Pemanas dengan Sistem Pendeteksi Suhu Otomatisdan Pengaman Kebocoran Panas

Yulisdin M ukhlis I

Any K. Yapie 1

1,2 Jurusan Teknik E1ektro Universitas Gunadarma

2 yapie@staff.gunadarma.ac.id

Abstrak

Industri yang menggunakan pemanas listrik, membutuhkan perangkat yang dapat mengontrolsuhu agar mendapatkan suhu konstan. Selain itu, dibutuhkan juga pengontrol dan pendeteksi

panas di luar tungku, untuk mendeteksi kebocoran yang terjadi pada dinding penyekat. Halini akan diwujudkan pada suatu rancang bangun sistem pemanas dengan sistem pendeteksisuhu otomatis dan pengendali kebocoran panas dengan mempergunakan pemanas untuk aksikendali dua tingkat. Tingkat suhu yang ingin dicapai dapat diatur pada tingkat an tara tertentu

dan ditampilkan oleh 7-segmen 3 digit. Kinerja rangkaian melalui pendeteksi suhu akan men-gubah besaran suhu ke tegangan lalu diumpankan ke rangkaian pembanding. Selanjutnyarangkaian pembanding akan membandingkan tegangan masukan dengan tegangan acuan.Keluaran rangkaian pembanding akan diteruskan oleh rangkaian rele pada setiap tingkat

pengendalian. Rele yang telah bekerja akan menyambungkan atau memutus pemanas.

Kata kunci: pemanas listrik, pengontrol, pendeteksi, pembanding, rele

Electric Heater with Automatic Temperature Detectorand Heat Leakage Safety System

Abstract

Industry that use electric heater, requiresperipheral that can control temperature in orderto get constant temperature. In other hand, it also requires controller and heat detector out-side the stove, to detect leakage that happened on the wall insulat~r. This condition will bedeveloped at the design of heater system with automatic temperature detector and heat leak-age controller by utilizing heaterfor two-storey control action. Desired temperature can bearranged at certain level and presented by 3 digits of seven segment. Circuit performancepassed by temperature detector turns temperature quantity to voltage then pass through tocircuit comparator. Circuit comparator then compares input voltage with reference voltage.Circuit comparator output will be continued by a relay in each control level. Relay that hasworked willjoint or break stove.

Keywords: electric heater, controller, detector, comparator, relay

PENDAHULUAN Penggunaan pemanas da1am industritidak 1epasdari beberapa permasa1ahan.Salahsatunya, pemanas harus memiliki keteba1andinding standar agar suhu panas yang di-hasi1kanoleh pemanas tersebut tidak sampaidirasakan di 1uarpemanas (Naga, 1991).Se-lain itu perlu diperhatikan bahwa bahan yangdigunakan untuk membuat dinding tersebutharus kuat, supaya tidak mudah terjadi ke-

Banyak industri saat ini meman-faatkan kemajuanelektronika untuk prosesproduksinya. Akibatnya mereka tidak me-merlukan banyak karyawan untuk prosesproduksi tetsebut. Salah satu contoh ada1ahindustri yang membutuhkan pemanas (heat-er) da1amproses industrinya.

186 Jurnalllmiah Teknologi & Rekayasa, Volume15 No.3, Desember2010

boeoran. Apabila sampai terjadi keboeoran,akan menimbulkan efek yang eukup fatalseperti terganggunya sistem di luar pemanasatau bahkan dapat merusak sistem tersebut.Selain itu, pemanas juga tidak mampu untukmendapatkan suhu optimal yang telah diten-tukan sehingga proses industri tidak berjalandengan semestinya.

Berkaitan dengan permasalahan terse-but, dalam tulisan ini akan dibahas peranean-gan rangkaian elektronika yang dinamakan"Pemanas dengan Sistem Pendeteksi SuhuOtomatis dan Pengaman Keboeoran Panas".Rangkaian ini berfungsi untuk mendeteksidan menampilkan suhu di dalam pemanasdan juga di luar pemanas tersebut seearabergantian. Manfaatnya, keboeoran antarasekat pada dinding pemanas dapat dideteksidengan memantau perubahan suhu di keduaruangan.

Selain itu rangkaian pemanas inijugamampu mengaktifkan dirinya seeara otoma-tis apabila suhu yang dikehendaki berubah.Hal ini untuk mempertahankan kondisi ru-angan tersebut sehingga selalu memiliki suhuyang tetap. Apabila terjadi keboeoran padapenyekat dinding pemanas dan terjadi kenai-kan suhu meneapai nilai ambang yang telahditentukan di luar pemanas, maka seeara oto-matis pemanas listrik akan mati. Pada prin-sipnya, dengan pemanas ini perubahan suhudapat dikendalikan dan tidak mengangguatau merusak sistem di luarnya.

METODE PENELITIAN

Penelitian ini diawali dengan identi-fikasi kebutuhan terhadap sistem pemanaspada industri. Langkah penelitian berikut-nya adalah melakukan peraneangan terhadapsistem tersebut dengan pemilihan kompo-nenkomponen elektronika yang dapat me-menuhi kebutuhan. Pengujian dilaksanakanpada setiap bagian, untuk mendapatkan ki-nerja alat yang sesuai dengan yang diharap-kan.

PEMBAHASAN r

Perancangan Alat

Blok diagram pemanas dengan sistempendeteksi suhu otomatis dan pengaman ke-boeoran panas yang mempunyai tampilan 3digit diperlihatkan pada Gambar I. Blok eatudaya menggunakan trafo penurun tegangandihubungkan dengan rangkaian dioda padaeatu daya atau penyearah jembatan. Rang-kaian tersebut disebut penyearah jembatankarena menggunakan 4 dioda 1N400 1 (D1,D2, D3, D4) yang dibuat menjadi satu paket(Elektro Indonesia, 2005). Rangkaian jem-batan tersebut berfungsi sebagai penyearahdari masukan tegangan AC 0-12 V padatransformator sehingga keluaran dari rang-kaian penyearah tersebut akan menjadi 12V. Selanjutnya keluaran tegangan yang telahmelalui penye-arah jembatan tersebut akanmengisi muatan p'adakapasitor 1000 uF yangdipasang sejajar. Pada umumnya kapasitorberfungsi sebagai penyaring riak sinyal AC

I II I I I1-11-1.1-1

Gambar I. Blok Diagram

Mukhlis. Yapie. Pemanasan dengan", 187

Gambar 2. Rangkaian Pemanas dengan Sistem PendeteksiSuhu Otomatis dan Pengaman Kebocoran Panas

yang masih ada di dalam rangkaian DC. Arti-nya, semakin banyak menggunakan kapasitorsemakin baik (Soeparlan dan Yahdi, 1995).Rangkaian keseluruhan dari rancangan diper-lihatkan pada Gambar 2.

Setelah melalui kapasitor, teganganakan melalui IC6 7809 yang berfungsi se-bagai pengatur (regulator) tegangan untukuntuk mengubah keluaran tegangan menjadisebesar +9Y. Tegangan juga melalui IC7909yang berfungsi mengubah keluaran teganganmenjadi sebesar -9V. Kedua keluaran terse-but digunakan sebagai V+ dan V- pada IC741 (alldatasheet, 2009). Selain itu, keluarandari transformator sebesar 9V dihubungkandengan dua dioda 1N400 1 yang dipasangsejajar. Dioda berfungsi sebagai penyearahsinyal AC menjadi DC. Keluaran kemudiandisaring oleh kapasitor sebesar 1000uF un-tuk menyaring sinyal AC yang masih ada didalam rangkaian DC. Salah satu keluaran,sebesar 9V, digunakan pada IC723; dan ke-luaran yang lainnya dihubungkan dengan IC

pengatur tegangan IC7805 untuk menghasil-kan tegangan sebesar 5V. Tegangan sebesar5V ini yang nantinya digunakan pada bloktransduser IC LM35 qan blok penampil 7segmen.

Blok penampil menggunakan Pengu-bah Analog ke Digital (AID Converter) danmultiplekser IC CA3162E. Pengubah AIDberfungsi untuk merubah data analog yangmasuk pada pin 11menjadi data digital dalambentuk biner. Pada IC ini digunakan masukantinggi pada pin 11 dan masukan rendah padapin 10. Pin 10 dihubungkan dengan pentana-han (ground). Selain itu IC CA3162E jugaberfungsi sebagai multi-plekser, yaitu rang-kaian kombinasional yang menyeleksi infor-masi biner dari banyak saluran masukan danmengeluarkannya ke satu saluran keluaran.Penyeleksian saluran masukan dikendalikan

oleh saluran pemilih. Selain itu yang ber-fungsi sebagai dekoder adalah IC A316IE.Dekoder berfungsi untuk mengubah bilangandalam bentuk biner menjadi bentuk desimal

188'

Jurnalllmiah Teknologi & Rekayasa, Volume 15 No, 3, Desember 2010

yang nantinya ditampilkan pada penampil 7segmen(alldatasheet, 2009).

Blok pengatur tegangan (Voltage Reg-ulator)digunakan sebagai sensor dan saklaryang nantinya menentukan nilai te-ganganyang diinginkan. Pada rangkaian tersebut,tegangan yang dihasilkan berkisar 8 Volt.Rangkaian ini dihubungkan pada eatu dayadengantegangan 9V.IC 723 digu-nakan seb-agaipengatur tegangan. IC ini mampu meng-hasilkan arus sampai dengan 150 mA. Jikamenginginkanlebih dari itu, dapat ditambah-kan tahanan eksternal untuk mendapatkanarusyang diinginkan. Selain itu, IC723 mem-punyai kemampuan untuk menghasilkan te-gangan keluaran yang dapat diatur dari 2 Vsampai 37 V. Tegangan masukan maksimalmeneapai40 V dan dapat digunakan baik se-cara linier atau regulator switching. LM 723juga berguna untuk aplikasi yang membu-tuhkanberagam pengukuran, seperti pengen-dali suhu dan pengatur (alldatasheet, 2009).Tahanan Rl dan R2 dipasang sejajar yangterhubung pada pin 6 dan 5. Pin 6 berfungsisebagai tegangan aeuan (Vref) dan pin 5 ber-fungsi sebagai masukan tak membalik (non-inverting). Tegangan diberikan pada pin 12dan pin 11. Pin 7 dihubungkan dengan kon-disi rendah. Keluaran yang dihasilkan akanterlihat pada pin 10 yang terhubung denganpin 2. Pin 2 berfungsi sebagai pembatas arus(currentlimit).

Transduser merupakan perangkat yangmampu merubah besaran fisis menjadi suatubesaran listrik (Cooper, 1978).Blok transdus-er menggunakan dua IC LM35 yang meru-pakan sensor suhu. Perubahan suhu yangditerimaoleh LM35 sebagai transduser perta-ma akan diubah menjadi besaran listrik beru-pa tegangan yang kemudian akan diteruskanoleh pembanding (komparator). Teganganyang keluar dari LM35 masih dalam satuanVolt sedangkan penampil hanya mampu me-nampilkan dalam skala mili volt. Oleh karenaitu tegangan perlu diturunkan dengan pem-bagi tegangan. Fung-si dari tahanan-tahanantersebut adalah seba-gai pembagi teganganyang nantinya akan menurunkan tegangandengan skala 10 mV/OC(alldatasheet, 2009).

Rangkaian pemanas dengan sistempendeteksi suhu otomatis dan pengaman

Mukhlis. Yapie, Pemanasan dengan...

keboeoran panas ini menggunakan 2 trans-duser. Transduser pertama akan diteruskan kepenampil dan pembanding yang nantinya da-pat membuat pemanas aktif atau tidak aktif.Transduser kedua berfungsi sebagai pende-teksi dan pengaman keboeoran pada dindingpemanas. Di samping itu transduser keduajuga akan diteruskan ke pembanding dan pe-nampil. Apabila terjadi keboeoran yang me-nyebabkan suhu di luar pemanas meningkat,maka seeara otomatis rangkaian akan mema-tikan pemanas tersebut.

Blok pembanding merupakan pem-banding antara suhu yang diinginkan den-gan suhu yang diterima oleh sensor. Untukmenentukan berapa suhu yang diinginkandilakukan dengan mengatur tegangan aeuanpembanding sebesar 50 K. Suhu yang telahditerima oleh transduser akan diubah men-jadi tegangan dalam skala volt. Teganganditurunkan dengan pembagi tegangan se-hingga keluaran transduser menjadi berskalamiliVolt. Salah satu kaki pembanding di-hubungkan dengan pengatur tegangan yangmenghasilkan tegangan dalam skala Volt,sedangkan kaki pembanding yang satunyaterhubung dengan transduser yang memilikitegangan dengan skala miliVolt.

Rangkaian ini memerlukan penguat takmembalik untuk menaikkan kembali tegan-gannya. Penguatan tersebut menggunakan Rf= 100 ill dan Ri = 30 ill. Besaran tegangankeluaran dari penguat tak membalik dapatdihitung dengan Persamaan 1. Pada kondisipenguat sebagaimana digunakan dalam rang-kaian ini, rumus tegangan keluarannya dapatdihitung dengan Persamaan 2.

Sebagai eontoh, jika tegangan aeuanbesarnya 600C, maka tegangan yang dihasil-kan oleh transduser adalah 600 mV. Berda-sarkan Persamaan 2, besaran tegangan kelu-aran adalah 4,3 x 600 atau 2,58 Volt. Dengandasar ini maka kaki pembanding yang ter-hubung dengan pengatur tegangan yang ber-fungsi sebagai tegangan aeuan diatur sebesar2,58 Volt.

_ RfVout-(-+l).Vin (1)Ri

I

Ii

Vout = (lOOK + I). Vin = 4,3 Vin (2)30K

189

Untuk mendapatkan kondisi tinggi,salah satu kaki pembanding yang terhubungdengan transduser harns lebih dari 2,58 Volt.Selama tegangan yang dihasilkan oleh trans-duser kurang dari 2,58 Volt, maka transistorakan menyumbat (cut off). Kondisi rele tetapterhubung dan pemanas aktif. Apabila tegan-gan yang dihasilkan oleh transduser lebihdari 2,58 Volt,maka transistor akan jenuh se-hingga kondisi rele berubah menjadi terbuka.Pemanas menjadi tidak aktif.

Fungsi dari transistor 2N2222 adalahsebagai saklar (alldatasheet, 2009). Prinsipkerja dari kedua pembanding adalah sama,yaitu untuk mengatur suhu di dalam atausuhu di luar sistem pemanas. Pembandingatas berfungsi sebagai pengaman untuk men-deteksi kebocoran di luar pemanas. Apabilasuhu yang terdeteksi melebihi tegangan acu-

an, maka secara otomatis rele akan memutus-kan pemanas, sehingga pemanas akan mati.Pembanding bawah berfungsi untuk mengak-tifkan dan mematikan pemanas secaraotom-atis sesuai dengan suhu pengaturan, sehingganantinya akan didapatkan suhu tetap.

Ketika ada tegangan yang melewatibasis, transistor akan mendapatkan arusyangcukup untuk mengubah keadaan dari me-nyumbat menjadi jenuh. Saat transistor be-rada dalam keadaan jenuh, maka teganganantara kolektor dan emitor hampir mende-kati 0, sehingga transistor seperti mengalamihubungan singkat (Santoso, 2003). Denganmemanfaatkan keadaan jenuh dan matinyatransistor, maka transistor dapat digunakansebagai saklar elektronik untuk piranti elek-tronik.

Tabell. Pengujian Sensor SuhuTitik D Nilai Nilai Suhu oleh

(miliVolt) Suhu Penampileq 7 Segmen (OC)

360 36.0 37.2400 40,0 40,8460 46,0 46,3500 50,0 51,0560 56,0 56,2600 60,0 60,3660 66,0 66,1700 70,0 70,3

Tabel2. Tegangan di Titik Basis dan Emitor:Kondisi Tegangan Tegangan

Transistor Basis(Vb) Emitor (Ve)Menyumbat 4,5 Volt 0,75Volt

Jenuh 0,05Volt 4,0Volt

Tabel3. Pengujian pada RangkaianPembanding dan Penguat Tak Membalik

V10 VoutTerukur VoutPerhitungan(mY) (V) (V)360 1,6 1,55400 1,8 1,72460 2,01 1,98500 2,2 2,15560 2,43 2,41

Tabel 4. Kondisi Transistor Sebagai Saklar

Kondisi Tegangan Tegangan KondisiTransistor Basis (VB) Kolektor Pemanas

~Menyumbat 0,03 Volt 4,4 Volt aktif

Jenuh 3,4 Volt 0,03 Volt tidak aktif

190 Jurnal Ilmiah Teknologi & Rekayasa, Volume 15 No.3, Desember 2010

Tabel5. Kecepatan Rambat Suhu TerhadapWaktu Aktif-Tak AktifPemanas

Waldu Sensor Sensor Keterangan(Menit) Dalam Luar

(OC) (0C)

5 55,1

6 55,6

7 53,2

30,4

Kedua Led mati(Pemanas Aktif)

Kedua Led Mati(Pemanas Aktif)

Kedua Led Mati(Pemanas Aktif)

Kedua Led Mati(Pemanas Aktif)

Led Merah Mati,Led Koning

Menyala(Pemanas Tak

Aktif)

Kedua Led Nyala(Pemanas Tak

Aktif)

Led MerahMenyala, LedKoning Mati

(Pemanas TakAktif)

31,4

32,1

Pengujian Rangkaian

Setelah rangkaian sistem pemanasdengan pendeteksi suhu otomatis dan pen-gaman kebocoran panas yang mempunyaitampilan 3 digit ini terwujud, maka perlu di-lakukan pengujian per blok di beberapa titikuntukmengetahui fungsi dan kerja alat secarakeseluruhan (Laboratorium Teknik Elektro,2004). Hasil pengujian terhadap sensor suhudiperlihatkanpada Tabell. Besaran suhu olehtransduser diubah menjadi besaran tegangandalam miliVolt. Besaran suhu ditampilkanoleh rangkaian penampil dengan satuan dera-jat Celcius (0C). Hasil pengujian menunjuk-kan nilai suhu yang sebenamya dan juga nilaisuhu yang ditampilkan oleh 7-segmen.

Pada blok penampil juga terdapattransistor jenis PNP yang berfungsi sebagaisaklar dan penahan arns yang nantinya akanmenentukan tingkat kecerahan dari 7 segmentersebut. Pada saat kondisi jenuh, teganganbasis harns berada di bawah 0,7 Volt.Tabel2memperlihatkan hasil pengukuran pada kakibasis dan kaki emitor pada kondisi transistormenyumbat ataupun kondisi jenuh.

Mukhlis, Yapie. Pemanasan dengan...

Hasil pengujian pada rangkaian pem-banding dan penguat tak membalik ditunjuk-kan Pada Tabel 3. Masukan V. adalah besa-m

ran suhu dari sensor yang telah diubah olehtransduser menjadi nilai tegangan. Tegangankemudian dimasukkan ke dalam penguat takmembalik, yang hasilnya adalah Vout.Tegang-an V kemudian dibandingkan dengan te-

out

gangan acuan untuk menetapkan suhu yangdiinginkan pada sistem pemanas.

Hasil pengujian pada kondisi transistorsebagai saklar disajikan pada Tabel 4. Seb-agai penjelasan Tabel 4, saat kondisi tinggi,arns yang mengalir dapat dihitung menggu-nakan Persamaan 3.

Is= fin - VSE (3)RI1

I - 3,4-0,7s-15K

Is = 0,18 mA

Tegangan (Ie) sebesar 10 mA dibu-tuhkan untuk mengaktitkan rele. Transistoryang digunakan, yaitu tipe 2N2222, memilikinilai Psebesar 75 (alldatasheet, 2009). Besa-ran Is' dapat dihitung berdasarkan Persamaan4.

191

t

34 23

2 47 24

3 55,3 25,4

4 58,8 26,9

IB'= I!~ (4)I '=lOmA/75=013mAB '

Terlihat bahwa IBlebih besar daripadanilai IB', sehingga transistor berada dalamkondisi jenuh. Pada kondisi ini rele dipasangpada kondisi NC, ketika transistor jenuhmaka NC akan membuka menjadi NO se-hingga pemanas mati.

Pada saat transistor mendapatkanmasukan rendah, maka besaran IB menjadinegatif. Besaran IBdihitung dengan menggu-nakan Persamaan 2.

IB= (0,03-0,7)/15illI = -0 045 mAB '

Pada kondisi ini, tegangan Vio yangmasuk ke kaki basis nilainya mendekati nol

sehingga arus pada kaki basis (IB) nilainyanegatif. Masukan basis-emitor VBE pada tran-sistor mendapatkan bias mundur sehinggatransistor akan berada pada kondisi menyum-bat. Pada kondisi menyumbat arus Ie akansarna dengan nol, sehingga kumparan releakan menutup dan pemanas akan aktif.

Tabel 5 menunjukkan hasil pengam-bilan data terhadap waktu yang dibutuhkanbagi sistem pemanas untuk aktif tak aktif dankecepatan rambat panas terhadap dindinglapisan akibat radiasi panas yang ditimbulkanoleh pemanas listrik. Led Merah dan Kun-ing adalah tanda bagi saklar atau transistor,dalam membuat kondisi pemanas aktif dantak aktif. Sistem pemanas akan aktif apabilake dua led tersebut mati, yang berarti masing-masing transistor berada pada kondisi jenuh.

SIMP ULAN DAN SARAN

Rangkaian ini menggunakan dua buahsensor LM35 yang berfungsi untuk mengin-dera suhu. Tegangan keluaran sebesar 10mVsetiap kenaikan 10C diletakkan di dalampemanas. Fungsi tegangan tersebut adalahsebagai pendeteksi suhu dalam dan di luartungku sehingga apabila terjadi kebocoransuhu pada dinding penyekat dapat dideteksi.

Suhu yang meningkat di dalam pe-manas, setelah selang waktu tertentu, akan

menyebabkan peningkatan suhu di dindingluar pemanas Sistem pengaman kebocoranuntuk berbagai suhu ruang pemanas yangberbeda selisihnya dapat diatur agar suhudinding luar tetap sarna.

Rangkaian ini akan lebih baik danlebih sederhana jika menggunakan mikro-kontroler. Penggunaan tahanan peubah padarangkaian ini sebaiknya menggunakan je-nis potensio multiturn agar didapatkan nilaiyang lebih akurat. Sebagai saran selanjutnya,alat ini sebaiknya menggunakan dua buahpenampil, agar kebocoran panas yang terjadiakibat radiasi panas dapat cepat terdeteksi.

DAFTAR PUSTAKA

Elektro Indonesia. 2005. http://www.elek-troindonesia.com/elektro/tut34.gif. 8 Pe-bruari 2009.

Laboratorium Teknik Elektro. 2004. Buku

Panduan Praktikum Elektronika Digital.Universitas Gunadarma. Jakarta.

Laboratorium Teknik Elektro. 2004. Buku

Panduan Praktikum Elektronika Analog.Universitas Gunadarma. Jakarta.

Leksono, Edi. 1995. Teknik Kontrol Automa-tik: Sistem Pengaturan. Terjemahan.Jilid I. Erlangga. Jakarta.

Naga, Dali S. 1991. Fisika llmu Panas. Gu-nadarma. Jakarta.

Pakpahan, Sahat, 1978. lnstrumentasi Elek-tronik dan TelaiikPengukuran. Terjema-han. Erlangga. Jakarta.

Rio, S. Reke, Masamori, lida. 1982. Fisikadan Teknologi Semikonduktor. PradnyaParamita. Jakarta.

Santoso, Joko. 2003. Prinsip-prinsip Elek-tronika. Terjemahan. Salemba Teknika.Jakarta.

Soeparlan, Soepono; Yahdi, Umar. 1995.Teknik Rangkaian Listrik. Jilid 2. SeriDiktat Kuliah. Gunadarma. Jakarta.

Soeparlan, Soepono; Yahdi, Umar. 1995.Teknik Rangkaian Listrik. Jilid 1. SeriDiktat Kuliah. Gunadarma. Jakarta.

--.2009. http://www.alldatasheet.com. 13Pe-bruari 2009.

192 Jurnal Ilmiah Teknologi& Rekayasa. Volume15 No.3, Desember 2010 II

--.J