TERMOSTAT (THERMOSTAT)
Termostat pertama yang ditemukan oleh seorang inovator Belanda yang
bernama Cornelis Drebbel di Inggris pada abad ke-17 adalah Termostat Merkuri
yang digunakan untuk mengatur suhu inkubator ayam. Termostat Modern
pertama yang menggunakan Bi-Metallic ditemukan oleh seorang ahli kimia
Skotlandia yang bernama Andrew Ure pada tahun 1830 untuk mengendalikan
suhu di mesin produksi pabrik tekstil.
Termostat adalah suatu perangkat yang dapat memutuskan dan
menyambungkan arus listrik pada saat mendeteksi perubahan suhu di
lingkungan sekitarnya sesuai dengan pengaturan suhu yang ditentukan. Pada
umumnya, Termostat yang digunakan saat ini dapat kita bedakan menjadi dua
jenis utama yaitu Termostat Mekanikal dan Termostat Elektronik. Termostat
Mekanikal pada dasarnya merupakan jenis Sensor suhu Kontak (Contact
Temperature Sensor) yang menggunakan prinsip Electro-Mechanical
sedangkan Termostat Elektronik menggunakan komponen-komponen
elektronika untuk mendeteksi perubahan suhunya. Perangkat pendeteksi suhu
ini banyak digunakan di perangkat-perangkat listrik seperti Oven, Kulkas, Air
Conditioner (AC), pengendalian suhu mesin di mobil dan Setrika.
a. Prinsip Kerja Termostat Strip Bimetal (Bimetallic Strips Thermostat)
Sebuah Termostat mekanikal terdiri dari dua jenis logam yang berbeda
dan ditempel bersama sehingga menjadi bentuk yang disebut dengan BiMetallic strip (atau Bi-Metal Strip). Dua Strip tersebut akan berfungsi
menjadi jembatan untuk menghantarkan atau memutuskan arus listrik ke
rangkaian sistem pemanas atau pendinginnya.
Gambar 2.3 Prinsip kerja dan bentuk-bentuk Termostat Bi-Metal
SENSOR SUHU 9
Pada saat Normal, Strip yang berfungsi sebagai jembatan tersebut akan
selalu dalam kondisi terhubung dan mengaliri arus listrik, rangkaian yang
terhubungnya akan dalam kondisi ON juga. Ketika Strip tersebut menjadi
panas, salah satu logam diantaranya akan mengembang dan merubah bentuk
menjadi sedikit melekuk dan akan semakin melekuk seiring dengan semakin
panasnya strip tersebut yang pada akhirnya akan memisahkan hubungan
strip dengan rangkaiannya sehingga aliran listrik ke rangkaian sistem
pemanas atau pendingin juga menjadi terputus atau menjadi kondisi OFF.
Termostat kemudian berubah menjadi kondisi OFF (Switch OFF) atau
terjadi pemutusan arus listrik ke sistem pemanas atau pendingin yang
terhubung ke Termostat tersebut.
Pada saat kondisi OFF, tidak ada arus listrik yang mengalir melewat
strip Bimetal tersebut. Secara bertahap Strip Bimetal tersebut akan kembali
menjadi dingin. Logam yang melekuk tadi akan mulai berubah bentuk
menjadi bentuk semula sehingga terhubung kembali dan arus listrik mulai
mengalir melewati strip bimetal lagi. Kondisi Termostat menjadi ON
kembali dan rangkaian sistem pemanas ataupun pendingin menjadi ON lagi.
b. Prinsip Kerja Termostat Elektronik (Electronic Thermostat)
Prinsip Kerja Termostat Elektronik ini sedikit berbeda dengan Prinsip
Kerja Termostat Bi-Metal yang menggunakan konsep Elektro-Mekanikal.
Termostat Elektronik pada dasarnya berbentuk rangkaian elektronika yang
terdiri dari berbagai komponen-komponen elektronika. Komponen utama
untuk mendeteksi perubahan suhu adalah Thermistor yaitu resistor yang
nilai hambatannya dapat dipengaruhi oleh suhu (Temperature) sekitarnya.
Thermistor terbagi menjadi dua jenis yaitu Thermistor PTC dan Thermistor
NTC.
Pada saat Thermistor mendeteksi adanya suhu tinggi, resistansi atau
hambatan Thermistor juga akan berubah sehingga rangkaian elektronikanya
akan memutuskan hubungan listrik ke sistem pemanas ataupun pendingin
yang terhubung tersebut. Pada saat Thermistor menjadi dingin kembali,
resistansi pada thermistor tersebut juga akan berubah menjadi normal
kembali sehingga rangkaian elektronika yang berfungsi sebagai pengendali
tersebut akan kembali menyambung aliran arus listrik ke sistem pemanas
dan pendingin sehingga menjadi ON kembali.
Kelebihan dari Termostat Digital atau Elektronik ini adalah lebih hemat
energi dan mencegah pemborosan pada penggunaan listrik. Termostat jenis
ini dapat diprogram sehingga kita dapat melakukan pengaturan suhu sesuai
dengan periode yang kita inginkan.
THERMISTOR
Komponen Elektronika yang peka dengan suhu ini pertama kali
ditemukan oleh seorang ilmuwan inggris yang bernama Michael Faraday pada
1833. Thermistor yang ditemukannya tersebut merupakan Thermistor jenis
NTC (Negative Temperature Coefficient). Michael Faraday menemukan
adanya penurunan Resistansi (hambatan) yang signifikan pada bahan Silver
Sulfide ketika suhu dinaikkan. Namun Thermitor komersil pertama yang dapat
diproduksi secara massal adalah Thermistor ditemukan oleh Samuel Ruben pada tahun 1930.
SENSOR SUHU 10
Samuel Ruben adalah seorang ilmuwan yang berasal dari
Amerika Serikat.
Thermistor adalah salah satu jenis Resistor yang nilai resistansi atau
nilai hambatannya dipengaruhi oleh Suhu (Temperature). Thermistor
merupakan singkatan dari “Thermal Resistor” yang artinya adalah Tahanan
(Resistor) yang berkaitan dengan Panas (Thermal). Thermistor terdiri dari 2
jenis, yaitu Thermistor NTC (Negative Temperature Coefficient) dan
Thermistor PTC (Positive Temperature Coefficient).
Seperti namanya, Nilai Resistansi Thermistor NTC akan turun jika suhu
di sekitar Thermistor NTC tersebut tinggi (berbanding terbalik / Negatif).
Sedangkan untuk Thermistor PTC, semakin tinggi suhu disekitarnya, semakin
tinggi pula nilai resistansinya (berbanding lurus / Positif).
Simbol dan Gambar Thermistor PTC dan NTC
Gambar 2.4 Simbol dan gambar Thermistor PTC dan NTC
Karaktreristik Thermistor NTC dan PTC
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 (dikutip dari
Data Sheet salah satu Produsen Thermistor MURATA Part No.
NXFT15XH103). Jika digambarkan, maka Karakteristik Thermistor NTC
tersebut adalah seperti dibawah ini :
SENSOR SUHU 11
Gambar 2.5 Grafik karakteristik Thermistor NTC
Pada umumnya Thermistor NTC dan Thermistor PTC adalah
Komponen Elektronika yang berfungsi sebagai sensor pada rangkaian
Elektronika yang berhubungan dengan Suhu (Temperature). Suhu operasional
Thermistor berbeda-beda tergantung pada Produsen Thermistor itu sendiri,
tetapi pada umumnya berkisar diantara -90°C sampai 130°C. Beberapa aplikasi
Thermistor NTC dan PTC di kehidupan kita sehari-hari antara lain sebagai
pendeteksi Kebakaran, Sensor suhu di Engine (Mesin) mobil, Sensor untuk
memonitor suhu Battery Pack (Kamera, Handphone, Laptop) saat Charging,
Sensor untuk memantau suhu Inkubator, Sensor suhu untuk Kulkas, sensor suhu
pada Komputer dan lain sebagainya.
Thermistor NTC atau Thermistor PTC merupakan komponen
Elektronika yang digolongkan sebagai Komponen Transduser, yaitu komponen
ataupun perangkat yang dapat mengubah suatu energi ke energi lainnya.
Dalam
hal ini, Thermistor merupakan komponen yang dapat mengubah energi panas
(suhu) menjadi hambatan listrik. Thermistor juga tergolong dalam kelompok
Sensor Suhu.
Kelebihan Thermistor :
Level perubahan output yang tinggi
Respon terhadap perubahan suhu yang cepat
Perubahan resistansi pada kedua terminal (pin)
Kekurangan Termistor :
Tidak linier
Range pengukuran suhu yang sempit
Rentan rusak
Memerlukan supply daya
Mengalami self heating
RESISTIVE TEMPERATURE DETECTOR (RTD)
Resistive Temperature Detector atau disingkat dengan RTD memiliki
fungsi yang sama dengan Thermistor jenis PTC yaitu dapat mengubah energi
SENSOR SUHU 12
listrik menjadi hambatan listrik yang sebanding dengan perubahan suhu. Namun
Resistive Temperature Detector (RTD) lebih presisi dan memiliki keakurasian
yang lebih tinggi jika dibanding dengan Thermistor PTC. Resistive
Temperature Detector pada umumnya terbuat dari bahan Platinum sehingga
disebut juga dengan Platinum Resistance Thermometer (PRT).
konsep utama dari yang mendasari pengukuran suhu dengan detektor
suhu tahanan (resistant temperature detector = RTD) adalah tahanan listrik dari
logam yang bervariasi sebanding dengan suhu. Kesebandingan variasi ini
adalah presisi dan dapat diulang lagi sehingga memungkinkan pengukuran
suhu yang konsisten melalui pendeteksian tahanan. Bahan yang sering
digunakan RTD adalah platina karena kelinearan, stabilitas dan reproduksibiliti.
Gambar 2.6 Resistive Temperature Detector (RTD)
Kelebihan dari RTD :
Ketelitiannya lebih tinggi dari pada termokopel
Tahan terhadap temperatur yang tinggi
Stabil pada temperatur yang tinggi, karena jenis logam platina lebih
stabil dari pada jenis logam yang lainnya.
Kemampuannya tidak akan terganggu pada kisaran suhu yang luas
Kekurangan dari RTD :
Lebih mahal dari pada termokopel
Terpengaruh terhadap goncangan dan getaran.
Respon waktu awal yang sedikit lama (0,5 s/d 5 detik, tergantung
kondisi penggunaannya).
Jangkauan suhunya lebih rendah dari pada termokopel.
THERMOCOUPLE (TERMOKOPEL)
Termokopel (Thermocouple) adalah jenis sensor suhu yang digunakan
untuk mendeteksi atau mengukur suhu melalui dua jenis logam konduktor
berbeda yang digabung pada ujungnya sehingga menimbulkan efek “Thermoelectric”. Efek Thermo-electric pada Termokopel ini ditemukan oleh seorang
fisikawan Estonia bernama Thomas Johann Seebeck pada Tahun 1821, dimana
sebuah logam konduktor yang diberi perbedaan panas secara gradient akan
menghasilkan tegangan listrik. Perbedaan Tegangan listrik diantara dua
persimpangan (junction) ini dinamakan dengan Efek “Seeback”.
SENSOR SUHU 13
Termokopel merupakan salah satu jenis sensor suhu yang paling populer
dan sering digunakan dalam berbagai rangkaian ataupun peralatan listrik dan
Elektronika yang berkaitan dengan Suhu (Temperature). Beberapa kelebihan
Termokopel yang membuatnya menjadi populer adalah responnya yang cepat
terhadap perubahaan suhu dan juga rentang suhu operasionalnya yang luas yaitu
berkisar diantara -200˚C hingga 2000˚C. Selain respon yang cepat dan rentang
suhu yang luas, Termokopel juga tahan terhadap goncangan/getaran dan mudah
digunakan.
Prinsip kerja Termokopel cukup mudah dan sederhana. Pada dasarnya
Termokopel hanya terdiri dari dua kawat logam konduktor yang berbeda jenis
dan digabungkan ujungnya. Satu jenis logam konduktor yang terdapat pada
Termokopel akan berfungsi sebagai referensi dengan suhu konstan (tetap)
sedangkan yang satunya lagi sebagai logam konduktor yang mendeteksi suhu
panas. Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada gambar dibawah :
Gambar 2.7 Prinsip kerja Termokopel
Berdasarkan Gambar diatas, ketika kedua persimpangan atau Junction
memiliki suhu yang sama, maka beda potensial atau tegangan listrik yang
melalui dua persimpangan tersebut adalah “NOL” atau V1 = V2. Akan tetapi,
ketika persimpangan yang terhubung dalam rangkaian diberikan suhu panas
atau dihubungkan ke obyek pengukuran, maka akan terjadi perbedaan suhu
diantara dua persimpangan tersebut yang kemudian menghasilkan tegangan
listrik yang nilainya sebanding dengan suhu panas yang diterimanya atau V1 –
V2. Tegangan Listrik yang ditimbulkan ini pada umumnya sekitar 1 µV – 70µV
pada tiap derajat Celcius. Tegangan tersebut kemudian dikonversikan sesuai
dengan Tabel referensi yang telah ditetapkan sehingga menghasilkan
pengukuran yang dapat dimengerti oleh kita.
JENIS-JENIS TERMOKOPLE (THERMOCOUPLE)
Termokopel tersedia dalam berbagai ragam rentang suhu dan jenis
bahan. Pada dasarnya, gabungan jenis-jenis logam konduktor yang berbeda
akan menghasilkan rentang suhu operasional yang berbeda pula. Berikut ini
adalah Jenis-jenis atau tipe Termokopel yang umum digunakan berdasarkan
Standar Internasional.
Termokopel Tipe E
Bahan Logam Konduktor Positif : Nickel-Chromium
Bahan Logam Konduktor Negatif : Constantan
Rentang Suhu : -200˚C – 900˚C
SENSOR SUHU 14
Termokopel Tipe J
Bahan Logam Konduktor Positif : Iron (Besi)
Bahan Logam Konduktor Negatif : Constantan
Rentang Suhu : 0˚C – 750˚C
Termokopel Tipe K
Bahan Logam Konduktor Positif : Nickel-Chromium
Bahan Logam Konduktor Negatif : Nickel-Aluminium
Rentang Suhu : -200˚C – 1250˚C
Termokopel Tipe N
Bahan Logam Konduktor Positif : Nicrosil
Bahan Logam Konduktor Negatif : Nisil
Rentang Suhu : 0˚C – 1250˚C
Termokopel Tipe T
Bahan Logam Konduktor Positif : Copper (Tembaga)
Bahan Logam Konduktor Negatif : Constantan
Rentang Suhu : -200˚C – 350˚C
Termokopel Tipe U (kompensasi Tipe S dan Tipe R)
Bahan Logam Konduktor Positif : Copper (Tembaga)
Bahan Logam Konduktor Negatif : Copper-Nickel
Rentang Suhu : 0˚C – 1450˚C
Kelebihannya Thermocouple
Termokopel paling cocok digunakan untuk mampu mengukur suhu yang
sangat tinggi dan juga suhu rendah dari -200 hungga 1800⁰C
Kelemahan Thermocouple
Termokopel tidak dapat mengukur suhu awal dari suatu thermometer
pada suhu awal dari suatu thermom inieter pada umumnya karena alat ini tidak
dapat dikalibrasi, sehingga ketika termokopel pada posisi ON, langsung muncul
suhu ruangan.
IC SENSOR
Sensor suhu IC (IC temperature sensor) adalah sensor suhu yang prinsip
kerjanya didasarkan pada sifat atau perilaku semikonduktor PN junction silikon
yang sangat sensitif terhadap suhu/ temperature. Kesensitifan PN junction ini
mungkin menjadi kerugian dalam banyak aplikasi, akan tetapi perilaku ini akan
sangat menguntungkan bila digunakan dalam perangkat sensor suhu.
Sensor suhu IC akan menghasilkan sinyal output (tegangan, arus) yang
berbanding lurus atau linier dengan temperatur. Sensor suhu IC biasa digunakan
dalam suhu kisaran –50⁰ C sampai 150⁰ C. Sensor suhu IC dibedakan menjadi
4 tipe dasar :
1. Sensor IC AD590/592, merupakan sensor suhu yang menghasilkan sinyal
arus keluaran yang linier 1µA/⁰K
2. Sensor IC LM335, merupakan sensor suhu yang menghasilkan sinyal output
tegangan yang linier 10mV/⁰K
3. Sensor IC LM34, merupakan sensor suhu yang menghasilkan sinyal output
tegangan yang linier 10mV/⁰F
SENSOR SUHU 15
4. Sensor IC LM35, merupakan sensor suhu yang menghasilkan sinyal output
tegangan yang linier 10mV/⁰C
Gambar 2.8 Sensor IC AD590
Gambar 2.9 Sensor IC LM335
Gambar 2.10 Sensor IC LM35
Kelebihan sensor suhu IC :
1. Menghasilkan sinyal output (tegangan atau arus) yang sangat linier dengan
perubahan suhu
2. Sinyal output tegangan/arus tinggi sehingga tidak membutuhkan sirkuit
tambahan
3. Harganya yang murah
4. Dapat membaca temperatur secara langsung (1000mV = 100⁰C dan 298µA =
298⁰K atau 25⁰C) pada beberapa perangkat analog
Kekurangan sensor suhu IC :
1. Rentang suhu yang sempit, yaitu kisaran -50⁰C sampai 150⁰C
2. Memerlukan suplai daya
3. Respon lambat
4. Pemanasan sendiri
5. Konfigurasi terbatas
SENSOR SUHU 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 National Semiconductor.
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 (self-heating) dari sensor yang dapat
menyebabkan kesalahan pembacaan yang rendah yaitu kurang dari 0,5 ºC pada suhu 25 ºC .
Gambar 2.11 sensor suhu LM35
Pada Gambar 2.11 ditunjukan 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 antara 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
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 .
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.
Berikut ini adalah karakteristik dari sensor LM35:
Memiliki sensitivitas suhu, dengan faktor skala linier antara tegangan dan suhu 10
mVolt/ºC, sehingga dapat dikalibrasi langsung dalam celcius.
Memiliki ketepatan atau akurasi kalibrasi yaitu 0,5ºC pada suhu 25 ºC
Memiliki jangkauan maksimal operasi suhu antara -55 ºC sampai +150 ºC.
Bekerja pada tegangan 4 sampai 30 volt.
Memiliki arus rendah yaitu kurang dari 60 µA.
Memiliki pemanasan sendiri yang rendah (low-heating) yaitu kurang dari 0,1 ºC pada
udara diam.
Memiliki impedansi keluaran yang rendah yaitu 0,1 W untuk beban 1 mA.
Memiliki ketidaklinieran hanya sekitar ± ¼ ºC.
Contact Temperature Sensor
Sensor Suhu jenis contact adalah Sensor suhu yang memerlukan kontak (hubungan) Fisik
dengan objek yang akan dirasakan perubahan suhunya. Sensor suhu jenis ini dapat digunakan
untuk memantau suhu benda padat, cair maupun gas.
Non-Contact Temperature Sensor
Sensor Suhu jenis Non-Contact adalah Sensor suhu yang dapat mendeteksi perubahan suhu
dengan menggunakan konveksi dan radiasi sehingga tidak memerlukan kontak fisik langsung
dengan obyek yang akan diukur atau dideteksi suhunya.
No comments:
Post a Comment