan T c2 merupakan suhu pada alumunium pejal yang menempel pada peltier. Setelah itu dilakukan konversi dan pengolahan pada data-data tersebut sehingga dapat ditampilkan dalam format tertentu. Saat program dihentikan maka data tersebut akan langsung tersimpan. 5. Hasil dan Analisis Pada penelitian ini dilakukan tahap-tahap pengambilan data dari mulai data kalibrasi instrumen yang digunakan, data karakteristis sistem, serta data hasil pengendalian dengan menggunakan metode yang berbeda. Untuk membuat kendali dari sebuah sistem terlebih dahulu perlu diketahui respon dari sistem tersebut. Pada gambar 9 merupakan grafik hasil pengendalian on-off yang digunakan untuk mengetahui respon sistem karena dengan demikian seolah-olah fungsi step diberikan pada sistem. Respon sistem dapat diketahui dengan menentukan nilai τ dan θ. Model yang digunakan untuk mengetahui karakteristik dinamik dari sistem ini adalah FOPTD (first-order plus time-delay). FOPTD merupakan sebuah teknik atau model yang digunakan unutk mendesain sebuah proses kontrol. Pada gambar 7 terdapat garis vertikal hitam pertama yang menunjukan batas untuk nilai time delay atau θ. Nilai yang diperoleh dari grafik yaitu 20 s. Selanjutnya untuk memperoleh nilai dari time constant atau τ dilakukan dengan cara mentukan nilai 0,63 atau 63% dari nilai set point (garis horizontal hijau). Nilai tesebut terletak pada 18,5 o C yaitu garis horizontal merah lalu dari titik tersebut ditarik garis lurus yang melewati garis time delay sampai set point. Nilai time constant yang diperoleh adalah 480 s. Sistem ini memiliki respon yang lambat terhadap perubahan set point.

11 11 Gambar 7 Grafik untuk Menentukan Nilai τ dan θ Setelah mendapatkan respon sistem, konstanta P, I dan D dapat dihitung dengan menggunakan persamaan yang terdapat pada tabel 1. Untuk setiap metode digunakan persaaan yang berbeda pula. Dari perhitungan hasil tuning PID didapatkan konstanta P, I dan D yang digunakan dalam penelitian ini seperti yang terdapat pada tabel 2. Konstanta tersebut lalu digunakan untuk perhitungan PID di dalam program mikrokontroler. Tabel 1 Persamaan yang Digunakan untuk Tuning PID

12 12 Tabel 2 Konstanta PID yang Didapatkan dari Perhitungan Konstanta Metode Ziegler- Nichols IMC ITAE P I D Pada gambar 8 menunjukan perbandingan hasil kendali dengan menggunakan metode berbeda dengan begitu dapat diketahui metode mana yang paling cepat mencapai set point. Dalam pengambilan data, sistem memiliki suhu awal yang sama yaitu 22,75 o C dan set point yang sama yaitu 16 o C. Keempat garis vertikal menunjukan lama waktu yang diperlukan untuk mencapai nilai set point. Jika diperhatikan pada gambar, semua garis grafik menunjukan respon yang sama pada nilai awal, yaitu belum terdapat perubahan suhu pada 20 detik pertama. Hal ini karena selama waktu tersebut masih masuk ke dalam time delay sistem. Perubahan suhu awal yang terjadi paling cepat terjadi pada metode IMC dibandingkan dengan hasil kendali PID lainnya.dari hasil yang didapatkan kendali On-Off lebih cepat mencapai nilai set point untuk sistem ini karena mencapi set point dengan waktu yang lebih cepat.

13 Temperatur (C) On- Off Zinger Nichole IMC ITAE Set Point Waktu (s) Gambar 8 Grafik Perbandingan Hasil Kendali Keempat Metode Jika dibandingkan terdapat kesesuaian antara grafik perubahan nilai PWM dengan grafik hasil kendali. Perubahan nilai PWM akan menentukan output driver yang diberikan dan mempengaruhi perubahan suhu sistem. Dari gambar grafik 9 dapat terlihat bahwa perubahan nilai PWM yang dihasilkan oleh metode IMC hampir sama dengan kendali On-Off yang hanya memiliki satu nilai saja yaitu Hasil kendali PID dengan metode IMC memiliki respon tercepat hal ini dikarenakan perubahan nilai PWM nya yang hampir sama dengan kendali On-Off.

14 14 Waktu vs PWM Nilai PWM on- off ZN IMC ITAE Waktu (s) Gambar 9 Grafik Perbandingan Perubahan Nilai PWM Keempat Metode Sel peltier akan mendinginkan balok serta udara yang ada didalam ruangan dengan cara memindahkan sejumlah kalor tertentu. Untuk mengetahui berapa besar kalor yang dipindahkan maka digunakan persamaan 2 5 serta parameter-parameter yang digunakan seperti yang terdapat pada tabel 3. Dari keempat metode tersebut dapat diketahui metode yang paling efisien dengan menggunakan persamaan untuk mencari efisiensi dari daya input yang diberikan terhadap daya output.! =!!! (2)!!"# =!! (3)!!" =!! (4)! =!!"#!!" 100% (5) Dari perhitungan yang telah dilakukan dapat dilihat pada tabel 4 bahwa metode yang paling efisien yaitu metode on-off degan efisiensi sebesar 12%. Hal ini dikarenakan waktu yang digunakan untuk pendinginan lebih singkat yang akan mempengaruhi hasil daya ouput yang dihasilkan akan semakin besar. Berarti sejumlah kalor yang lebih besar dipindahkan dalam waktu yang realtif lebih cepat dibandingkan dengan metode lain walaupun dengan memberikan daya input yang lebih besar.

15 15 Tabel 3 Nilai Parameter yang Didapatkan untuk Menghitung Efisiensi Parameter Nilai Satuan V balok m 3 V ruang m 3 c udara c alumunium 1005 J/Kg o C 900 J/Kg o C! alumunium 2700 Kg/m 3! udara 1.2 Kg/m 3 T awal 22 o C Tabel 4 Perbandingan Efisiensi untuk Keempat Metode Metode Vaverage I (A) T1 (C) T2 (C) Pin (W) Q1 (J) Q2 (J) t(s) Pout (W) efisiensi IMC % ITAE % ZN % On-Off % 6. Kesimpulan Berdasarkan hasil pengujian sistem dan data hasil penelitian sistemthermoelectric cooler, dapat ditarik kesimpulan: 1. Sistem pengendalian On-Off lebih baik dari pada PID pada sistem ini karena mencapai nilai set point dengan waktu yang lebih cepat yaitu pada 735 s atau 12,25 menit dan efisiensi yang paling besar yaitu 12%. 2. Untuk pengendalian dengam PID, metode IMC menghasilkan pengendalian yang paling baik diantara metode tuning lainnya. Metode IMC mencapai kestabilan pada waktu 830 s atau 13,8 menit dengan efisiensi pendinginan 10%.

16 16 3. Perubahan nilai PWM yang diberikan berpengaruh pada perubahan suhu pada respon kendali yang dilakukan. 7. DaftarAcuan [1] Fraden, Jacob. Handbook of Modern Sensors:Physics, Designs and Applications. New York: Springer, [2] Ardyansyah, Akit Tito. Rancang Bangun Sistem Pengukur Efesiensi Sel Peltier sebagai Thermoelectric Generator Berbasis Mikrokontroler FMIPA UI, [3] Liu, Gang, Can Li, Nan Shi. Thermoelectric Coolers Controller Design Made Simpler. Analog Technologies, Diakses pada 18 Desember 2013 pukul [4]Thermoelectric Coolers Basics Diakses pada 7 Februari 2013 pukul [5] Zhong, Daliang, Hong Qin, dkk. Thermal Performance of Heatsink and Thermoelectric Cooler Packaging Designs in LED. Faculty of Materials and Energy, Guangdong University of Technology, [6] ( ). Diakses pada 5 Maret 2014 pukul [7] Data Sheet. DS1820. Diakses 06 Maret 2014 (11.54 WIB) [8] Width-Modulation. Diakses pada 19 Ferbruari [9] Diakses pada 19 Ferbruari [10] Diakses pada 10 Maret [11] Diakses pada 10 maret [12] Dh, Shepta.Rancang Bangun Sistem Pengukur Efesiensi Sel Peltier Berbasis Mikrokontroler FMIPA UI, 2012.

17 17 [13] han%20panas.pdf [14] Seborg, Dale E. (1989). Process Dynamics And Control. John Wiley & Sons Inc [15] Allegro Microsystem. ACS712 Fully Integrated, Hall Effect-Based Linear Current Sensor IC with 2.1 kvrms Isolation and a Low-Resistance Current Conductor. LLC Northeast Cutoff Worcester, Massachusetts U.S.A